热处理毕业设计 - 图文

5热处理电阻炉的设计

1 炉型的选择

炉型确定时，主要应考虑以下两方面：

⑴工件的特点（形状、尺寸、重量）：加工细长轴类工件，为防止变形宜用井式炉；加工大中型铸、锻毛坯件的退火、正火、回火等处理，则宜用台车炉；小型轴承钢球、滚子等则选用滚筒式炉等。

⑵技术要求：对加热温度、炉膛介质、冷却速度、冷却方式、表面状态、允许变形量等有特殊要求时，如高合金钢模具淬火需要用高温炉，精加工零件表面要求不氧化则需要保护气氛炉、真空炉，有表面硬度及化学热处理要求的则需渗碳、渗氮炉等。

⑶产量大小：生产量大、品种单一、工艺稳定情况下，可考虑使用连续炉；对产量不大、品种多、工艺变化大的，则可考虑使用箱式炉或箱式多用炉。

⑷劳动条件：所选炉型尽可能改善劳动条件及工作环境，提高机械化和自动化水平，并防止污染。

⑸炉子性能：对炉温均匀性、准确性、控制精度以及升降温速度、能耗指标等有特殊要求时也应考虑在内。

⑹其他：对车间厂房结构、地基、炉子建造维修、维护、投资等也应周密考虑[5]。

2 炉膛尺寸的确定

炉膛尺寸主要应根据工件的形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率来决定，同时还应考虑造成炉膛内良好的热交换条件，保证炉内温度均匀性；减少热损失和便于电热元件、炉内构件更换以及炉子维修等。 2.1 炉底面积的确定

为防止工件装、出料时碰撞电热元件和保证工件温度的均匀性，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。常把用于

装料的面积称为有效面积F1，它一般为炉底总面积F的70%～85%，大型炉取上限。炉底宽度B与长度L之比一般应保持在2/3～1/2范围内。当炉膛长度小于2m时，接近1/2。炉底面积的确定分实际排料法和加热能力指标法。对生产批量不大、工件尺寸较大而且形状特殊者应采用实际排料法。本设计应采用加热能力指标法。

设备类型

炉膛尺寸∕mm 300×650×250

箱式电阻炉

600×1200×500 900×1800×600

滚底箱式炉

910×1820×600 ?450×800

井式炉

300×300×1200 300×300×2040 ?300×450 ? 300×600

井式渗碳炉

? 450×600 ? 450×900 ? 600×1200 ?400×500

井式回火炉

?950×1200

650

回火

200-250

表1 常用热处理炉的实际生产率

最高工作温度∕℃

950 950 950 860 950 950 950 950 950 950 950 950 650

热处理工序 正火、淬火 正火、淬火 正火、淬火

淬火 正火、淬火 正火、淬火 正火、淬火 渗层0.6-0.8mm 渗层0.6-0.8mm 渗层1.1-1.2mm 渗层1.1-1.2mm 渗层1.1-1.2mm

回火

实际生产率kg∕h

20-25 70-85 160-190 170-200 50 50 100 6-8 10-12 15-25 30-35 55-60 40-70

已知生产率P=160kg/h，选择箱式炉用于合金钢淬火时的单位面积生产率P0为

100kg/m2·h，故可得炉底有效面积。

工艺类别 炉型

箱式 台车式 坑式 罩式 井式

≥12h 40-60 35-50 40-60 100-120

退 火

≤6h 60-80 50-70

锻件 40-60 50-70

可锻化 20-30 25-30

一般

淬火

锻件正火

正火

合金钢淬火

100-120 90-140 100-120 80-120

110-120 120-150

80-100

回火 500-600℃ 70-100 60-90 80-100

表2各种热处理炉的单位炉底面积生产率P0[kg/（m2·h）]

F1=P/P0=160/100 m2=1.6m2

由于有效面积与炉底面积存在关系式F=F1/（70﹪-85﹪），取系数上限，得炉底实际面积

F=F1/0.85=1.6/0.85 m 2=1.882m 2

炉底长度分实际长度L和有效长度L0，炉底宽度分实际宽度B和有效宽度B0。由于热处理台车炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2:1，因此可求得

L=F/0.5=1.882/0.5=1.94m B=L/2=1.94/2=0.97m

考虑到砌砖的方便取L=1973mm,B=991mm。

2.2 炉膛高度的确定

炉膛高度指炉底面至炉顶拱角的距离。炉膛高度常决定于装料高度和电热元件的安装位置，装料上方一般应保持200～300mm的空间。对长周期作业的退火炉和渗碳炉，炉膛应高一些，对短周期作业的淬火炉和正火炉以及强制气流循环的炉子炉膛应低一些。依统计资料，炉膛高度H与宽度B之比多数在0.5～0.9范围内变动，近年来有降低炉膛高度的趋势，对上述比值常取中下限。

据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度

H=（65+2）×8+37=573 mm

因此炉膛尺寸如下

L=（230+2）?8+（230?1/2+2）=1973mm

B=（120+2）?5+（65+2）+（40+2）?2+（113+2）?2=991mm

H=（65+2）×8+37=573 mm

为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为

L效 =1700mm B效=800mm H效=450mm

2.3炉衬材料及厚度的确定

在选择炉衬所用耐火材料时，应考虑在保证必要结构强度的前提下，尽量采用体积密度小的材料。

在选择绝热材料时，应考虑炉衬外表温度不得超过60℃，同时要考虑其与耐火材料交界处的温度不得超过绝热材料的最高使用温度。在这个前提下，应尽量选用体积密度小，导热系数小的材料。我们以次选择结果如下：

1．侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN-1.0轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB级硅藻土砖。 2．炉顶采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅

酸铝纤维毡+115mm膨胀珍珠岩。

3．炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖（67×3）mm+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。

炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。

炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。

4．炉门用65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。 2.4 砌体平均表面积计算 砌体外廓尺寸如图5.1所示。

L外=L+2?(115+50+115)=2533mm B外=B+2?(115+50+115)=1551mm H外=H+f +(115+80+115)+67?4+50+182 =1516mm

式中：f——拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f=R（1-cos30°）求得。

式中f=R（1-cos30°）=991×(1-0.866)=133mm

2.5炉顶平均面积

F顶内=

2?R × L =2×3.14×0.991×1.973/6=2.046 m2 6F顶外= B外 × L外 =1.551?2.533=3.929 m2

F顶均=

F顶内?F顶外=2.835 m2

2.6炉墙平均面积

炉墙面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前墙内

①求热流 q墙=

tg?ta

s1s2s31????1?2?3a?=

840?20

0.1150.050.1151???0.4870.1210.18712.11=608.8 W∕m2

②验算交界面上的温度t2墙、t3墙 t2墙=t1-q墙s1?1=

=840-608.8×

0.115=696.2 ℃ 0.487 Δ=

，t2墙?t2墙，t2墙696.2?700=-0.0054%

700Δ＜5%,满足设计要求，不需重算。 t3墙=t2墙- q墙，t3墙?t3墙，t3墙s2?2=696.2-608.8×

0.05=444.7℃ 0.121 Δ==

444.7?430=3.42%

430Δ＜5%,也满足设计要求，不需重算。 ③验算炉壳温度t4墙 t4墙=t3墙-q墙s3?3=444.7-608.8×

0.115 0.187=68.3 ℃＜70℃

满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。

④计算炉墙散热损失

Q墙散=q墙× F墙均=608.8×6.501=3957.8W

Ⅱ．对于炉顶散热，由前可知，分为三层，即耐火层s1＝115mm，硅藻铝纤维层s2＝80mm，膨胀珍珠岩层s3＝117mm。首先假定界面上温度及炉顶温度，t′2

顶

＝720℃，t′3顶=480℃,t′4顶＝60℃则

840?720?780℃， 2720?480硅藻铝纤维层s2的平均温度ts2均=?600℃ ，

2480?60膨胀珍珠岩层s3的平均温度ts3均=?270℃。

2耐火层s1的平均温度ts1均=

s1 、s3层炉衬的热导率由表5.4得

?1?0.29?0.256?10?3ts1均=0.29+0.256×10?3×780=0.49W∕(m·℃) ?3?0.04+0.22×10?3ts3均=0.04+0.22×10?3×270=0.1 W∕(m·℃)

普通硅酸铝纤维的热导率由表5查得，在与给定温度相差较小的范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均 =600℃，得

?2?0.124 W∕(m·℃)

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由表5.6经近似计算得

?①求热流

?=13.88 W∕(m2·℃)

tg?ta q顶=

s1s2s31????1?2?3a?=

840?20

0.1150.080.1171???0.490.1240.113.88=386.4 W∕m2

②验算交界面上的温度t2顶、t3顶

t2顶=t1-q顶

s1?1=

=840-386.4×

0.115=749.3℃ 0.49 Δ=

，t2顶?t2顶，t2顶749.3?720=4.07%

720Δ＜5%,满足设计要求，不需重算。

t3顶= t2顶- q顶

，t3顶?t3顶，t3顶s2?2=749.3-386.4×

0.08=500.0℃ 0.124 Δ==

500.0?480=4.17%

480Δ＜5%,也满足设计要求，不需重算。 ③验算炉壳温度t4顶 t4顶= t3顶-q顶

s3?3=500.0-386.4×

0.117 0.1=47.9℃＜70℃

满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。

④计算炉顶散热损失

Q顶散= q顶×F顶均=386.4×2.835=1095.4W

Ⅲ．对于炉底散热，耐火层s1＝207mm，硅酸铝纤维层s2＝50mm，硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬s3＝184mm。首先假定界面上的温度及炉壳温度，t′2底=710℃,t′3底＝510℃，t′4底＝60℃则

840?710?775℃， 2710?510硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=?610℃ ，

2510?60硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬ts3均=?285℃。

2耐火层s1的平均温度ts1均=s1 、s3层炉衬的热导率由表4得

?1?0.29?0.256?10?3ts1均=0.29+0.256×10?3×775=0.49W∕(m·℃) 10?3ts3均=0.131+0.23×10?3×285=0.197 W∕(m·℃) ?′3=0.131+0.23×10?3ts3均=0.04+0.22×10?3×285=0.1 W∕(m·℃) ?\3=0.04+0.22×

?3 = (?′3＋?\3)∕2=（0.197+0.1）=0.149 W∕(m·℃)

普通硅酸铝纤维的热导率由表5查得，在与给定温度相差较小的范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均=610℃，得

?2?0.124 W∕(m·℃)

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由表5.6经近似计算得

?①求热流 q底=

?=9.80 W∕(m2·℃)

tg?ta

s1s2s31????1?2?3a?=

840?20

0.2070.050.1841???0.490.1240.1499.80=379.2 W∕m2

②验算交界面上的温度t2底、t3底

t2底=t1-q底

s1?1=840-379.2×

0.207=681.1℃ 0.49 Δ=

，t2底?t2底，t2底=

681.1?710=-4.1%

710Δ＜5%,满足设计要求，不需重算。 t3底= t2底- q底

，t3底?t3底，t3底s2?2=

=681.1-379.2×

0.05=526.9℃ 0.124 Δ=

526.9?510=3.31%

510Δ＜5%,也满足设计要求，不需重算。 ③验算炉壳温度t4底 t4底= t3底-q底

s3?3=526.9-379.2×

0.184 0.149=58.6℃＜70℃

满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。

④计算炉底散热损失

Q底散= q底×F底均=379.2×2.771=1050.7W Ⅳ．炉顶通过炉衬散热

Q顶散= q顶×F顶均=386.4×2.835=1095.4W

炉底通过炉衬散热

Q底散=q底×F底均=379.2×2.771=1050.7 W

整个炉体散热损失

Q散= Q墙散+ Q顶散+ Q底散 =3957.8+1095.4+1050.7=6103.9W =21974.0kJ/h

（3）开启炉门的辐射热损失 设装出料时间为每小时6分钟,根据

Q辅=3.6C0FΦδt[（Tg/100）4-（Ta/100）4] （kJ/h）

式中：

Co－黑体辐射系数；

F－炉门开启面积或缝隙面积m2； 3.6－时间系数； Φ－炉口遮蔽系数；

。 ?t－炉门开启率（平均1小时开启的时间）

因为Tg=840+273=1113K， Ta=20+273=293K，

由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故： 炉门开启面积F=B?H/2=0.91?0.573/2=0.261 m2 炉门开启率δt=6/60=0.1

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.287/0.91=0.29，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.287/0.28=1.02，由孔口的遮蔽系数图查得Φ=0.7，故

Q辐=3.6?5.675?0.261?0.7?0.1?(11.134-2.934)=5700.29kJ/h

V介=

G(Chth?Cctc)

C?(t2?t1)（5.56）

式中：V介——淬火介质需要量，m3； G —— 一批淬火工件的总重量，kg；

th、 tc——工件冷却的开始温度（加热温度）和终了温度，一般tc=100～

150℃；

Ch、C——工件由0℃加热到th和 tc温度的平均比热，kJ/kg?℃（当钢加

热到870℃时，Ch≈0.65kJ/kg?℃；冷却温度为250℃时，Cc≈0.54 kJ/kg?℃）；

t1、t2——淬火介质开始温度和终了温度，℃（对于水， t1≈10～25℃，

t2≈30～40℃；对于油，t1=20～50℃，最常用30～40℃，t2=250℃）；

C——淬火介质在t2和t1之间的平均比热，kJ/kg?℃，[对于水，C= 4.18

kJ/kg?℃；对于油，C=1.88～2. 09 kJ/kg?℃；对于20～40℃的NaOH水溶液，C=3.51 kJ/kg?℃]。

?——淬火介质密度，kg/ m3；

其中取G=400kg， C=2 kJ/kg?℃， ?=0.90 kg/ m3，， t1=35℃， t2=250℃。 则： V介=

G(Chth?Cctc)400(0.65?870?0.54?250)==378.1m3

C?(t2?t1)2?0.90(250?35)7.2淬火槽形状与尺寸

（1） 淬火槽内淬火介质的深度

H1=L+△h1+△h2+△h3

式中：H1——淬火槽不工作时，淬火介质的深度，m；

L—— 一批装料中最长工件的长度，m；

△h1——淬火时，工件上端至液面的距离，取0.1～0.5 m； △h2——淬火时，工件下端至槽底的距离，取0.1～0.5 m；

△h3——淬火时，工件上下运动距离，短件取0.2～0.5m，长件0.5～1.0m。 则 H1=L+△h1+△h2+△h3=0.5+0.3+0.4+0.8=2.0m

（5.57）

（2）淬火槽的横截面形状和尺寸 淬火槽的横截面积：

F=

V介H1 （5.58）

=378.1/2.0=189.1m2

长方形淬火槽横截面边长：

a=nF b=

F n （5.59） （5.60）

式中：a——淬火槽长度，m； b——淬火槽宽度，m；

a n——横截面边长比，通常n==1.2～1.7。

b则 a=nF=1.5?189.1=16.8 m；

b=

F189.1==11.2 m

1.5n（3）淬火槽高度

H=H1+△h4+△h5+△h6

式中：H——淬火槽高度，m；

△h4——工件浸入介质后液面上升高度，其值等于一次淬火工件的体积V工除以淬火槽横截面积F

△h5——淬火介质热膨胀使液面上升高度其值等于介质热膨胀体积?V介

除以淬火槽横截面积F

△h6——淬火介质液面至淬火槽上口边缘距离，一般取0.1～0.4m，取0.3m 由： V工＝

G 7800（5.61）

（5.62）

=400/7800=0.051(m3)； 得： △h4=

V工 F（5.63）

=0.051/189.1=0.00027（m）

即： △H5=

?V介F（m） （5.64）

其中： △V介=

?1??2V介(m3) ?2（5.65）

?1,?2为淬火前后淬火介质的密度。对于水，?1??2?1；对于油类，?1≈0.9（30～40℃），?2=0.87（80～90℃），则：

?V介=

?1??2V介 ?2

=（0.9-0.87）×378.1/0.87=13.03 m3

△H5=

?V介F=13.03/189.1=0.07m

由以上各式得：H=H1+△h4+△h5+△h6=2+0.00027+0.07+0.3=2.37m 因此淬火油槽的尺寸为： 长 a=16.8m；宽 b=11.2 m；高 H= 2.37m 淬火水槽的尺寸：长 a=17.00m；宽 b=11.00m；高 H= 2.37m

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