《热处理设备》课程设计指导书

热处理电阻炉课程设计指导书张永宏编材料学院金属系2010年3月目录１一、热处理电阻炉设计说明 (2)（一）炉膛尺寸的确定 (2)（二）炉衬材料的选择 (3)（三）炉体结构的设计 (4)（四）炉衬厚度的确定 (5)（五）炉衬散热损失的计算 (8)（六）电热元件的设计 (9)（七）电阻炉功率的分配 (11)二、热处理电阻炉设计的步骤与内容 (12)三、热处理电阻炉设计任务书 (14)四、热处理电阻炉课程设计参考资料 (16)附录 (17)附表1螺旋电热元件的电阻修正系数及允许表面负荷 (17)附表2热处理电阻炉常用型钢 (17)附表3电热元件常用数据 (21)附表4常用单位换算表 (22)２一、热处理电阻炉设计说明（一）炉膛尺寸的确定合理地确定炉膛尺寸是热处理炉设计的一个重要环节，炉膛尺寸包括炉膛的有效尺寸和炉膛的砌砖体尺寸两个方面。

确定炉膛尺寸最根本的依据是炉子的生产率（一般用年生产量或小时生产量g件表示），先由生产率确定炉膛有效尺寸，再由炉膛有效尺寸确定炉膛砌砖体尺寸。

1、确定炉膛有效尺寸通常有两种方法：一种是排料法，一种是炉底强度法。

排料法适合于品种少、专业化程度较高的热处理电阻炉的设计；炉底强度法是根据现有的各类电阻炉的生产能力（用单位炉底面积的生产率p o[kg /m2·h]表示）的统计资料来确定炉底有效面积的方法。

它实质是一种经验数据法，适合于品种多，且工艺周期各不相同的通用型热处理炉的设计。

按炉底强度法确定热处理炉炉膛尺寸的步骤是：先根据F效=g件/p o确定出炉底的有效面积F效；再根据L效/ B效= 1.5 ~ 2即可确定出L效和B效。

按排料法或炉底强度法所确定的炉底有效尺寸B效和L效最后尚需修正，使其与相近的标准系列的电阻炉一致，以便选用标准尺寸的炉底板。

井式炉的炉膛有效尺寸Φ效和Ｈ效，通常可根据排料情况或料筐尺寸来确定。

按排料法设计时，工件之间的距离应不小于其直径或厚度。

2、确定炉膛砌砖体尺寸通常在炉膛的两侧墙上都要安装电热元件，为了保证操作方便和加热均匀，在工件与电热元件之间要留出一定的距离。

在箱式炉中，一般规定工件到侧墙内壁的距离为0.1~0.15m；靠近炉门处的炉温偏低，工件到炉门口之间也应留出0.1~0.2m的距离。

因此，箱式炉炉膛砌砖体的内腔尺寸为：B砌= B效+ 2(0.1~0.15) (m)L砌= L效+ (0.1 ~ 0.2) (m)在井式炉中，工件至电热元件之间应保持0.1~0.2m的距离，工件至炉底和炉顶的距离应在0.15~0.25m。

因此，井式炉炉膛砌砖体的内腔尺寸为：Φ砌= Φ效+ 2(0.1~0.2) (m)H砌= H效+ 2(0.15~0.25) (m)3、箱式炉炉膛高度H砌的确定箱式炉的炉膛高度H砌（指炉底板面至炉顶拱脚的距离）目前尚无一致的计算方法。

原则上，中、高温炉以辐射传热为主，炉膛应稍高些以增大辐射面积，通常要求从装料上方到炉顶应保持0.2~0.3m的空间。

根据现有炉子的统计资料，大多数箱式电阻炉的H砌与B砌之比在0.5~0.9范围内变动，中温电阻炉一般可取0.8左右。

另外，在决定炉膛高度时，必须考虑炉内侧壁上电热元件搁砖的层数。

标准搁砖每层高度为67mm（包括2mm灰缝），在电热元件搁砖层数n确定后，H砌也可由下式确定：３H砌= 67×搁砖层数n + 42 + 39（mm）（二）炉衬材料的选择炉衬指的是由耐火材料与保温材料砌筑而成的耐火层和保温层。

耐火层直接承受炉内的高温作用以及炉气的侵蚀，炉衬的结构强度主要决定于耐火层。

保温层的作用是保温隔热，减少炉衬热损失，使炉壳温度不致过高，对炉衬结构强度只起辅助作用。

炉衬材料选择原则如下：1、耐火材料主要应考虑材料的最高使用温度，其次应保证炉衬有必要的结构强度和较小的蓄热损失。

应在保证炉衬有必要的结构强度的前提下，尽可能采用轻质或超轻质耐火材料，减少重质耐火材料的使用。

过去我国中温热处理电阻炉大都采用密度为1.3或1.0g/cm3的轻质耐火砖。

目前，我国在超轻质耐火砖和耐火纤维的研究开发上取得了很大的进展，轻质耐火砖的质量也有显著提高，如密度为0.6g/cm3的轻质粘土砖的耐压强度比过去提高了一倍多，这为电阻炉采用轻质砖作炉衬创造了极为有利的条件。

目前有不少中温箱式电阻炉已采用这种耐火砖，在耐火砖外再衬一层硅酸铝耐火纤维毡，最外面是硅藻土砖和蛭石粉的混合结构。

这种炉衬的总厚度比原来薄，空炉升温时间也比原来下降40~50%，节能效果显著。

从节能方面考虑，对周期作业炉，采用全耐火纤维炉衬最为理想。

这种炉子不仅节能，而且炉衬薄、炉子轻、外形尺寸小、升温快。

我国已研制成功采用全耐火纤维炉衬的中温电阻炉。

可以预计耐火纤维炉衬今后将会得到广泛使用。

2、保温材料选择时主要应考虑最高使用温度、导热系数、比热容等几个方面。

应尽量选择导热系数小、密度小的材料。

同时要保证材料的最高使用温度高于保温层与耐火层接触面上的温度。

保证炉子外表面温升不超过50℃。

有时还要考虑保温层对炉膛结构强度的辅助作用。

（三）炉体结构设计箱式炉的炉体包括炉底、炉壁、炉顶和炉门。

井式炉的炉体包括炉底、炉壁和炉盖。

1、炉底炉底起保护炉内热量和承载工件的作用。

热处理电阻炉的炉底通常采用如下结构（自上而下）：炉底钢板→石棉板→用硅藻土砖立砌成方格，方格中填充蛭石粉→平铺1~2层硅藻土砖→平铺一层轻质耐火粘土砖→支撑炉底板的重质粘土砖（竖砌）(参考教材70页图5-8和176页图12-9)。

炉底耐火层及保温层的厚度，可参考炉墙的厚度来决定。

一般可比炉墙厚一些。

注意支撑炉底板的重质粘土砖应安放在轻质耐火粘土砖上，不要直接安放在硅藻土砖上。

2、炉壁700~1000℃的中温电阻炉的炉壁一般由115mm耐火层（轻质耐火砖）、180~232mm保温层（硅藻土砖和蛭石粉混合结构）和5~10mm石棉板组成，外４包一层炉外壳钢板（4~5mm厚A3钢）。

石棉板起均温和吸潮作用，保温层厚度由传热计算确定。

中温电阻炉的炉壁还可采用如下结构（自外而内）：炉壁钢板→石棉板（5~10mm）→矿渣棉→硅藻土砖（115mm）→轻质耐火粘土砖（115mm）。

矿渣棉的厚度根据炉温和炉外壁面温升通过传热计算确定。

3、炉顶（箱式炉）热处理电阻炉炉顶的结构形式主要有拱顶和平顶两种，多数箱式电阻炉采用拱顶。

拱顶的圆心角称为拱角，以60ο的拱角用的最多，称为标准拱角，此时拱顶圆弧半径与炉膛宽度相等。

拱顶重量及其受热膨胀而形成的侧推力作用于拱角上，因而拱角一般用重质砖砌筑，以承受较大的侧推力。

而拱顶则采用轻质楔型砖砌筑，其上再覆以轻质保温制品（蛭石粉等）作保温层。

拱脚砖通过支撑砖（用重质砖）把它所受的侧推力传递给与炉架相接触的拱脚架（通常为角钢或槽钢）。

大型的炉子还另有钢架结构来支撑拱脚梁，以减轻炉架的负担。

以下举例说明拱脚梁和垂直立柱所用型钢的设计方法。

当炉膛宽度B为1000mm，拱顶厚度为113mm，用密度为1.0g/cm2楔型轻质粘土砖砌筑拱顶（还应加一部分直形砖）时，沿炉长方向每米的拱顶重量为130kg，在900~1000℃温度范围内，60ο拱顶侧推力P为320×9.8N。

若沿炉长方向每1m安装一根垂直的型钢立柱时，拱脚梁可选5号等边脚钢，炉壳上垂直的型钢立柱可选7.5号等边角钢。

为增强炉壳刚性，实际上拱角梁可选8~10号角钢（或槽钢），垂直型钢立柱可选8~12号角钢。

4、炉门（箱式炉）炉门部分包括炉门洞口，炉门框和炉门。

炉门洞口的大小要保证装出料方便和满足炉子安装电热元件以及维修炉子的需要，通常应小于炉膛截面尺寸，以减小热损失和保护电热元件。

中温炉的炉门洞口深度一般可取一标准砖长（230mm）。

炉门洞口的砌砖体经常受到工件磨檫撞击，应采用重质耐火砖砌筑。

炉门框可用铸铁铸成或用钢板焊成，后者重量轻，但容易变形、影响密封性。

做成的炉门框用螺栓安装在炉架上，炉门框上通常有限制炉门上下运动的轨道。

炉门常用铸铁制成框架，然后在其中砌耐火砖和保温砖。

炉门应保证炉子操作方便、炉口密封性好并尽量减少热损失。

其结构设计的基本要点是：（1）要有足够厚的保温层（中温炉可取130~180mm）；（2）炉门边缘与炉门框要重叠65~130mm；（3）炉门要压紧炉门框；（4）炉门下缘通常楔入工作台的砂槽内；（5）炉门与炉门框的接触面应进行机加工，以保证良好的密封性等。

此外，筑砌炉门时，炉门砌砖体表面应从四周向中间逐渐凹陷3~5mm而且在炉门上要设窥视孔。

窥视孔的张角以方便观察为宜，在窥视孔外端安装石英玻璃。

最常用的炉门压紧方法是在炉门侧面设置楔铁或滚轮，当炉门落下时，炉门上的楔铁或滚轮滑入炉门框上的楔形滑槽或滑道内。

炉门越向下，炉门越压紧炉５门框；另一个常用的压紧方法是在炉门口设计一斜度，利用炉门自重使炉门压紧炉门框。

此外还有偏心轮压紧和丝杠压紧等方法。

炉门起闭机构形式繁多。

中小型炉子多数靠人工起闭，起闭频繁的炉门可用电动、气动或液压机械起闭。

5、炉盖（井式炉）为了方便起闭，中、小型井式炉的炉盖一般作成整体式，大型井式炉的炉盖有的作成对分式。

炉盖的起闭机构依炉门重量也有所不同，目前常用的有手动、电动和液压机构，小型井式炉炉盖多用手动杠杆式起闭机构，这种机构简单、灵活、可靠（参考《热处理炉及车间设备》南京机器制造学校主编125页图5-30）。

6、设计砌砖体结构时还应考虑：（1）砌砖体尺寸应是标准尺寸（230、113、65等）的整数倍（还应计入灰缝尺寸）。

尤其在砌砖体的高度方向上不可能用砍削砖的方法来满足砌砖体尺寸。

（2）除炉口等特殊情况外，应尽量避免重质耐火砖直接通到炉壳，以减少热短路损失。

（3）耐火砖炉衬的灰缝尺寸：炉壁和炉底的灰缝不大于2mm，炉顶的灰缝不大于1.5mm，可控气氛炉的灰缝不大于1mm。

（4）炉衬的砖缝必须相互交错，错开量应以砖长的二分之一为宜，个别情况不得小于砖长的1/4。

在炉墙拐角处砖的筑砌必须相互咬合，使形成一整体。

（5）砌砖体必须留膨胀缝。

对粘土砖和硅藻土砖而言每米砌砖体的膨胀缝为5~6mm。

膨胀缝应错开使彼此不相通，以避免漏气和增大热损失。

缝内充填耐火纤维或马粪纸。

（6）为防止电热元件腐蚀，支承或固定电热元件的材料应采用高铝质或钢玉陶瓷。

如电热元件隔板砖和电热丝引出棒套管等。

6、炉架与炉壳炉架与炉壳的作用在于承受砌砖体的重量及拱顶的侧压力等，同时它还能增加炉子整体的结构强度和密封性。

另外，在炉架上便于安装各种附属机构，如炉门起闭机构等。

炉架也使炉子架空避免炉体与地面直接接触，减少了热损失。

对于中、小型炉子，还可以通过对支撑炉子用型钢的结构尺寸的合理设计，取得方便适宜的操作高度。

炉架可用角钢和槽钢焊接而成。

炉壳常用3~5mm厚度的钢板焊成。