设备设计

佳木斯大学热处理设备设计说明书

热处理设备设计

说明书

设计题目

学 院 年 级 专 业 学生姓名 学 号 指导教师

65KW高温台车式电阻炉设计

材料科学与工程

级 金属材料工程

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目 录

1 前 言 ......................................................................................................................................... 1 1.1 本设计的目的、意义 .......................................................................................................... 1 1.1.1 本设计的目的 ............................................................................................................... 1 1.1.2 本设计的意义 ............................................................................................................... 1 1.2 本设计的技术要求 .............................................................................................................. 1 1.2.1 技术要求 ....................................................................................................................... 1 1.3 热处理炉的发展现状 .......................................................................................................... 2 1.3.1 国外热处理行业的能源利用情况 ............................................................................... 2 1.3.2 我国热处理行业存在的问题 ....................................................................................... 2 2 设计说明 ..................................................................................................................................... 3 2.1 炉型选择 .............................................................................................................................. 3 2.2 确定炉体结构和尺寸 .......................................................................................................... 3 2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸L*B*H ................................. 3 2.2.2 确定工作室有效尺寸 L效 B效 H效 ................................................................. 3 2.2.3 炉衬材料及厚度的确定 ............................................................................................... 3 2.2.4 砌体平均表面积计算 ................................................................................................... 4 2.2.5 炉顶平均面积 ............................................................................................................... 4 2.2.6 炉墙平均面积 ............................................................................................................... 4 2.2.7 炉底平均面积 ............................................................................................................... 4 2.3 计算炉体的热散失 .............................................................................................................. 4 2.3.1 求热流量 ....................................................................................................................... 5 2.3.2 验算交界面上的温度T2墙 T3墙 ............................................................................ 5 2.3.3 验算炉壳温度T4墙 .................................................................................................... 5 2.4 计算炉墙散热损失Q墙散 ................................................................................................. 5 2.4.1 计算炉墙散热损失 ....................................................................................................... 5 2.4.2 开启炉门的辐射热损失Q辐 ...................................................................................... 6 2.4.3 开启炉门溢气热损失Q溢 .......................................................................................... 6 2.4.4 其它热损失Q它 .......................................................................................................... 6 2.4.5 工件吸收的热量 ........................................................................................................... 7 2.5 炉 子 生 产 率 的 计 算 ................................................................................................ 7 2.5.1 炉 子 生 产 率计算 ................................................................................................... 7 2.5.2 正常工作时的效率 ....................................................................................................... 7 2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率 ....................................................................................... 7

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2.6 炉子空载功率计算 .............................................................................................................. 7 2.7 空炉升温时间计算 .............................................................................................................. 7 2.7.1 炉墙及炉顶蓄热 ........................................................................................................... 7 2.7.2 炉底蓄热计算 ............................................................................................................... 8 2.7.3 炉底板蓄热 ................................................................................................................... 9 2.8 功率的分配与接线 .............................................................................................................. 9 2.9 电热元件材料选择及计算 .................................................................................................. 9 2.9.1 求950℃时电热元件的电阻率PT ............................................................................... 9 2.9.2 确定电热元件表面功率 ............................................................................................... 9 2.9.3 每组电热元件功率 ....................................................................................................... 9 2.9.4 每组电热元件端电压 ................................................................................................. 10 2.9.5 电热元件直径 ............................................................................................................. 10 2.9.6 每组电热元件长度和重量 ......................................................................................... 10 2.9.7 电热元件的总长度和总重量 ..................................................................................... 10 2.9.8 校核电热元件表面负荷 ............................................................................................. 10 2.9.9 电热元件在炉膛内的布置 ......................................................................................... 10 2.10 炉子技术指标 .................................................................................................................. 11 3 附录 ........................................................................................................................................... 12 3.1 装配图 ................................................................................................................................ 12 3.2 电阻丝 ................................................................................................................................ 13 3.3 电阻丝接线示意图 ............................................................................................................ 14 4 参 考 文 献 ............................................................................................................................. 15

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1 前 言

1.1 本设计的目的、意义

1.1.1 本设计的目的

设计一台电阻加热炉，额定功率为65KW，使其加热温度在1000℃，周期式成批装料，长时间连续生产。 用于中碳钢，低合金钢毛坯或零件的淬火，正火及调质处理，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量。

1.1.2 本设计的意义

通过本次热处理炉设计，了解高温热处理炉的基本结构，掌握热处理炉设计的基本方法，熟悉热处理炉在工厂中的实际应用以及进一步熟练工程制图的方法，为以后的工厂实际奠定基础。

1.2 本设计的技术要求

1.2.1 技术要求

1 用途：中碳钢，低合金钢毛坯或零件的淬火，正火及调质处理，处理对

象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量。

2 额定功率：65KW

3 工作温度：高温1000℃

4 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。

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1.3 热处理炉的发展现状

1.3.1 国外热处理行业的能源利用情况

在国外推出的热处理节能措施中，主要考虑的就是改进设备和革新工艺的技术措施，主要措施有以下几个方面：

1. 加强合理利用热能的理论研究和实际应用。

2. 采用直接控制炉内气氛碳势、氮势、氧势的传感器和执行机构，可以获得一定的节能效果。

3. 采用新型的保温材料，可减少20%以上的热损失。

4. 采用直接加热工件的方法，可减少蓄热损失和辐射损失，也可有效的节约能源。

5. 改进料盘、夹具的结构，减轻耐热钢构件的重量，增加强度，减少料盘夹具的无效加热损失。

1.3.2 我国热处理行业存在的问题

由于我国工业起步较晚，现行的热处理装备水平普遍落后，主要有以下几个方面：

1. 设备负荷率低，装炉量不足。 2. 设备的利用率低。 3. 加热设备落后。 4. 无效热消耗多。

5. 工艺落后。目前，我国的热处理工艺普遍落后，过于保守。

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2 设计说明

2.1 炉型选择

根据设计任务给出的生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。

2.2 确定炉体结构和尺寸

2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸L*B*H 经验公式：

P安=Ct升0.5F0.9（T/1000）1.55

由于炉门为开启式，故散热量较大，取C=30[(kw*h0.5)/(m1.8*℃1.55)],空炉升温时间假定为4h，炉温为T=1000℃，故 65=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55 计算得 F=5.08m2

根据炉膛面积计算公式 F=2*B*H+2*L*H+2*B*L (1)

根据经验一般有 L=2B H=0.7B (2)

根据(1)(2)式计算得 L=1.574m B=0.787m H=0.551m 根据标准热处理炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm） 考虑每块砖之间的缝隙2mm,确定最后尺寸

L=(230+2)*6+(230*0.5+2)=1509mm

B=(120+2)*2+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=688mm H=(65+2)*7+37=506mm 2.2.2 确定工作室有效尺寸 L效 B效 H效

为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，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=1300mm B效=550mm H效=450mm 2.2.3 炉衬材料及厚度的确定

由于侧墙，前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即

113mmQN-1.0轻质黏土转+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +113mmB级硅藻土砖。

炉顶采用113mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝

纤维毡，+115mm膨胀珍珠岩。

炉底采用三层QN-1.0轻质黏土砖（67*3）mm+50mm密度为250kg/m3的

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普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。

炉门用65mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤

维毡+65mmA级硅藻土砖。

炉底隔砖采用重质黏土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。

炉底板材料选用Cr-Mn-N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或

四块，厚20mm。 2.2.4 砌体平均表面积计算

L外=L+2*(115+50+115)=1509+2*(115+80+115)=2129mm B外=B+2*(115+50+115)=688+2*(115+80+115)=1409mm H外=H+2*(115+80+115)=506+2*(115+80+115)=1126mm 2.2.5 炉顶平均面积

F顶内=L*B=1509*688=1.188m2

F顶外=B外*L外=2.129*1.409=3.000m2

F顶均=√F顶内* F顶外=√1.188*3.000=1.888 m2

2.2.6 炉墙平均面积

炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙。 F墙内=2LH+2BH=2H（L+B）=2*0.506（1.509+0.506） =2.223m2

F墙外=2H外（L外+B外）=2*1.126（2.129+1.409） =7.968 m2

F墙均=√F墙内* F墙外=√2.223*7.968=4.209 m2 2.2.7 炉底平均面积

F底内=B*L=506*688=1.188m2

F底外= B外*L外=2.129*1.409=3.000m2

2

F底均=√F底内F底外=√1.188*3.000=1.888 m

2.3 计算炉体的热散失

由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内。 根据公式 Q散=t1-tn+1/∑Si/入iFi

对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2ˊ墙=800℃，t3ˊ墙=450℃，t4ˊ墙=65℃则

耐火层S1的平均温度ts1均=（1000+800）/2=900℃

硅酸铝纤维层S2的平均温度 ts2均=（800+450）/2=625℃

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硅酸土砖层S3的平均温度 ts3均=（450+65）/2=257.5℃ S2 S3 层炉衬的热导率由附表3查得 λ1=0.294+0.212*10-3ts1均

=0.294+0.212*10-3*900=0.485W/（m·℃）

λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*257.5=0.190 W/（m·℃） 普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度呈线形关系

由 ts2均=625℃ 得 λ2=0.318W/（m·℃）

当炉壳温度为60℃ 室温为20℃ 由附表2经近似计算得

a∑=12.50 W/（m·℃）

2.3.1 求热流量

q墙=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ）

=（1000-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=683.3W/㎡ 2.3.2 验算交界面上的温度t2墙 t3墙

t2墙 =t1-q墙*（s1/λ1 ）=1000-683.3*（0.115/0.485）=838.0℃ Δ= （t2墙 - t2ˊ墙 ）/ t2ˊ墙 =（838.0-800）/800=4.7% Δ〈 5% 满足设计要求 不需要重算。

t3墙 = t2墙 -q墙*（s2/λ2） =838.0-683.3*（0.080/0.138）=441.9℃ Δ= （t3墙- t3ˊ墙 ）/ t3ˊ墙 =（441.9-450）/450=1.80% Δ〈 5% 满足设计要求 不需要重算。

2.3.3 验算炉壳温度t4墙

t4ˊ墙= t3墙-q墙*（s3/λ3）=441.9-683.3*（0.115/0.190）=28.3℃〈 50℃ 满足一般热处理电阻炉表面升温小于50℃的要求。

2.4 计算炉墙散热损失Q墙散

2.4.1 计算炉墙散热损失

Q墙散=q墙*F墙均 =683.3*4.209=2876.0 W

同理可以求得 t2顶=844.3 ℃ t3顶=562.6℃ t4顶=53℃

q顶=485.4 W/㎡

t2底=782.2℃ t3底=568.5℃ t4底=53.7℃

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q底=572.2 W/㎡

炉顶通过炉衬散热

Q顶散= q顶*F顶均=485.4*1.888=916.4 W 炉底通过炉衬散热

Q底散= q底*F底均=572.2*1.888=1080.3 W 则整个炉体散热损失 （其中1W=3.6 KJ/h）

Q散= Q墙散+Q底散+Q顶散

=2876.0+916.4+1080.3 =4872.7W=17541.7KJ/h

2.4.2 开启炉门的辐射热损失Q辐 设装出料所需时间为每小时6分钟

Q辐=3.6*5.765FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕 Tg=1000+273=1273K 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）=0.688*0.506/2=0.174m2 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0.253/0.688=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.253/0.310=0.816，由图1-14第一条线查得 Φ=0.66 故

Q辐=5.675*3.6FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕 =5.675*3.6*0.174*0.1*0.66*（26261.1-73.7） =26187.4KJ/h

2.4.3 开启炉门溢气热损失Q溢

Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt

近似认为qva=1997B*H/2=1997*0.688*0.253*√0.253=174.8 冷空气密度Ρa=1.29㎏/㎡ 有附表得Ca=1.342 KJ/（㎡·℃）

ta =20℃ tˊg为溢气温度，近似认为

tˊg= ta +2/3（tg - ta）=20+2/3（1000-20）=673℃

Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt=174.8*1.29*1.342*（640-20）*0.1 =19760.5 KJ/h 2.4.4 其它热损失Q它

一般其它热损失为上述热损失的10%～20% 则

Q它=0.13（Q件+ Q散+ Q辐+ Q溢）

=0.13（Q件+17541.7+6144.0+19760.5） =0.13Q件+5648.0 KJ/h

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2.4.5 工件吸收的热量

因为炉子安装功率为65KW，又P安=KQ总/3600 其中K为功率储备系数，本炉子设计中取K=1.4 则P安=1.4Q总/3600=75KW

Q总=65*3600/1.4=167142.9 KJ/h 得 Q件=104467.9 KJ/h Q它= 19228.8KJ/h

2.5 炉 子 生 产 率 的 计 算

2.5.1 炉 子 生 产 率计算

低合金钢工件在650和20的比热容为C件2=0.770 KJ/（㎏·℃） C件1=0.486 KJ/（㎏·℃） 由Q件=P （C件2 t1- C件1 t0）得

P=Q件/（ C件2 t1- C件1 t0）=153777.82/（0.77*650-0.486*20）

=313.37 Kg/h 2.5.2 正常工作时的效率

η= Q件/ Q总= 104467.9/167142.9=62.50% 2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率

η= Q件/ Q总-Q辐-Q溢=104467.9 /125491.1=83.25%

2.6 炉子空载功率计算

P空= Q散+ Q它/3600=（17541.7+19228.9）/3600=10.2KW

2.7 空炉升温时间计算

由于所设计的炉子的耐火层相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算。因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。

2.7.1 炉墙及炉顶蓄热

V粘侧=2*[1.509*（13*0.067+0.135）*0.115]=0.326m3

V粘前后=2*[（0.688+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.255 m3 V粘顶=0.97*（1.509+0.276）*0.05=0.199 m3

V纤侧=2*[（1.509+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05]=0.244 m3 V纤前后=2*[（0.787+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.196 m3 V纤顶=1.071*（1.509+0.276）*0.08=0.153 m3

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V硅侧=2*[（13*0.067+0.135）*（1.509+0.115）*0.115]=0.351 m3 V硅前后=2*[1.409*（17*0.067+0.135）*0.115]=0.391 m3 V硅顶=2.129*1.409*0.115=0.345 m3 由式

Q蓄=V粘p粘c粘（t粘-t0）+V纤p纤c纤（t纤-t0）+V硅p硅c硅（t硅-t0） 其中 t粘=（t1+t2墙）/2=（1000+838）/2=919℃

t纤=（t2墙+t3墙）/2=（838+441.9）/2=640.0℃ t硅=（t3墙+t4墙）/2=（441.9+28.3）/2=235.1℃ 查附表3得

C粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.08 KJ/（㎏·℃） C纤=0.81+0.28*10-3 t纤=0.99KJ/（㎏·℃） C硅=0.84+0.25*10-3 t硅=0.90 KJ/（㎏·℃） 所以得

Q蓄1= （V粘侧+ V粘前后+ V粘顶）p粘c粘（t粘-t0）+( V纤侧+ V纤前后+ V纤顶)

p纤c纤（t纤-t0）+( V硅侧+ V硅前后+ V硅顶) p硅c硅（t硅-t0）

=605854.08+90995.85+115737.78=812587.7KJ 2.7.2 炉底蓄热计算

V重粘底=（0.120*0.020*4+0.065*0.230+0.040*0.230*2+0.113*0.230*2）

*1.509 = 0.143 m3

V轻粘底=（0.113*0.065*4+0.113*0.065*3）*1.509+（1.409-0.113*2）*

（2.129-0.113）*0.065 = 0.233 m3

V纤底=2.129*1.409*0.05=0.150 m3 V硅底=2.129*1.409*0.180=0.540 m3

由于t粘=（t1+t2底）/2=（1000+782.2）/2=891.1℃

t纤=（t2底+t3底）/2=（782.2+568.5）/2=675.4℃ t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311.1℃ 查表得

C重粘=0.88+0.23*10-3 t粘=1.08 KJ/（㎏·℃） C轻粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.07 KJ/（㎏·℃）

C纤=0.81+0.28*10-3 t纤=1.00 KJ/（㎏·℃） C硅=0.84+0.25*10-3 t硅0.92 KJ/（㎏·℃）

所以得

Q蓄底=V粘底Ρ粘C粘（t粘-t0）+V纤底Ρ纤C纤（t纤-t0）+V

t0）

=596422.1KJ

底硅

Ρ硅C硅（t硅-

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2.7.3 炉底板蓄热

根据附表6查得950℃和20℃时高合金钢的比热容分

别为0.670和0.473，经计算炉底板重量为242Kg，所以有

Q蓄板=G（c板2t1-c板1t0）=242(636.5-9.46)=151743.6KJ

得

Q蓄= Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板

=812587.7+596422.1+159807.12 =1568816.9KJ 得升温时间

τ升=Q蓄/3600P安=5.8h

对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合要求。

2.8 功率的分配与接线

105KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、△或YY、△△接线。供电电压为车间动力电网380V。

核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期作业炉，内壁表面负荷应在15-35kW/m2之间，常用为20-25 kW/m2之间。

F电=2F电侧+F电底=2*1.509*0.506+1.509*0.688=2.71 m2 W= P安/F电=65/2.71=24.0KW/㎡

表面负荷在常用的范围20-25 kW/m2之内，故符合设计要求。

2.9 电热元件材料选择及计算

由最高使用温度1000℃，选用线状0Cr25Al5合金电热元件。接线方式采用YY。理论计算

2.9.1 求950℃时电热元件的电阻率pt

当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃时电阻率p20=1.40Ω·mm2/m,电阻温度系数a=4*10-5℃-1，则1100℃下的电热元件电阻率为

pt= p20（1+at）=1.46Ω·mm2/m 2.9.2 确定电热元件表面功率

由图5-3，根据本炉子电热元件工作系数取W允=3W/㎝2 2.9.3 每组电热元件功率

由于接线方式采用YY，每组元件功率

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P组=105/n=65/（3*2）=10.8KW

2.9.4 每组电热元件端电压

由于接线方式采用YY，供电电压为车间动力电网380V，故每组电热元件端电压既为每组电压 U组=380/√3=220V

2.9.5 电热元件直径

由公式得 d=34.3√P2组ρt/（U2组·W允）〕3=3.6㎜ 取 d=4mm

2.9.6 每组电热元件长度和重量

L组=0.785*10-3（U2组d2）/（P组ρt）=38.55m

G组= ∏*d2L组ρm/4 式中ρm由附表12查得ρG组=3.43㎏ 2.9.7 电热元件的总长度和总重量 总长度L总=6*L组=6*38.55=231.3m 总重量G总=6*G组=6*3.43=20.58㎏

2.9.8 校核电热元件表面负荷 W实=P组/（ΠdL组）

=（10.8*1000）/（3.14*0.04*385.5）=2.23W/㎝2

W实〈W允， 结果满足设计要求。

2.9.9 电热元件在炉膛内的布置

将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 L折=L组/4=38.55/4=9.63m 布置电热元件的炉壁长度

L′=L-50=1509-50=1459mm

丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000时， 由表5-5得螺旋直径D=（4～6）d，取D=6d=6*4=24㎜ 螺旋体圈数N和螺距h分别为

N=L折/（ΠD）=9.63*1000/（3.14*24）=128 h= L′/N=1459/128=11.4㎜ h/d=11.4/4=2.85＜4

按规定h/d在2～4之间满足设计要求。

根据计算，选用YY方式接线 d=4㎜的电热元件重量最小，成本最低。 电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率

m

=7.1g/㎝2 得

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电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，Φ=12㎜ L=500㎜。

2.10 炉子技术指标

额定功率：65KW 额定电压：380V

最高使用温度：1000℃ 生产率：142.6㎏/h 相数：3 接线方法：YY 工作室有效尺寸：1700*700*500 外形尺寸：1300*550*450

重量： 出厂日期：

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3 附录

3.1 装配图

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3.2 电阻丝

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3.3 电阻丝接线示意图

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4 参 考 文 献

[1] 吉泽升，张雪龙，武云启．热处理炉．第1版．哈尔滨工程大学出版社出版，2004 [2] 热处理手册—热处理设备和辅助材料．机械工业出版社，2001年6月第三版 [3] 热处理设备选用手册．机械工业出版社，1989年8月第一版

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附录 第 1 页

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