第五章 热处理电阻炉的设计

1.31
§5－2 电阻功率的计算
（6）、通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失Q溢或Q吸 对于一般箱式电阻炉，开启炉门时，通常以加热吸 入的冷空气所需要的热量作为该项热损失，即
Q q c( -t V a a at g' a) t 吸
q B H v a q 吸 入 炉 内 的 空 气 流 量 （ m / h ） ； 3 V a
第五章 热处理电阻炉设计
1.1
第五章 热处理电阻炉设计
教学提示
：热处理电阻炉的设计是一项综合性的 技术工作。一台好的热处理电阻炉应能充分满 足热处理工艺的质量要求。
教 学 要 求 ：了解热处理炉设计计算内容，掌握热处
理电阻炉结构设计以及电阻炉功率计算方法。了 解电阻炉功率分配和电热元件的接线。掌握电热 元件材料特点，以及电热元件计算思路。了解电 热元件的安装。
1.13
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
三、炉体结构设计 炉体包括炉墙、炉底、炉门、炉壳等。
1、炉衬材料的选择 炉衬一般由耐火材料和保温材料组成，设计时应注意以 下问题： （1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并与耐火砖、 保温砖的尺寸相吻合， （2）为了减少炉衬蓄热量和缩短冷炉升温时间，在符合耐 火、保温和机械强度的要求下，尽量采用轻质耐火材料； （3）保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则将使保 温性能降低； （4）炉衬外表面温升以保持在40－60℃为宜，否则会增大 热损失和使环境温度升高。
1.6
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
技术要求：表面硬度:HRC58-62 淬硬层深度:1.5-2.5mm 需要表面淬火设备
技术要求：表面硬度:HRC≥59 渗碳层深度:1.3-1.7mm 需要渗碳设备
1.7
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
（2）工件的特点 例：长轴类工件为减少其热处理过程中的变形， 常常选用井式炉；加工大中型铸、锻毛坯件的退 火、正火、回火等处理宜选用台车炉；小型轴承 钢球等则选用滚筒式炉；小型工、夹、模具和工 件可选用盐浴炉等。 （3）生产量的大小 例：大批量同类工件的热处理，如轴承类可选用 机械化自动程度较高的连续作业炉；产量小，工 艺变化大的或多类单件生产的零件可选用周期作 业炉。
1.15
保温材料
轻质耐火砖
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
3、 炉顶 包括平顶、拱顶和吊顶。 炉膛宽度小于400－600mm的小型炉，可采用平顶。电 热元件常布臵在炉顶与炉底上。 炉膛宽度小于3.5-4m采用拱顶。 拱顶常采用轻质楔形砖 与标准直角砖混合砌筑，上部填充轻质保温制品，拱角（受 拱顶重量及其受热产生的膨胀力形成推力作用于拱角）采用 重质砖。 跨度特别大的炉子采用吊顶。
Q p ( c t c t ) ( k J / h ) 2 2 1 1 辅 辅
p辅—每小时加热辅助构件的重量kg/h； t1、t2－辅助构件加热的初始和终了温度； c1、c2－辅助构件在t1、t2时的比热容〔kJ/(kg. ℃)〕
1.28
§5－2 电阻功率的计算
（3）、加热控制气体所需热量Q控
1.21
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
6 、炉门
结构特点和要求：炉门一般比炉门框稍大，边 缘重叠95－130mm，炉门边缘与炉门框要重叠；要有 足够厚的保温层；炉门要压紧炉门框；炉门下缘常 楔入工作台上的砂槽内等。 结构通常是在铸铁框架＋保温砖＋耐火砖，炉 门上应设臵窥视口。
1.22
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
1.17
保温材料
支撑砖
拱角砖
错砌
环砌
4、 炉底 外壳钢板（6－12mm）＋石棉板＋保温材料（硅藻土砖砌成 方格子，在方格子中填充蛭石或硅藻土粉）＋ 1－2层硅藻土砖轻 质耐火砖+重质耐火砖和电热元件搁板砖。
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
5 、炉门框
炉门框的大小取决于工件的尺寸大小，要保证 装、出炉操作方便。炉门框的宽度与高度之比，一 般与炉膛相同。炉门框结构通常是在铸造或钢板焊 接框架内重质砖砌筑，可控气氛炉常用耐热钢制造 。
FB L 1 2 1 2 L F/ ;B L 2 3 2 3
1.12
p：炉子生产率；F1－有效面积；F－炉底总面积。
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
2、炉膛高度
炉膛高度与宽度之比多数在0.5-0.9范围内变动。 对于渗碳、退火等工艺周期长的炉子，装料多， 取上限；淬火、正火等工艺周期较短的炉子，装 料相对少一些，取下限 。
1.30
§5－2 电阻功率的计算
（5）、通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失Q辐
4 4 T T a g Q = 3 . 6 C F ( k J / h ) 0 t 辐 1 0 0 1 0 0 3.6－时间系数 F－炉门开启面积(正常工作时，炉门开启高度为炉膛 高度的一半)或缝隙面积； δt——炉门开启率（即平均1小时内开启的时间），对 常开炉门或炉壁缝隙而言δt=1；若每小时开启6分钟， δt ＝6/60=0.1 C0 ——黑体辐射系数 Φ ——炉口遮蔽系数
1.8
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
（4）经济效益 应选择节能效果较好的炉型，选用造 价低的炉型以及生产效率高又能减少各种 工艺材料消耗的炉型。
（5）劳动条件 选择设备应尽量防止对环境的污染，减 轻劳动强度，提高机械化和自动化水平。
1.9
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
二、炉膛尺寸的确定 以箱式炉为例： 炉膛尺寸包括炉膛有效尺寸（指 工件实际摆放所占的面积作为炉 底板有效面积）宽度B效和长度L效 以及堆放工件的有效高度H效和炉 膛砌砖体内腔的尺寸B×L×H两个 部分如图左图。 确定炉膛尺寸依据：工件尺寸、 形状、技术要求、生产率等。还 要考虑炉内温度均匀性、传热特 性以及装出料和检修方便。一般 在保证有足够的生产效率的前提 下，应尽量减小炉膛尺寸。
1.14
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
2、炉墙 中低温炉炉墙砌体：炉壳钢板＋石棉板＋保温层（硅藻土 砖或蛭石粉填充料）＋内层耐火层（轻质粘土砖）。高温炉 炉墙：炉壳钢板＋石棉板＋保温层＋轻质砖＋重质砖或高铝 砖。 注：（1）炉墙通常采用标准砖砌筑，因此炉墙尺寸应 为标准砖尺寸（230×113×65mm）加砖缝厚度（一般为2mm） 的倍数。见附表18。 （2）为防止炉墙反复热胀冷缩，大型炉的粘土砖炉墙， 每米长度应留5－6mm膨胀缝，各层之间应错开。
t t g a Q 3 . 6 F( k J / h ) m 散 散 s s 1 1 2 m 1 m 2 a 2
tg、ta—炉气和炉外气体温度； s1、s2 —第一、二层炉衬厚度； λ1λ2 —第一、二层炉衬的平均导热率； a∑2 —炉体外壳对其周围空气的综合导热系数； F散—炉体平均散热面积；3.6 —时间系数
若以加热阶段作为热平衡时间单位时：
Q G ( c t c t ) / ( k J / h ) 2 2 1 1 件 装 加
G装——一次装炉重量kg τ加－加热阶段时间h（工件入炉后加热到最终加 热温度t2所需加热时间）

1.27
§5－2 电阻功率的计算
（2）、加热辅助构件（料筐、工夹具、支承架、炉底 板及料盘）所需要热量Q辅
Q V c ( t t ) ( k J / h ) 2 1 控 控 控
V控—控制气体的用量m3/h t1、t2—控制气体入炉前温度和工作温度。 C控—控制气体在在t1－t2的平均比热容〔kJ/(kg. ℃)〕
1.29
§5－2 电阻功率的计算
（4）、通过炉衬的散热损失Q散 此项热损失是指炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到 大气中的热损失。 炉墙加热阶段：砌体蓄热量近似代表加热阶段的热损失。 炉体处于稳定态传热时，通过双层炉衬的散热损失：
7、 对炉衬砌筑的一般要求 (1)砌砖体尺寸应是砖尺寸(230、113、65等)的整数倍 (还 应计入灰缝尺寸)。在砌砖体高度方向上绝不能用砍削砖的办 法来满足砌砖体尺寸。 (2)与铁铬铝电热元件接触的高铝质搁砖、引出套管等的 Al2O3不得低于60%，Fe2O3含量应小于1．5％，表面不得有 熔洞和渣蚀。 (3)可控气氛炉内壁的耐火砖，必须是一级品，Fe2O3含 量应不大于1%。 (4)耐火砖炉衬的灰缝：炉墙和炉底不大于2mm，炉顶不 大于1．5mm，可控气氛炉不大于1 mm。 ．
炉膛尺寸及砌体结构
1.10
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
1、炉底面积 实际排料法（炉子一次装炉量）：（对生产量不大 、工件尺寸较大而且形状特殊者） 原则：工件与电热元件或工件与炉膛前、后壁之 间应保持一定距离，一般为0.1－0.15m。
LL 效 + ( 0 . 20 . 3 ) B B + ( 0 . 20 . 3 ) 效 m m
t 溢 出 热 空 气 温 度 ， 随 炉 门 开 启 时 间 的 增 长 而 降 低 ， g' 若 开 启 时 间 很 短 ， 可 取 炉 子 工 作 温 度 ； ta 炉 外 冷 空 气 的 温 度 。
1.2
第五章 热处理电阻炉设计
§5－1 §5－2 §5－3 §5－4 §5－5 §5－6 §5－7 小结 炉型的选择和炉膛尺寸的确定 电阻炉功率的计算 功率的分配及电热元件的接线 电热元件材料及其选择 电热元件的计算 电热元件的安装 电阻炉的性能试验及技术规范
1.3
第五章 热处理电阻炉的设计
1.4
1.11
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
加热能力指标法:(当工件品种多且工艺周期不同时，炉底 面积可根据炉底单位面积的生产能力－生产率P0表5－1计 算) 原则：装料的面积F1（有效面积）一般为总面积的7 0％－85％。炉底宽度B与长度L之比一般应保持在2/3-1/ 2。
F 1 p ;FF/ 0 %8 5 % 1 7 p 0
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
一、炉型的选择 炉型选择的原则： （1）工艺技术要求 （2）工件的特点 （3）生产量的大小 （4）经济效益 （5）劳动条件
1.5
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
（1）工艺技术要求 例： 无氧化加热—可选用真空炉或可控气氛热处理炉； 化学热处理—可选用渗碳炉、渗氮炉等。 表面淬火—可选用表面淬火设备，如表面感应加热 设备、表面火焰淬火设备等。 局部淬火—盐浴炉。
1.23
§5－1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定
(5)、炉衬的砖缝必须相互交错，错开量应以砖长的 1/2为宜。炉墙拐角处砌筑必须相互咬合。 (6)、砌砖体必须留膨胀缝。每米砌砖体的膨胀 统一般规定为：粘土砖和硅藻土砖为5-6mm。 高铝砖为8—10 mm。 (7)、隔热层用硅藻土砖时必须干砌。砖缝空隙用干 燥的隔热填科填满。 (8)、固定在砌体内的金属预埋件应在砌砖时同时安 装。 (9)、除炉口等待殊情况下，不得用重质耐火砖砌筑 在与炉壳直接接触的部位，以减少热损失。
电阻炉热支出项目示意图
1.26
§5－2 电阻功率的计算
（1）、加热工件所需热量Q件（有效热量）
p ( c t c t ) ( k J / h ) 根据炉子生产率计算： Q 2 21 1 件
P－炉子的生产率（kg/h） t1、t2－工件入炉前加热的初始和终了温度。 c1、c2－工件在t1、t2时的比热容〔kJ/(kg. ℃)〕
3
( k J / h )
一般电阻炉： 2 g H 2 a g
a
空 气 的 密 度 （ k gm / ） ； a
3
3 q 1 9 9 7 B H H ( m / h ) V a
。 c 空 气 在 t t ' 温 度 内 的 平 均 比 热 容 [ （ k J / ( k gC . ) ） ] ； a a g
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§5－2 电阻功率的计算
计算电阻炉功率的方法：
热平衡计算法：综合考虑 了影响功率的各种因素， 结果比较准确。 经验计算法：简单，局 限性大，仅限某种类型 的炉子。
1.25
一、热平衡计算法 热平衡计算法基本原理：根据炉子输入总功率（收入项）应 等于各项能量消耗（支出项）总合原则确定炉子功率方法。 1、热处理电阻炉的主要能量支出项