热处理设备(3)

热处理原理、工艺及设备PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFORHEATTREATMENT第三部分热处理设备（3）EquipmentsforHeatTreatment§13浴炉及流动粒子炉浴炉：利用液体介质加热或冷却工件的一种热处理炉。浴炉的介质熔盐（使用最为普遍）BaCl2、KCl、NaCl、NaNO3、KNO3熔融金属或合金熔碱油§13.1浴炉的特点及分类一、浴炉的优缺点1、优点工作温度范围较宽（60~1350℃），可完成多种工艺，如淬火、正火、回火、局部加热、化学热处理、等温淬火等，只有随炉冷却的退火工艺不能进行；加热速度快，温度均匀，不易氧化、脱碳；炉体结构简单，高温下使用寿命较长；能满足特殊工艺要求，对尺寸不大、形状复杂、表面质量要求高的工件，如刃具、模具、量具及一些精密零件特别适用；炉口敞开，便于吊挂，工件变形小。§13.1浴炉的特点及分类2、缺点装料少，只适于中小零件加热；需要较多辅助时间，如启动、脱氧等；介质消耗多，热处理成本高；炉口经常敞开，盐浴面散热多、降低热效率;介质蒸发，恶化劳动条件，污染环境；操作技术要求高，需防止带入水分，引起飞溅或爆炸等；需配置变压器、抽风机等辅助设备。§13.1浴炉的特点及分类二、浴炉的分类1、按介质分类盐浴炉碱浴炉铅浴炉油浴炉2、按热源供给方式分类外热式浴炉内热式浴炉§13.2外热式浴炉外热式浴炉：将热源放置在介质的外部，间接将介质熔化并加热到工作温度。构成：炉体＋坩锅坩锅：耐热钢、低碳钢、不锈钢焊接或耐热钢、铸铁铸造而成。§13.2外热式浴炉热源：电热或油、煤、焦炭等。适用性：适用于淬火、正火、回火，特别是液体化学热处理优点不需要昂贵的变压器启动操作方便缺点必须使用坩锅加热，热惰性大；坩锅内外温差大（100~150℃）；使用温度不能太高，一般在900℃以下。§13.2外热式浴炉§13.3内热式浴炉内热式浴炉：将热源放置在介质的内部，直接将介质熔化并加热到工作温度。分类（工作原理）电极式插入式和埋入式辐射管式优点：与外热式浴炉相比，工作温度范围广，温度均匀，热效率较高，启动升温快，炉子结构简单，适用于多种热处理工艺。§13.3内热式浴炉一、插入式电极盐浴炉1、结构和工作原理电极从坩锅上方垂直插入熔盐，通入低电压（6~17.5V）大电流（几千安培）的交流电，由熔盐电阻热效应，将熔盐加热到工作温度。§13.3内热式浴炉功率：P＝UI＝U2/R电阻：R＝ρL/(A)A－极间熔盐导电面积L－极间距电极间熔盐电流密度分布不均匀，上下产生温差，产生对流；交流电通过电极和电极间熔盐产生较强的电磁力，将驱动熔盐在电极附近循环流动。§13.3内热式浴炉优点：工作温度范围广，温度均匀，热效率较高，启动升温快，炉子结构简单，适用于多种热处理工艺。缺点炉口只有2/3的面积能使用，其它被电极占据，效率低，耗电量大；由于电极自上方插入，与盐面交界处易氧化，寿命短，电极损耗大；电极在一侧，远离电极侧温度低；工件易接触电极，而产生过热或过烧。§13.3内热式浴炉二、埋入式电极盐浴炉1、结构和工作原理将电极埋入浴槽砌体，只让电极工作面接触熔盐，在浴面上无电极。根据电极引入炉膛的方式不同分为侧埋式和顶埋式电极盐浴炉。浴槽——耐火砖砌成或用耐火混凝土制成保温层——保温砖或粉料§13.3内热式浴炉§13.3内热式浴炉优点有效面积大，生产率提高，热效率高，节能25~30％；炉温相对均匀（深度方向温差10℃以内，同一水平面3~4℃），介质流动性好；电极不接触空气，寿命长；（中温炉和高温炉的电极寿命分别为半年和40~45天，而插入式电极寿命相应的只有一个月和一周左右）工件接触电极可能性小，废品率低。§13.3内热式浴炉缺点砌体与电极一体，不能单独更换电极，电极损坏时，浴槽也要相应更换，对于高温炉，则插入电极优势大；形状复杂，不易焊接，砌体麻烦；电极间尺寸不能调节，电极形状、尺寸、布置要求高，功率不可调。§13.4电极盐浴炉的设计概要电极盐浴炉的设计与电阻炉设计相似，但大多采用近似计算或经验公式。设计内容炉型选择及浴槽尺寸的确定；炉体设计及结构设计；炉子功率确定电极尺寸及布置方法的确定；启动电阻的计算；变压器的选择；抽风机及自动化装置设计。§13.4电极盐浴炉的设计概要一、浴槽尺寸的确定原则：应尽可能使浴面面积减少，以减少辐射热损失；浴槽深度要比熔盐的深度大一些，以免放工件后熔盐外溢。1、类比法根据工件尺寸形状及装料量，参考标准浴炉尺寸确定。§13.4电极盐浴炉的设计概要2、经验计算法根据生产率g（kg/h）确定熔盐重量G（kg）低温浴炉G=(5~10)g(kg)中温浴炉G=(2~3)g(kg)高温浴炉G=(1.5~2)g(kg)§13.4电极盐浴炉的设计概要根据熔盐的重量G(kg)及熔盐在工作温度下的密度ρt（kg/m3），可算出在工作温度下熔盐的体积：Vt=G/ρt§13.4电极盐浴炉的设计概要根据熔盐体积Vt，确定浴槽尺寸Vt＋V＝A×B×HV－事先估算出来的电极所占体积(m3)（插入式电极盐浴炉需考虑）A－熔盐所占长度（m）B－熔盐所占宽度（m）H－熔盐所占深度（m）§13.4电极盐浴炉的设计概要二、炉体结构设计炉体结构：耐火材料坩锅＋炉胆＋保温层＋电极＋炉壳＋（炉盖和抽风罩）坩锅：采用耐火重质砖、高铝砖砌筑，也可用耐火混凝土捣制成形。炉胆：加固坩锅，防止坩锅因热胀冷缩而开裂，也可防止盐液外漏。保温层：粉状保温料炉壳：2~5mm厚的钢板§13.4电极盐浴炉的设计概要三、功率的确定1.电极盐浴炉的功率计算电极盐浴炉的功率理论上可以依据热平衡计算，热消耗主要有以下几项：加热工件和夹具的热量、炉壁散热、电极散热、浴面辐射和对流热损失、盐熔化和蒸发吸收的热量，以及变压器、汇流排等的热损失。但这种方法麻烦，且计算不准确。§13.4电极盐浴炉的设计概要通常采用熔盐容积法，即在一定温度下，利用熔盐容积与功率的经验式计算：P＝KV（kW）P－盐浴炉的功率K－单位容积功率（kW/m3）V－熔盐体积（m3）§13.4电极盐浴炉的设计概要K又称功容比。K可由下表查得。有时为了增大炉子功率储备，缩短升温时间，K常采用上限数据。对埋入式电极盐浴炉，常采用大一级别的功率。§13.4电极盐浴炉的设计概要2.电极盐浴炉功率与变压器额定容量的关系变压器额定容量应与盐浴炉功率适当匹配。一般认为，电极盐浴炉功率P（kW）与变压器额定容量C（kV·A）之间存在如下关系：C=（1.1~1.2）P§13.4电极盐浴炉的设计概要3.影响盐浴炉实际功率的因素盐浴炉实际功率可由下式计算：P=UI=U2/R=U2/(ρL/A)I—流经熔盐的电流(A）；U—电极间电压(V);R—电极间熔盐电阻(Ω)；ρ—熔盐电阻率(μΩ·m);L—电极间距(mm)；A—电极间熔盐导电面积(mm2)§13.4电极盐浴炉的设计概要（1）电极间熔盐导电面积：指参加导电的熔盐总截面积，包括电极间熔盐的横截面积和电极附近参与导电的熔盐横截面积，但实际常以电极对置的面积计算。由于参与导电的熔盐截面面积很大，降低了总电阻，因此一般采用低电压供电，以保护变压器和人身安全，电压范围为5~34V。§13.4电极盐浴炉的设计概要（2）电极间距L对电极间距L较大的盐浴炉，可用提高电压的方法，也可采用增大导电面积以减少电极间熔盐电阻的方法来提高炉子的实际功率。对非对置的平板电极，电极间距L是可变的，可利用电极间距L的变化来调节炉子的实际功率。（3）熔盐电阻值R电极也存在电阻，通常要求熔盐和电极的电阻值之比应大于20或30。§13.4电极盐浴炉的设计概要（4）电极间电压U从公式上可看到，盐浴炉功率与U的平方成正比，因此调节电压对功率影响最大，也最有效。（5）其他因素随浴盐种类和工作温度的变化，熔盐的电阻率也会变化，因而炉子的实际功率也随之变化。§13.4电极盐浴炉的设计概要四、电极材料尺寸确定1、材料常用材料：纯铁、低碳钢、不锈钢、耐热钢、石墨、碳化硅等。纯铁、低碳钢：插入式电极盐浴炉不锈钢：硝盐炉耐热钢：高温盐浴炉，耐高温，寿命长。§13.4电极盐浴炉的设计概要2、尺寸电极尺寸可根据电极所承受的功率及其截面允许电流密度来确定。如果通过的电流为I，则：I=A×i（A）A—电极截面积（cm2）i—电极允许截面电流密度，可取60~80A/cm2另外，I=1000P/U（A）P—一对电极发出的功率，一般为50~60kWU—电极之间的工作电压（V）所以，A=1000P/(Ui)（cm2）§13.4电极盐浴炉的设计概要计算电极工作部分的直径d或边长a、b§13.4电极盐浴炉的设计概要电极参数确定电极长度根据浴槽深度确定，一般距底60~100mm，以利于捞渣，并防止炉渣沉淀而短路。电极间距：对于近置式电极，电极间距一般为50~70mm，远置式电极的间距决定于炉膛尺寸。§13.4电极盐浴炉的设计概要电极插入熔盐的深度：电极插入熔盐的深度通常不超过1.5m。对于深井式盐浴炉，电极应分层布置两组或三组，以保证炉温均匀。电极导电面的电流密度：电极导电面上的电流密度随盐浴温度而异，一般在5~40A/cm2范围内。电极柄截面尺寸：电极柄部的截面应比工作部分大约1.25倍，以减少电耗；电极柄部与炉台之间应留有40~65mm空隙，以便安设电极的固定装置；电极的尾部的截面应更大些(因为有螺栓孔)，与铜排连接部位要倒平以便用螺栓连接。电极的厚度对浴炉产生的功率没有影响，但它影响电极寿命；增加厚度，可以降低截面电流密度，增加电极寿命。§13.4电极盐浴炉的设计概要§13.4电极盐浴炉的设计概要五、变压器的选择电极式盐浴炉用变压器大部分属于空冷的干式降压变压器，其容量应为浴炉额定功率的1.1~1.2倍。变压器的初级电压为380V，次级电压为5.5~17.5V（插入式），或12~35V(埋入式)。变压器与浴炉之间距通常在1m左右，间距过大，铜排长度增加，电耗就增加，间距过小，浴炉的热量促使变压器温升。§13.4电极盐浴炉的设计概要六、起动电阻由于固态盐不导电，不能在工作电压下使其导通，因此电极式盐浴炉不能利用电极直接起动，工作时需先使电极间的盐熔化，必须用起动电阻（即电阻加热体）。起动电阻：是一个电热元件，通常用低碳钢棒（Φ16~Φ20mm），绕制成螺旋形使用；也有用板条制成波纹形。§13.4电极盐浴炉的设计概要起动电阻置于工作电极之间，通电后发热而将附近的固态盐熔化，使工作电极导通，进而使盐全部熔化。§13.4电极盐浴炉的设计概要使用方法：开炉、停炉前起动二次开炉时，变压器选低档，防止电流过大。当起动电阻温度升高后，再选高档，使盐尽快熔化，取出起动电阻进行生产。缺点：起动时间长，耗电多，操作麻烦。新的起动方法：高电压击穿法、副电极快速起动法、小熔池法、导流器法等，但大多不成熟。§13.4电极盐浴炉的设计概要七、排气通风装置盐浴炉设有排气装置以便随时将盐蒸气排除到车间之外。最常用的排气装置有上部抽气罩及侧面抽气罩。上部抽气罩与浴炉外壳相接，高度在600mm左右，上部为圆锥体形与排气管相连接。侧抽气罩一般安设在浴炉上口边侧，单侧开口（也有环形开口）。为了便于吊车装料卸料及设置机械化设备，最好采用侧面抽气罩。§13.4电极盐浴炉的设计概要一、基本概念流动粒子炉：采用流态化固体粒子作为加热或冷却介质的炉子。在炉膛内装上一定数量的固体小粒子（如石英砂、刚玉砂、锆砂、金属微粒、石墨粒子等），从炉底向炉膛内供给一定流量的气体，造成固体粒子悬浮翻腾，形成类似液体沸腾一样的假液态的加热炉。§13.5流动粒子炉§13.5流动粒子炉流态粒子炉对的基本结构由炉体、炉罐、粒子、布风板等部分组成。炉罐底部安放具有均匀透气性的布风板，气体通过布风板进入炉膛，使炉罐内