热处理设备-筑炉材料

热处理电阻炉第2章材料工程学院金属材料系热处理电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备。本章将围绕间接加热周期作业电阻炉的设计，讲述热处理电阻炉设计时基本内容；主要包括电阻炉的设计步骤和方法；炉子主要组成部分的设计要点；有关炉用材料的选择：以及设计计算公式的应用和炉子技术经济指标等。材料工程学院金属材料系热处理电阻炉的结构材料工程学院金属材料系电阻炉常用筑炉材料筑炉材料主要包括耐火材料和保温材料。耐火材料:主要用作炉体内衬耐火层，直接承受高温作用，耐火度高于1580C的材料，称为耐火材料。保温材料:主要用作炉体外衬保温层起保温作用，减少炉体散热。筑炉材料应能经受炉内物理和化学作用并有较好的耐高温和保温能力，有的还要求不与电热元件发生化学作用。这就要求筑炉材料具有相应的耐火度和高温强度，较小的密度和热导率以及较高的化学稳定性。材料工程学院金属材料系耐火材料热处理炉对耐火材料性能的要求•耐火度耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能，指的是耐火材料受热后软化到一定程度时的温度。a)b)耐火度测定方法：取一定尺寸的三角形锥体，在规定的加热条件下进行加热，当试样顶部因受温度及本身质量影响而弯倒到刚接触底平面时的温度作为耐火度。耐火材料的耐火度，主要取决于它的化学成分和材料中易熔杂质（如FeO和Na2O）的含量。根据耐火度的高低，耐火材料可分为：普通耐火材料：耐火度为1580~1770C，高级耐火材料：耐火度为1770~2000C，特级耐火材料：耐火度大于2000C材料工程学院金属材料系热处理炉对耐火材料性能的要求(2)高温结构强度•耐火材料的高温结构强度用荷重软化点来评定。荷重软化点是指在一定压力（重质耐火材料196kPa，轻质耐火材料为98kPa）下，以一定的升温速度加热，样品开始变形的温度或压缩变形达4％或40％的温度。前者叫荷重软化开始点，后者叫荷重软化4％或40％的软化点。高温化学稳定性•高温化学稳定性是指耐火材料在高温下抵抗炉气、熔盐和金属氧化物等的侵蚀作用的能力。高温化学稳定性常用抗渣性来评定，它取决于组成物的化学性质及其物理结构（如与密度有关的结合强度）。材料工程学院金属材料系热处理炉对耐火材料性能的要求(3)热振稳定性（耐激冷急热性）•热振稳定性是指耐火制品对急冷急热的温度反复变化时抵抗破坏和剥落的能力，取决于耐火制品的化学成分和组织结构等因素。•重质耐火材料热振稳定性的测定方法是将试样加热至850℃，然后在流动的冷水中冷却，反复进行直至破碎或剥落至质量损失达到20％时为止，其所经历的加热冷却次数被作为耐火制品的热振稳定性指标。冷炉的升温，电极盐浴炉的启动都要经受温度的急变，如果耐火材料没有足够的耐激冷急热性能，就会过早地损坏。•轻质耐火制品热振稳定性的测定，是将标准砖加热至1000℃，在静止空气中冷却，反复进行，直至砖体的质量损失为20％时的加热一冷却次数作为热振稳定性指标。高温体积稳定性•高温体积稳定性是指耐火制品在高温下使用时，由于相的成分发生变化、发生再结晶或进一步烧结等所产生的不可逆残余膨胀或收缩，通常以热膨胀系数和重烧线收缩率来表示。在一般情况下，要求各种耐火制品的残余胀缩不超过0.5％~1.0％。粘土砖和高铝砖的重烧线收缩率为0.5％（1350℃），硅砖的重烧线收缩率为-0.8％。材料工程学院金属材料系耐火材料粘土砖•其成分主要为Al2O3（48%）和SiO2。•密度为1.8~2.2g/cm3的称为重质粘土砖，•密度为0.3~0.4g/cm3的称为轻质粘土砖•使用温度在1150~1350C范围内•是热处理炉炉体耐火层的主要用砖。高铝砖•指A12O3含量大于48%的硅酸铝质耐火砖•其最高使用温度为1400~1500C，常作高温炉和盐浴炉的内衬砌砖。又常作电热元件搁砖和套管等。材料工程学院金属材料系耐火材料碳化硅制品•这类制品有高的耐火度（2000C）和较高的热导率，常用作穿入电热元件的马弗罐、高温炉的炉底板和导轨。因其黑度较大（0.92）；又常用作远红外加热板或用其粉末配制远红外涂料。耐火混凝土•系由骨料（高铝砖土熟料或粘土砖细块）和胶粘剂混合而成，常用来制造电极浴炉的坩埚等炉衬预制构件。材料工程学院金属材料系耐火材料耐火纤维•由各种耐火物质制成的一种纤维状两次材料。热处理护申常用的有硅酸铝质耐火纤维和碳质耐火纤维。根据其内部结构，硅酸铝质耐火纤维又可分为结晶态纤维和玻璃态纤维。•硅酸铝耐火纤维具有耐热度高、密度小、热导率低、热容量小、化学稳定性和抗热震性好等优点•玻璃态纤维经长期高温使用后会重新结晶，降低使用温度，承受负荷的能力很小，抗高速炉气冲刷的性能差；作炉衬时电热元件固定较困难，在含氢气氛中会因氢充满纤维的间隙而增大热导率。材料工程学院金属材料系耐火材料不定型耐火材料•不定型耐火材料的特点是可随意制成各种形状的预制块，也可在加热炉上整体浇捣，从而加强炉体的整体性，便于改进炉型结构。•不定型耐火材料有耐火混凝土（浇注料）、可塑料、喷涂料、捣打料、涂抹料、投射料等。耐火混凝土可用于制造盐浴炉的盐槽与坩埚，制造炉顶与炉衬的预制件。耐火混凝土的组成•骨料是主要的耐火基体，应具有高的耐火度，不应与胶结料生成较多的低熔物。•胶结料（结合剂）。起胶结硬化作用，使制品有一定的强度常用的胶结料有矾土水泥、硅酸盐水泥、水玻璃、磷酸等。•掺合料与骨料的材料相同，只是颗粒度较小。掺合剂可使制品的气孔率降低，密度增加，耐压强度提高，抗渣性提高，但使收缩增加，耐急冷急热性降低。材料工程学院金属材料系保温材料习惯上把常温下热导率小于0.23W/(mC)的材料称为保温材料。常用的保温材料有如下几种：硅藻土及其制品•硅藻土是由微海藻类的介壳构成的沉积岩。其主要成分为非晶体二氧化硅，并含有少量粘土杂质。其耐火度高于1400C，有良好的保温能力，最高使用温度为900～1000C，可以制成型砖或粉料使用。膨胀珍珠岩•是一种由酸性的火由玻璃质珍珠岩结构的熔岩，经破碎后在高温下焙烧膨胀而成，呈白色小颗粒，内有蜂窝状空隙。其主要成分一般为ω（SiO2）＝69~74%，ω（A12O3）＝12~14%，密度为40~120kg/m3，有良好的保温能力，最高使用温度为800C。•膨胀珍珠岩散料可与水玻璃、水泥、磷酸铝等结合剂制成各种成形保温材料。材料工程学院金属材料系保温材料膨胀蛭石•蛭石也叫黑云母或金云母，易于剥成薄片，内含有5-10%水分，受热后水分蒸发而形成膨胀蛭石。蛭石的成分为ω(SiO2)＝69~74%＝38~40%，ω(Fe2O3)＝4~23%，ω(A12O3)＝14~18%，ω(MgO)＝11~21%，少量CaO。蛭石的熔点为1370C，最高使用温度为1000C。•蛭石也可用高铝水泥、水玻璃作粘结剂制成各种成型保温材料。矿渣棉制品•是一种将煤渣，高炉渣和某些矿石在1250～1350C熔化后，用压缩空气或蒸汽将其熔液吹成丝状，然后压制成制品，是优良的保温材料。微孔硅酸钙•这种制品的密度小(250kg/m3)，热导率低，最高使用温度为650C。材料工程学院金属材料系保温材料石棉•石棉是一种纤维结构矿物，其主要成分为蛇纹石（3MgO2SiO22H2O），熔点大于1500℃。但在500℃时开始失去结晶水，使强度降低，在700~800℃时变脆而粉化。所以长期使用温度应低于500℃。•其制品有石棉粉、石棉板及石棉绳等形式。高温超轻质珍珠岩•高温超轻质珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为主要原料，分别以水玻璃、水泥、磷酸盐等为胶结剂，按一定比例混合经成型、干燥、烧结而制成的制品。它具有密度小、热导率很小、耐火度高（最高使用温度可达1000℃）等特点，是一种很好的隔热、保温材料。材料工程学院金属材料系传热理论在热处理炉内进行着各种复杂的传热过程，因此掌握传热的基本规律，对于热处理炉的设计及其操作是至关重要的。传热有传导，对流和辐射三种基本形式。在热处理炉内实际进行的热交换过程也是由这三种基本形式组成的综合传热过程。如果在传热过程中，物体的温度场是稳定的，则传递的热流也是恒定的，此时的温度场称为稳定态温度场，这种传热称为稳定态传热。例如长时间保温的炉子或连续作业炉的炉墙传热，就属于稳定态传热过程。如果所传递的热流随时间变化而变化，这种温度场称为不稳定态温度场，这种传热过程称为不稳定态传热。本章主要讨论稳定态传热。材料工程学院金属材料系传导传热传导传热的基本方程式•通过单位截面、单位时间内传递的热流q（W/m2）与该截面的温度梯度成正比xtq•单向稳定态传热中，单位时间通过单位面积所传递的热量为xtqdd•热导率mmbt0221tttm材料工程学院金属材料系平壁炉墙的导热在平壁内取一单元薄层，其厚度为dx，两侧的温度差为dt，则通过此单元层的热流为分离变量后将上式积分积分后得所以单层平壁的导热t0xt1t2dxdtdxdtqdxqdtdxqdttt021qtt21)(21ttq若平壁面积为A(m2)，则单位时间(1h)内通过A面积所传递的热量为AttQ)(21材料工程学院金属材料系多层平壁炉墙的导热第一层热流第二层热流t1tOxt2t11122)(21111ttq)(32222ttq在稳定态传热过程中，根据能量守恒原理，通过双层炉墙的热量Q＝qA＝q1A＝q2A，即q＝q1＝q2。将第一层与第二层热流公式相加后得：221121)(qtt221131ttqnnnttq2211111111122111ninnniqtqtt1112qtt材料工程学院金属材料系如果多层平壁炉墙各层面积相等时（均为A），其传热量公式为AttQnnn221111当外墙的面积(f2)与内墙的面积(f1)之比小于等于2时炉墙的平均面积nnnnAAAttQ22211111当外墙的面积(f2)与内墙的面积(f1)之比大于2时炉墙的平均面积221ffAm若各层面积不等，其传热量计算公式为21.ffAm材料工程学院金属材料系圆筒炉墙的导热在单位时间内通过该薄层所传导的热量为单层圆筒壁的导热t1t2r1rdrr2r2LdrdtrLdrdtAQ2分离变量后rdrLQdt2将上式积分21212ttttrdrLQdt1221ln2rrLQtt)(ln22112ttrrLQ自然对数项的分子与分母同乘以2L，则可改写成)(22ln)(221122212ttrrLLrrLrrQmAttttffffQ21211212)(ln即材料工程学院金属材料系箱式电阻炉材料工程学院金属材料系高温箱式炉材料工程学院金属材料系井式电阻炉材料工程学院金属材料系低温井式电阻炉21材料工程学院金属材料系RQ系列井式气体渗碳电阻炉材料工程学院金属材料系热处理电阻炉的设计步骤收集设计资料•在炉子设计前应详尽收集有关资料，包括：炉子的生产任务（产量）、作业制度（一、二班或连续生产）；被加热工件的材料、形状、尺寸和质量；工件的热处理工艺规程和质量•要求，电源及车间厂房等条件；炉子的制造维修能力和投资金额等。•首先初步确定几种设计方案，再广泛征求有关人员的意见，反复进行技术、经济性的比较和论证，确定最佳方案。设计步骤•炉型设计或选择。•炉膛尺寸确定。•炉体结构设计（包括炉墙、构架、炉门等）。•电阻炉功率计算及功率分配。•电热元件材料选择。•电热元件设计计算。•炉用机械设备和电气、控温仪表设计与选用。•技术经济指标核算。•绘制炉子总图、砌砖体、零部件图和编制电阻炉使用说明书材料工程学院金属材料系炉型的选择和炉膛尺寸的确定炉