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电热设备§132 外热式浴炉 ? 热源电

文章来源:未知         发布时间:2020-04-03 01:52

  热处理原理、工艺及设备 PRINCIPLES, TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS FOR HEAT TREATMENT 第三部分 热处理设备(3) Equipments for Heat Treatment §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×H V-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, 也可防止淹尼斯国际平台app和饴 ? 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、 盐熔化和蒸发吸取的热量,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,热处理设备缩短升温时间,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,也 。 ? (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50~60kW U—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。 §13.4 电极盐浴炉的设计概要 ?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 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,热处理设备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。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,采用侧面抽气罩。 §13.4 电极盐浴炉的设计概要 §13.5 流动粒子炉 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 ? 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。 ? 炉罐底部安顿具有均匀 透气性的布风板,气体 通过布风板进入炉膛, 使炉罐内的固态粒子形 成流态床,工件在流态 床中加热、冷却或进行 化学热处理。 §13.5 流动粒子炉 ? 流态化:圆形容器的透气微孔布风板上堆放着 固体颗粒状物料(石英砂、刚玉砂,石墨粒子或 其它粒子),高度为H,形成一个固定床。从容 器底部通入具有一定压力的气体,热处理设备使气体穿过 布风板均匀地进入容器中,使容器内的物料的 形成流态,流化后形成流化床,或称床层。 §13.5 流动粒子炉 ? 流态化曲线 ? 固定床:当气流速度较小时,气 体从静止粒子间的空隙穿过,床 层高度不变,称为固定床。 ? 膨胀床:当气流速度达到B点时, 颗粒层加速松动,孔隙度加大, 床层高度上升,出现膨胀现象 ; ? 流化床:当气流速度达到C点,颗粒聚集成团块,彼此 间失去接触,呈悬浮状态而产生流态化 ; ? 飞散床:当流速超过D点时,颗粒将被气流从容器中吹 出来,进入飞散床阶段,又称气力输送阶段。 §13.5 流动粒子炉 ? 得到正常的流态化要注意的事项: ? 颗粒的密度要小而粒度要适当; ? 布风板透气均匀有适宜的压力,以产生较大射流速度; ? 容器以圆形截面为有利,高度在600mm以下,H/D 比值取1.5~2.0,比值过大容易产生沸涌,比值过小 容易产生沟流。 §13.5 流动粒子炉 ? 如果在流化床中加入热源,使介质温度升高,再 附加上温度控制系统,即可组成流动粒子炉; ? 如果在流化床中加入冷源可组成冷却用的流动粒 子槽。 §13.5 流动粒子炉 ? 二、流态化粒子 ? 在流态化炉子中,粒子是加热介质,在气流作 用下形成紊流,与被加热工件进行无规则碰撞, 从而进行传热和传质,完成热处理过程。 ? 常用的粒子有:石墨粒子、刚玉粒子。氧化铝 空心球 §13.5 流动粒子炉 ? 1、石墨粒子:导电性粒子,除作为加热介质外, 还起导电体和发热体作用,主要用于电极加热 的流态化炉。 ? 800℃以下:弱氧化性 ? 800~900℃:中性 ? 1000℃以上:渗碳性 §13.5 流动粒子炉 ? 2、刚玉粒子:主要成分是Al2O3(质量分数为 62%~77%)颗粒,随Al2O3含量提高,流态化 能力提高。 ? Al2O3是中性粒子,与热处理气氛一般不发生反 应, 耐高温、耐磨。 §13.5 流动粒子炉 ? 3、氧化铝空心球:密度小,有利于降低初始化 速度,圆形度好,易均匀流化。 ? 主要缺点:强度较低,易破碎,使用时需定期 筛分。市场购入的空心球需经水选筛分。 §13.5 流动粒子炉 三、流态粒子炉的特性 ? 流化床介质的热容量比气体介质大,传热系数大, 加热速度快; ? 流化床介质温度均匀,炉温在800~1300℃时,炉 膛温差在3~7℃。因此工件在流动粒子炉内加热时 变形小。 ? 炉子的热惰性小,启动快,热效率高,节省能源。 ? 改变粒子种类与流化介质种类,可以调节炉内气 氛性质,实现无氧化加热或化学热处理。 §13.5 流动粒子炉 四、流态粒子炉的类型 ? 流动粒子炉热源分煤气和电热两种 1、煤气流动粒子炉 内部燃烧式(有回火危险)和外部燃烧式 §13.5 流动粒子炉 2、电热流动粒子炉 ? 外热式:将电热元件放在 流化床容器的外部,通过 炉罐壁加热粒子,用于低 温炉; ? 内热式:是将管状电热元 件或电极放在流化床容器 的内部,根据炉子工作温 度,可选用电热辐射管或 碳化硅元件作为加热元件。 用于中、高温炉。 §13.5 流动粒子炉 ? 石墨流动粒子炉 ? 在流化床中放一对石墨或钢质电极,使用能导 电的石墨粒子,用空气做流化介质。 ? 电极通电后使流化床中石墨粒子处于不断接触 而又不断分断的状态,在分离瞬间产生微电弧 放出热量,使流态化介质升温;另外当石墨粒 子冲击工件表面时也会产生微电弧,使工件表 面迅速升温。因此,石墨粒子既是发热体又是 加热介质。 §13.5 流动粒子炉 ? 石墨粒子炉的气源使用压缩空气,压力要稳定, 除水。空气进入下风室的压力称送风压力,其 大小要大于空气经布风板、砂层、透气砖和石 墨粒子层时所产生的压降的总和,一般在 5880Pa左右。 ? 石墨粒子在高温下发生氧化而粒子变小,容易 被气流带走,炉子要设除尘设备。常用的设备 有旋风式和布袋过滤式除尘器。 §13.5 流动粒子炉 ? 优点:启动快,炉温均匀,操作方便、耗电少,其 加热速度与盐浴炉接近; ? 缺点:床面起伏大,不适予局部加热、石墨粒子消 耗多、要有除尘设备。 §13.5 流动粒子炉 五、流动粒子炉的用途 淬火、正火、退火、回火等中性加热,并已扩大 应用于渗C、渗N以及C、N共渗以及渗硼、氧氮 化、蒸汽处理等,还可用于分级淬火、等温淬火 及冷却。 谢谢!
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