热处理设备概述

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三、平壁炉墙的导热
1．单层平壁炉墙的导热 图1-1所示 单层平壁炉墙的 壁厚为S，材料的导热系数为λ，平壁两侧表面温度各为t1 与t2，且t1>t2，并保持恒定，平壁温度只沿垂直于平壁面 的x轴方向发生变化，所有等温面都是平面,且垂直于x轴, （属于单向稳定态导热）。
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1.5 热处理炉的传热原理
传热或换热： 热量从一物体传向另一物体或由同一物体的某一部分 传向另一部 分的过程。 条件： 物体间或同一物体内部只有存在温度差时，才会发生热量的传递。 热处理炉内进行的热传递过程是由传导、对流、辐射三种基本传热 形式组成的综合传热过程。
相对于先进工业国家仍有相当大的差距
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箱式可控气氛多用炉
箱式可控回火炉
网带式可控气氛多用炉
高温型可控气氛多用炉
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可控气氛多用炉生产线
多用炉生产线由加热炉、清洗机、回火炉、
推拉车、准备台、完成台、中继台、电控柜、
滴注灌、深冷炉等设备根据用户需要及产量 需求可布置成各种不同组合的生产线
热时保温时间长的原因)。
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温度升高时大多数金属的导热系数降低。
材料的热导率与温度的变化呈线性关系。
即： λt =λ0 + bt 〔W/(m ·℃)]
（１－７）
式中: λt —t℃时材料的热导率; λ0 — 0℃时材料的热导率; b—材料的热导率温度系数，因材料而异。可查表
得到。
实际计算中，一般取物体算术平均温度下的热导率代表物体热导 率的平均值。
– 《新编热处理设备选型设计实用手册》，徐宝亮编， 中国知识出版社，2005.11
– 《热处理炉》（第1版），曾祥模编，西北工业大 学出版社，1996.7
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本课程的性质：
《热处理设备》是金属材料工程专业的一门应用性较强的必修专业课，考试课。
本课程的任务：
使学生掌握有关热处理设备的知识，同时也培养学生设计、选择和应用热 处理设备的能力。
热处理设备
主讲教师：范涛
北华航天工业学院 金属材料工程教研室
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教材与教参
1.使用教材
– 《热处理炉》，吉泽升等编，哈尔滨工程大学出版 社，1999.1
2.主要参考书
– 《热处理手册》 第三卷 热处理设备和工辅材料 （第四版)，中国机械工程学会热处理学会编，机械 工业出版社，2008.1
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二、热导率（λ也叫导热系数）
热导率是反映物体导热能力大小的参数。其
物理意义为在单位时间内，每米长温度降低1℃时
，单位面积能传递的热流量，用λ表示，单位为
W/(m ·℃)。
金属的导热系数与金属的纯度和温度有关，杂
质愈多，导热系数也随之降低。纯铁比碳钢导热
系数大，碳钢又比合金钢的导热系数大(合金钢加
主要设备：
主要设备 辅助设备
完成主要热处理工序(加热和冷却)所用的设备，包括
各种加热设备(加热炉与加热装置)和冷却没备(冷却室、
淬火槽、淬火机等)。 辅助设备：
完成各种辅助工序(如酸洗、清洗、清理、校直、检 验)、生产操作、动力供应所用的设备。热处理车间常用 的辅助设备有清洗槽(机)、喷砂机、校直机、泵、鼓风机、 各种动力管道以及起重运输设备等。
（１-２）
稳定温度场：物体各点温度不随时间变化。这时温度分布 函数简化为：
t f (x, y, z) 及 t 0 (1 3)
如长时间恒温状态下炉壁的传热。
不稳定态温度场：物体各点的温度随时间的变化而变化，
如升温状态下炉壁的传热。
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2．温度梯度
在温度场内，物体(或体系内)相邻两等温面间的温度 差△t与两等温面法线方向的距离△n的比例极限，称为温 度梯度。用下式来表示:
lim gradt t t
n0 n n
℃ / m
(1 4)
温度梯度是表示温度变化的一个向量，其数值等于在
和等温面相垂直的单位距离上温度变化值，并规定由低到
高为正，由高到低为负。
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三、热流和热流密度 热流：Q
单位时间内由高温物体传给低温物体的热量叫热流 或热流量，用Ｑ表示， Q= λ △t F （W）。
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这些产品都需 要进行热处理
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课程特点
基础性
综合性 实践性 发展性
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课程安排
总学时：46 理论教学时间：01-15周 周学时：3 试验：4学时 考核形式：考试 考试时间：20周
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对大家提几点要求
重视课堂教学 按时上课，做好笔记 课堂保持安静
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第一章热处理设备概述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.3.1主要设备
1.热处理炉：有炉膛的加热设备：箱式炉、井式、 台车、真空炉
2.加热装置：热源直接对工件加热的装置：高频、 中频、火焰加热
碳 控
3.表面改性装置：气相沉积多弧镀膜机、离子注 仪
入机
4.表面氧化装置；发蓝槽、发黑槽
5.表面机械强化装置：抛（喷）丸机、 辊压机
2.炉气氛制备装置：吸、放热式发生器，氨分解器、制 氮机
3.淬火介质循环装置：储液槽、过滤器、输送泵、冷却 器、冷水机
4.起重运输设备：天车、起重机、运输车、传送链 5.动力输送管路及辅助设备：管路、风机泵、储气（液）
罐
6.防火、除尘等安全设备：防火喷雾器、抽风机、废气 反应槽
另外，还需校正设备、各种工具、夹具
热处理炉是实现金属热处理工艺的主要要设备，没有先进的热处 理炉就不能实现先进的热处理工艺，要实现热处理技术的现代化， 需要靠热处理设备的现代化来保证。即热处理设备的先进与否更是 决定热处理工艺的重要因素。
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第一章热处理设备概述
1.2热处理设备的发展概况
现代热处理设备包括：大型连续生产线，密封箱式多 用炉生产线，真空及无人化感应加热设备
国外: (1)以电能为热源的增多，油和煤气炉比例逐渐减 少 (2)对产品表面质量的要求更为严格，可控气氛热处 理炉和真空炉占重要地位 (3)炉衬趋向轻质材料，在电 阻炉上应用非金属炉用耐热构件和发热元件的比例逐 渐增加 (4)微机和PLC的发展加速了热处理自动化，并 有与其它工序组成全自动热处理线的趋势。
由于生产设备和规模的落后，我国热处理生产耗能巨 大而利润并不高约为美国的1/30，年营业额约为美国 的1/25。
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第一章热处理设备概述
1.2热处理设备的发展
优质（设备优良、工艺先进、 管理科学化）、高效（ 设备、 管理）、低耗（设备、 工艺、 管理）、清洁（劳动环境 、 自然环境）、灵活（协作生产）
热流密度：q
单位时间内通过单位传热面积的热流，称为热流密 度，用q表示，单位为w/m2，即：
q Ｑ/ F W / m2 1 5
热流、热流密度都为向量，其方向与温度梯度方向相反 。
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§1.5.1 传导传热
一、传导传热的基本方程式
对于均匀的、各向同性的固体，单位时间通过单
位面积的热量，与垂直该截面方向的温度梯度成正比。
机械形式 台车、推杆、输送带、滚、振、升降底、步进式炉
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第一章热处理设备概述
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第一章热处理设备概述
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连 续 式 热 处 理 炉
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启动电阻 启动电阻
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1.2热处理设备的发展概况
生产设备与世界先进水平有20-30年之差距。专业化热 处理工厂数目与美国相比相差35倍，生产效率比美国 低26倍、设备利用率仅为30%，电耗却高于美国的40%， 其电耗平均每吨比日本和欧美要多2～3倍。
热处理带来的环境污染问题十分严重，据不完全统计 我国热处理业每年约有 5000吨淬火油因蒸发或局部燃 烧造成CH化合物、CO及烟尘；有约9000吨废淬火油 因排放不当而污染水质；每年盐浴炉生成盐蒸汽7000 吨以上；有害废渣约10000吨；燃煤炉窑排放SO2约1.5 万吨，灰分约8.5万吨；喷砂处理中产生的SiO2等有害 粉尘10000吨，严重污染了环境。
通过对本课程的学习达到的要求：
（一）对热处理常用设备有一个概括的了解，掌握热处理炉传热的基本方式、
一般条件及炉内综合传热与应用。
（二）掌握常用热处理设备的结构特点、工作原理与用途。
（三）掌握一般结构简单的热处理炉的设计内容与方法。
（四）了解热处理炉节能与改造方面的有关知识及炉温仪表、热控制 。
本课程的重要性：
。特点：传热过程中，既有流体质点的导热作用，又有流体质点位
移产生的对流作用。
3.辐射传热
辐射能—电磁波—热能 （中、高温炉）
物体间通过辐射进行的热能传递过程，称为辐射传热。 特点：辐射不需任何介质，传热过程中伴随着能量的转化，即 从热能到辐射能以及从辐射能又转化为热能。
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二、温度场与温度梯度
1.温度场 用来描述物体中温度的分布情况，是空间坐
标和时间坐标的函数,即
t f (x, y, z,）
(1 1)
式中：x，y，z，—该点的空间坐标; τ—时间坐标。
若物体的温度沿x、y、z三个方向都有变化， 称三向温度场；
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单向温度场：物体温度只在一个方向上有变化，即：
t = f (x，τ)
热处理设备指用于实施热处理工艺的装备，随着科技的发展，在冶金、机械、航空、航天、船舶 等工业生产中，需要进行热处理的零件和工具日益增多，热处理炉是实现热处理工艺的主要设备，没 有先进的热处理炉就不能实现先进的热处理工艺，热处理工艺的现代化，实质是热处理设备（主要是 热处理炉）的现代化。
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一、传热的基本形式
无宏观的质点的移动，液
体中：分子振动；气体中：
1.传导传热
分子、原子扩散；金属中：
自由电子的运动
温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的
传递过程，称为传导传热。
流体中有相对位移
2.对流传热
和混合，或流体与 固体表面接触，如：
流体质点发生位移和相互混合而发生浴的、热回量火炉传递，叫对流传热
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第一章热处理设备概述
1.4 热处理炉的分类
分类原则
炉型
热源
电阻炉、燃料炉、煤气炉、油炉、煤炉
工作温度
高、中、低温炉
炉膛形式
箱、井、罩、管、贯通、转底式炉
工艺用途 退、淬、回火炉 、渗碳、氮炉、实验炉
作业方式
间歇、连续、脉动式炉
使用介质 空气、火焰、可控气氛、盐、油、铅浴炉、真空炉
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第一章热处理设备概述
第一章热处理设备概述
1.1热处理设备在材料工程中的地位与作用
热处理是提高机械零件质量和延长使用寿命的关键工序， 也是 充分发挥金属材料潜力、 节约材料的有效途径。正确地选择材料， 合理地进行热处理， 不仅可以充分减少废品， 而且可以显著提高机 器零件和模具使用寿命。而任何一种热处理工艺，只有通过相应的 设备才能得以实现。
我国热处理技术比较落后，体现在装备水平的落后上， 大多为50~70年代的仿苏产品，周期式炉多，连续式炉 少，效率低，能耗大，空气炉多，气氛炉少，工件氧 化脱碳严重，质量不易保证，自动化程度低，人为因 素影响大，质量不稳定，盐浴炉比重相当大，劳动条 件差，污染严重，一半以上的设备超过三十年，且年 久失修，热效率低，散热严重，成本高。
6.淬火冷却设备：冷却水、油槽、缓 感
冷罐、喷淬器、压力淬火机 7.冷处理设备：冷冻机、液氮、干冰
应 加 热
冷却装置
表
8工艺参数测控仪表：测控温度、碳 氮势、压力、流量
面 淬 火
机
床
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第一章热处理设备概述
1.3.2热处理辅助设备
1.清洗机、清理装置：对热处理前后工件进行清洗的冷 热水槽、喷砂机、超声清洗机、脱脂炉 、酸洗槽、滚 筒
1.改进炉膛结构，合理布置加热元件，以 改善加热质量
2.采用新型炉体材料，提高加热效率
3.提高自动化程度，采用连续式炉或联合 机，以稳定产品质量，提高劳动生产率， 改善劳动条件
4.拓宽真空技术的应用领域，进行无氧加 热，提高产品质量
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第一章热处理设备概述
1.3 热处理设备的分类
q Ｑ/ F dt
dn
W / m2 1 6
式中:Ｑ—沿n方向的热流量(W);
q—热流密度(w/ m2 );
F—与热流方向垂直的传热面积(m2);
λ—比例系数，称为热导率〔W/(m ·℃)];
dt —温度梯度(℃/m)。负号表示热流方向与温度梯度方向相 反（1d—n 6）式为导热基本方程式，即傅立叶定律。