1、- 36 -材料工程师讲稿第三部分 热处理设备3.1 概述 3.1.0 考核知识点重点掌握：炉子传热的三种方式（对流、传导、辐射）。一般掌握：热处理设备的分类。3.1.1 热处理设备分类热处理设备定义：完成热处理工艺操作所需的装置，称为热处理设备。 热处理生产的最基本工艺过程：加热、冷却、表面清理、回火、校正、检验。 热处理设备分主要设备和辅助设备。3.1.1.1 主要设备 通常把能完成热处理工艺操作（或投资价值较大）的设备，称其为主要设备。了解教材中，第290页所列8种情况。3.1.1.2 辅助设备 通常把与主要设备配套和维持生产所需的设备，称为辅助设备。了解教材中，第290页所列6种情况。
2、3.1.2 热处理炉的分类 热处理炉的分类，可根据热处理件、热处理工艺和批量要求进行划分。依据热处理炉的特性因素分类，见教材291页，表313.1.3 炉子传热原理（重点）定义：热量从一个物体传至另一个物体，或由同一物体的这一部分传至另一部分的过程称为传热。条件：只有两个物体间或同一物体内部存在温差时，才会发生热量的传递过程。方向：热量都是从高温部分向低温部分传递。1） 传导传热： 在各种温度下，只要两物体间或同一物体内部有温差存在时，无论是在固体、液体还是在气体中均可发生传导传热。传导传热只有热量的传递过程，没有宏观的质点移动过程。2） 对流换热： 热对流是指流体（气体或液体）中温度不同的各
3、部分之间发生相对位移，使不同部分的质点相互混合而引起的热量传递过程。当不同温度的流体和固体表面接触时，相互间发生的热量传递过程称为对流换热。热处理炉温在700以下时，对流换热作用明显。回火炉装有循环风扇就是为了增强设备的对流换热作用。3） 辐射换热： 辐射换热是由热辐射而发生的换热过程。具有一定温度的物体总以电磁场的形式不断地向外发射辐射能，当把电磁波投射到与其不相接触的另一物体时，电磁波被吸收并转化成热能，这种传热过程称为辐射换热。热处理炉温在700以上时，辐射换热作用明显。真空炉装载工件时，为使工件加热温度均匀必须充分考虑电磁波光线的遮蔽问题。 还应了解的其它几个基本概念1） 热流量（Q）
4、 单位时间内由高温物体传给低温物体的热量，称为热流量。 Q = K（T1T2）F 2） 传热系数（K ） 表示温度差1时，每秒钟通过1 传热面积所传递的热量。3） 热量密度（W/ ） 表示单位时间内，通过单位传热面积所传递的热量。 q =K (T1T2) =t / (1/K) =t / R 3.2 热处理常用设备3.2.0 考核知识点：重点掌握：箱式电阻炉的工作原理，中温箱式电阻炉的结构特点、操作要点；箱式电阻炉的功率计算要点；电阻炉的性能试验项目。一般掌握：井式电阻炉（高温、中温、低温）的结构特点、操作要点；浴炉（外热式、内热电极式盐浴炉）的结构特点、操作要点。3.2.1 箱式电阻炉电阻炉的
5、工作原理：是利用电流通过电热元件时所产生的热效应，采取热辐射和炉膛内气体对流作用的形式将热量传导到被加热的工件上，使工件加热。箱式电阻炉的分类：箱式电阻炉根据炉膛温度可分为高温炉、中温炉和低温炉三种。3.2.1.1 中温箱式电阻炉（重点）1 结构及特点 箱式电阻炉的构成：箱式电阻炉由炉体、测温系统和电控系统所组成。箱式电阻炉的结构：炉体由炉架、炉壳、炉衬、耐热钢炉底板、电热元件、炉门及炉门提升机构组成。电热元件布置在炉底和炉膛两侧内壁的搁丝砖上，热电偶由炉顶插入炉膛内部，插入深度约150毫米。为观察炉膛内部的加热情况，炉门中央开有窥视孔。为保证操作安全，炉门及炉门提升机构设置有电源的限位开关。
6、 箱式电阻炉的用途及特点：用途：中温箱式电阻炉主要用于碳钢及合金钢（包括铸、锻件）的退火、正火、淬火等常规热处理。特点：箱式电阻炉的电热元件常用Gr20Ni80或0Gr25A15电热合金制造，炉内温度的均匀状态受电热元件布置、炉门密封及炉衬的保温性能所影响；由于设备的最高工作温度为950，工件加热主要靠电热元件和炉膛内壁表面的热辐射；工件处在空气介质中加热，表面极易发生氧化；该设备通常没有机械化装出料装置，劳动强度较高。2 箱式电阻炉的操作要点1） 开炉前的准备，除P293页的三条内容外，还应检查炉门及炉门提升机构电源限位开关的工作是否正常。2） 开炉生产，除P293页的五条内容外，还应注意：
7、 为保证工件的加热均匀，箱式电阻炉靠近炉口的约300毫米区域内不允许摆放工件；工件不要直接摆放在炉底板上加热。3） 停炉，除P293页的内容外，还应进行工件、工具的定置、有序码放和工作场地的清扫。3 操作注意事项 在P293页的七条内容中，要特别牢记第六条（炉衬烘烤）的内容。 为保证操作人员的人身安全，在工件的装、出炉过程中，不允许带电操作。4 电炉维护，除P293页P294页的五条内容外，还应： 对炉门及炉门提升机构的电源限位开关进行维护。 应注意对热电偶、控温仪表按标准规定要求进行周期鉴定。一般情况下，控温仪表的鉴定周期为一年；热电偶的鉴定周期，应根据其使用的重要程度可分别规定为：三个月、
8、六个月或一年。3.2.1.2 高温箱式炉（一般掌握）1 结构与特点高温箱式炉主要用于高铬模具、高速钢刃具的热处理，按最高工作温度可分1200和1350两种。由于加热温度高，工件极易氧化脱碳。因此，必要时应通入保护气氛或采取其它保护措施。高温箱式电阻炉同样由炉体、测温系统和电控系统所组成。1200高温箱式炉的电热元件采用0Cr25AL7Mo2高温铁铬铝电热材料制造，炉底板用碳化硅板制造，其它部分的炉体结构与中温箱式电阻炉相近。只是因炉膛工作温度更高，要求的炉门壁厚度和炉衬的厚度更厚，保温性能更好。1350高温箱式炉采用非金属碳化硅棒电热元件，因其电阻系数大、使用过程中易老化，为稳定功率和便于调节
9、，需配置调压装置。2 操作要点 294页11条内容。3.2.1.3 滚底式炉及台车炉。 均为箱式电阻炉的变种形式，可简单了解。3.2.1.4 电阻炉的功率计算（重点） 热平衡计算法1 计算总的热量 Q总 Q总 = Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q71） 计算工件加热所需的热量Q1 Q1 =P件（C22C11）2） 计算加热辅具构件所需的热量Q2 Q2 =P辅（C22C11）3） 计算加热控制气体所需的热量Q3 Q3 =控（21） 4） 计算通过炉衬的散热损失Q Q总 注：热流的数值与炉表面状况及炉壁温度有关。刷银粉漆的炉壳温度低于50时，数值取1250；壳温度高于50时，数值
10、取2500。5） 计算炉门开启时的辐射热损失Q Q5.675（4（43.66） 计算炉门开启时的溢气热损失Q6 Q6 = VC（） 7） 计算其它热损失Q7 Q7可按炉衬散热损失的0.5倍1.0倍计算，即Q7 =（0.51.0）Q。2 将总热量转换成功率 P总= Q总/3600 （KW） 其中Q总 = Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q73 计算炉子的设计功率 P设 = K P总 式中：K（功率储备系数）=1.31.5 P设 = （1.31.5）（Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7）/3600 经验计算法 P =K 式中：P 功率（千万） V 炉膛体积（M3
11、） K 修正系数炉膛温度范围箱式电阻炉的K值120013001201000110080100900100070808009005565700以下40453.2.1.5 电阻炉的供电电压及接线方式 除特殊情况外，电阻炉的供电电压一般为220伏380伏。 电阻炉功率25KW时，常采用220伏或380伏单相供电。电阻炉功率25KW75KW，常采用380伏“星接”或“角接”的三相供电形式。当电阻炉功率75KW时，通常把电热元件编成若干组，然后再采用三相380伏电源，以“星接”或“角接” 形式进行并联供电。 特别需要注意的是：1 电热元件使用时，必需注意它的使用电压；“星接”时，每组电热元件的使用电压为
12、220伏。“角接”时，每组电热元件的使用电压为380伏。2 为保证供电安全，在三相供电线路中，应尽可能保证电源的三相负载平衡；3 并应采用三相五线制的供电方式。即：在供电线路中，除三相电源线外，将设备的电气接零（即：零线）与设备的接地（即：地线）分开。3.2.1.6 电阻炉的性能测试项目（设备验收、鉴定时常用。应掌握其测试方法及要求）1 电热元件冷态直流电阻的测定，考核电热元件的设计与制造质量。2 额定功率的测定，考核炉子的设计功率是否合理、是否满足规定要求。3 空炉升温时间的测定，考核炉子的设计功率是否充分、炉衬设计是否合理。4 空载功率的测定，考核炉子的整体保温性能。5 炉温均匀性的测定，
13、是炉子的重要考核指标，决定着工件的热处理质量好坏与稳定。6 设备表面温升的测定，考核热处理炉炉衬的设计与制造质量及保温性能是否良好。3.2.1.7 常用电热元件材料及性能 电热元件材料应具备的特殊性能1） 具备良好的耐热性和较高的高温强度电热元件是高温条件下的工作器件，因而电热元件材料应具有良好的耐热性和高温强度。即：要求电热元件材料的工作表面在高温条件下不易发生氧化起皮，且在以后的较长时间工作中不易发生显著变形。2） 具有较高的电阻系数用电阻系数较大的材料制作电热元件，有利于功率的获得。在获得同等必需功率的条件下，使用电阻系数较大的材料制作电热元件可以有效地节约材料、简化结构、方便安装使用。
14、3） 具有良好的抗蚀性能4） 具有较低的电阻温度系数使用电阻温度系数很大的材料制造电热元件时，需配备调压器，以便调整设备功率。5） 具有较低的热膨胀系数6） 具有良好的可加工性能电热元件材料的可加工性能，主要指：成形加工、绕制、焊接及返修的可能性和难易程度。镍铬系电热材料与铁铬铝系电热材料相比较具有更好的可加工性能。硅碳棒、硅钼棒，材料的性质很脆，不易成形加工，使用、操作和维修过程中易断裂，应特别小心。1 铁铬铝电热合金 优点 见P299页 缺点 见P299页 常用的铁铬铝系电热材料性质 / 名称1Cr13AL40Cr25AL50Cr27AL7Mo2主要化学成分Cr：1315 AL：3.55.
15、5Cr：2327 AL：4.56.5Cr：27 AL：6.5 Mo：2比重 （克/立方厘米）7.47.17.1抗拉强度（公斤/平方毫米）607565807080电阻系数（欧平方毫米/米）1.261.401.50熔点（）145015001520正常工作温度（）900950105012001200 1300最高工作温度（）1100130014002 镍铬电热合金 优点 见P299页 缺点 见P299页 常用的镍铬系电热材料性质 / 名称Cr20Ni80Cr15Ni60主要化学成分Cr：2023Ni：7578Cr：1518Ni：5561比重 （克/立方厘米）8.48.2抗拉强度（公斤/平方毫米）65
16、806580电阻系数（欧平方毫米/米）1.111.10熔点（）14001390正常工作温度（）1050950最高工作温度（）115010503 纯金属电热元件材料钼钨铂使用环境氢气、氨分解气、真空空气、真空使用温度()1800240012001600使用条件电阻率小、电阻温度系数很大，需配备调压器使用4 非金属电热元件材料 见P300页，4、5、6。碳化硅二硅化钼石墨使用环境空气、真空真空使用温度()1350170014002500使用条件电阻温度系数很大，需配备调压器使用注：碳化硅电热元件在使用中易发生老化现象。因此，新旧电热元件不允许混用。硅碳棒、硅钼棒，材料的性质很脆，不易成形加工，使用
17、、操作和维修过程中易断裂，应特别小心。 使用电热合金线材的电热元件的简易计算（补充内容，实际工作中常用，可了解掌握） 确定设备加热区段电热元件的功率及工作电压为保证电网供电平衡，热处理炉加热一般均采用三相供电方式。其电热元件的承载功率与加热区段内的电热元件数量有关。当三个电热元件采用“星接”方式时，电热元件的工作电压为220伏，电热元件的功率为设备该加热区段功率的1/3；采用“角接”方式时，电热元件的工作电压为380伏，功率亦为设备该加热区段功率的1/3。 确定热处理炉额定温度下电热元件的电阻值 R =U 2/ 1000 N 式中：R 电热元件电阻（欧） N 电热元件功率（瓦） U 电热元件工
18、作电压（伏） 根据电热元件的功率及工作电压，计算电热元件的工作电流N = U I 式中：N 电热元件功率（瓦） U 电热元件工作电压（伏） I 电热元件工作电流（安培） 根据电热元件的工作电流，确定电热丝的截面积和直径 S = 3.14 D2 /4 式中：S 电热丝截面积（平方毫米） D 电热丝直径 （毫米） 注：一般情况下，根据经验可选择每平方毫米截面积通过4安培电流。 计算电热丝的长度 L =R S / 式中：L 电热丝长度（米） 电热材料额定温度下的电阻系数（欧平方毫米/ 米） 核算电热元件的表面功率负荷 W =1000 N/F 式中：W 表面功率负荷（瓦/平方厘米） F 电热元件的表面
19、积（平方厘米）注：电热元件的表面功率负荷应等于或小于下表中的给定数值。电热元件材料 / 工作温度7008009001000110012001300Cr20Ni802.52.01.51.10.5Cr15Ni602.01.50.80Cr25AL53.03.72.63.22.12.61.62.01.21.50.81.00.50.7 电热元件的结构尺寸设计线状电热元件通常绕成螺旋形布置在炉膛内炉衬的阁丝砖上，其结构尺寸应满足：项目铁铬铝丝电热元件镍铬丝电热元件大于1000小于1000大于950小于750750950螺旋体节径D（毫米）（46）d（68）d（56）d（812）d（68）d螺旋体节距h（毫
20、米）（24）d（24）d（24）d（24）d（24）d对于高温强度较低的电热元件，应适当减少螺旋体节径D的数值，以增加其结构刚度，用于补救其高温强度低、易于倒塌的使用缺陷。螺旋柱体长度Lo（米L h /3.14 D）取决于炉衬的结构尺寸，可以通过调节螺旋体节距尺寸实现与炉衬的要求相吻合。3.2.2 井式电阻炉井式电阻炉同样分为：高温井式电阻炉、中温井式电阻炉和低温井式电阻炉。井式电阻炉特别适用于轴类工件的加热，淬火变形小。为使工件的加热温度均匀，炉内的工件装炉位置应注意与炉口和炉底均需保留有一定空间，约100mm200mm。计算井式电阻炉的设计功率 P =K 式中 P 功率（KW） V 炉膛体
21、积（M3） K 修正系数炉膛温度范围井式电阻炉的K值120013008090100011005565900100050558009004045700以下35为使井式电阻炉的炉膛温度均匀，在进行功率分配设计时应注意：相同区域空间的功率分配比例相同功率分配的区域空间比例炉口区域部位21/2中部区域部位11炉底区域部位3/23/43.2.2.1 低温井式电阻炉1 操作要点 见P301页2 使用注意事项及维护 见P301页P302页。3.2.2.2 中温井式电阻炉3.2.2.3 高温井式电阻炉 见P302页P303页。3.2.3 浴炉浴炉的定义：浴炉是利用液体介质进行工件加热或冷却的一种热处理设备。3
22、.2.3.1 浴炉的特点： 优点：1 浴炉的工作温度范围宽（601350），可完成多种热处理工艺操作（随炉冷却的退火工艺除外）。如：淬火、回火、分级淬火、等温淬火、正火、局部加热和化学热处理等。2 因工件在液体介质中加热，因此，加热速度快、温度均匀、变形小、不易氧化和脱碳等。特别适用于：尺寸不大、形状复杂、表面质量要求较高及精密零件的热处理。3 浴炉结构简单、制造方便，炉口向上、便于操作，容易实现机械化。 缺点：1 装料少，不适宜处理较大工件；2 炉口向上敞开，热损失大；3 劳动条件差，容易污染环境；4 因使用的有些盐类有毒，需进行妥善保管，盐浴残渣亦需妥善处置；5 处理后的工件需要认真清洗，
23、否则工件表面易发生腐蚀；6 内热式盐浴炉的启动、脱氧操作比较麻烦。3.2.3.2 浴炉的分类根据使用的介质不同，浴炉可分为：盐浴炉、碱浴炉、油浴炉、铅浴炉等。根据热源的供给方式不同，浴炉可分为：外热式浴炉、内热式浴炉（亦称：电极式盐浴炉）、管状电热元件加热的浴炉。1 外热式浴炉外热式浴炉，由炉体和坩埚组成。坩埚的底部支撑在炉体加热室内的耐火材料上。炉体的设计可参照井式电阻炉的设计方法。坩埚的制备，可用1015mm的耐热钢板焊接，也可使用耐热钢铸造成壁厚约20mm的铸件。坩埚应设置有耳环，以便于吊装。坩埚的上边缘与炉体的重叠尺寸应大些，且与炉体应紧密接触，以防止浴液流入炉体的加热室内而损坏设备。
24、外热式浴炉的特点：外热式浴炉主要用于碳钢、合金钢的回火；液体化学热处理；铝合金熔化等。外热式浴炉不需要变压器，启动操作方便；因坩埚的热惰性大，使坩埚内外的温差大（经验上：温差在150左右）、耗能高，一般情况下，其使用的工作温度在700以下（随工作温度的升高，坩埚的使用寿命将急剧降低）。2 管状电热元件加热的浴炉管状电热元件加热的浴炉，由管状电热元件、坩埚、炉衬（炉壳和保温材料）所组成。管状电热元件加热的浴炉使用的介质，主要有：硝盐、碱、油。工作温度在550以下。常用于工件的回火和等温淬火。 因管状电热元件加热的浴炉使用温度较低，其炉体结构（炉衬）只需在炉壳内充填100mm200mm厚的保温材料
25、即可。坩埚的制备，一般情况下，可用10mm厚的低碳钢板焊接。亦可使用不锈钢板或耐热钢板焊接制造。为便于吊装，坩埚应设置有耳环。管状电热元件是定型产品，有U型、W型、L型等多种形式和规格尺寸，管壁有碳钢和不锈钢之分，我们可根据使用的要求进行选购。在使用管状电热元件时，其加热部分必须有效地浸入在介质内，以确保它的使用安全。3 内热式电极盐浴炉内热式电极盐浴炉由炉体、工作电极、启动电阻、坩埚、盐浴炉变压器所组成。内热式电极盐浴炉，按工作温度可分为：低温（650）、中温（6501000）、高温（10001300）三种。按电极的安装形式又可分为：插入式和埋入式两种。内热式电极盐浴炉的坩埚，是使用厚度为1
26、0mm的低碳钢板，采用连续焊接形式将钢板焊接成炉胆；再在炉胆内，使用重质耐火砖（或耐火泥）砌筑工作室空间。内热式电极盐浴炉，是以熔盐本身为电阻，电流通过熔盐而发热的热处理设备。内热式电极盐浴炉，在冷炉条件下进行开炉时，必须首先使用启动电阻将工作电极间的凝结的盐进行熔化，然后再使用工作电极进行熔盐加热升温。内热式电极盐浴炉的启动电阻，是使用20mm的低碳钢绕制的螺旋体；工作电极是规格尺寸根据需要制定的低碳钢锻件。3.2.3.3 常用浴剂 见表323.2.3.4 浴炉的使用、维修及安全操作1 外热式浴炉使用和维修技术要点2 电极盐浴炉使用和维修技术要点3 盐炉的安全操作要求（重点）浴炉的安全操作，
27、除P307页的六条内容外，还应特别注意以下内容： 严防水的带入而引发的熔盐爆炸。 生产用盐必须妥善保管。一般情况下，盐类储存箱应进行两个人的分锁（即：每人一把锁）保管。 生产过程中产生的盐渣，必须进行妥善处置生产过程中产生的盐渣，应集中保存并统一交给专业处理机构进行处置；不得随意抛弃和掩埋，以防对环境造成污染。4 使用硝盐浴炉时，必须注意安全防爆等安全措施（重点）使用硝盐炉的安全防爆措施，应严格遵守P307页的四项条款内容。3.3 可控气氛炉3.3.0 考核知识点 掌握气氛制备原理、不同可控气氛的特点，可控气氛保护加热、渗碳、碳氮共渗工艺，可控气氛热处理设备的安全操作。熟悉可控气氛热处理炉的设备结构、安全设施、安全操作与维护保养。3.3.1 可控气氛的类型与特点常用
