热处理设备(3)

1热处理原理、工艺及设备Principles,TechnologyandEquipmentsforHeatTreatment第三部分热处理设备（3）EquipmentsforHeatTreatment2§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（教材P148表7-1）BaCl2、KCl、NaCl、NaNO3、KNO3熔融金属或合金熔碱油3§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，只有退火不能进行；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。4§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。5§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6§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。7§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。8§13.2外热式浴炉9§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。10§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。11§13.3内热式浴炉功率：P＝UI＝U2/R电阻：R＝ρS/(aH)aH－极间熔盐截面积S－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；电磁对流，使温度均匀。12§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§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。根据电极位置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14§13.3内热式浴炉15§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，介质流动性好；电极不接触空气，寿命长；工件接触电极可能性小，废品率低。16§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。17§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。18§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。19§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）中低温浴炉G=(2~3)g(kg)高温浴炉G=(1.5~2)g(kg)工作温度下熔盐体积Vt=G/γtγt－是熔盐工作温度下的密度（kg/m3）20§13.4电极盐浴炉的设计概要浴槽尺寸Vt＋V＝A×B×HV－事先估算出来的电极所占体积（m3）A－熔盐所占长度（m）B－熔盐所占宽度（m）H－熔盐所占深度（m）21§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22§13.4电极盐浴炉的设计概要三、功率的确定通常采用熔盐容积法：P＝KV（kW）K－单位容积功率（kW/m3）23§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。24§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）25§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电极长度l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。26插入式电极大部分是用低碳钢锻成，其工作部分的截面形状有方形，矩形和圆形，电极工作部分的长度可根据浴槽的深度确定，电极末端距槽底60~l00mm，以避免电极因炉渣沉积而短路；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27§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是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。28§13.4电极盐浴炉的设计概要六、启动电阻由于固态盐不导电，电极式盐浴炉不能利用电极直接启动，启动时必须用启动电阻（即电阻加热体）。折带形螺旋形（效果较好）29§13.4电极盐浴炉的设计概要使用方法：开炉、停炉前启动二次开炉时，变压器选低档，防止电流过大。当启动电阻温度升高后，再选高档，使盐尽快熔化，取出启动电阻进行生产。缺点：启动时间长，耗电多，操作麻烦。新的启动方法：高电压击穿法、副电极快速启动法、小熔池法、导流器法等，但大多不成熟。30§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。31§13.4电极盐浴炉的设计概要32一、基本概念流动粒子炉：采用流化固体粒子作为加热介质的炉子。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，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。§13.5流动粒子炉33§13.5流动粒子炉流态化曲线固定床：当气流速度较小时床层高度不变；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。34§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降以产生较大射流速度；容器以圆形截面为最有利，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。35§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。36§13.5流动粒子炉二、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。37§13.5流动粒子炉三、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和外部燃烧式38§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，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，用于中、高温炉。39§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离的状态，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。40§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。41§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。42§13.5流动粒子炉四、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、N以及C、N共渗。