第一單元

熱處理設(shè)備基礎(chǔ)模塊一筑爐材料砌筑熱處理爐所需的材料統(tǒng)稱(chēng)為筑爐材料，主要的筑爐材料有砌筑爐襯所用的耐火材料、隔熱材料(或稱(chēng)絕熱材料、保溫材料)、制作爐底板和爐罐的耐熱鋼。

耐火材料及隔熱材料的主要性能特點(diǎn)見(jiàn)表1-1。能力知識(shí)點(diǎn)1耐火材料凡能夠抵抗高溫，并能承受高溫物理和化學(xué)作用的材料，稱(chēng)為耐火材料。

熱處理爐通常處于高溫作業(yè)，所以筑爐材料中以耐火材料最為重要，因此在設(shè)計(jì)、建造爐子時(shí)，合理地選用耐火材料對(duì)提高爐子壽命、降低成本、節(jié)約熱能都有重要的作用。一、熱處理爐對(duì)耐火材料的性能要求1.有足夠的耐火度

耐火度是耐火材料抵抗高溫作用的性能，指耐火材料受熱后軟化到一定程度時(shí)的溫度，但并不是它的熔點(diǎn)。根據(jù)耐火度的高低，耐火材料可分為普通耐火材料(耐火度為1580～1770℃)、高級(jí)耐火材料(耐火度為1770～2000℃)和特級(jí)耐火材料(耐火度大于2000℃)。2.有一定的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度用荷重軟化點(diǎn)來(lái)評(píng)定，荷重軟化點(diǎn)是指試樣(尺寸為?36×50mm)在一定壓力(0.2MPa)條件下，以一定的升溫速度加熱，測(cè)出試樣開(kāi)始變形(變形量為原試樣的0.6%)的溫度，此溫度就叫該耐火材料的荷重軟化開(kāi)始點(diǎn)。3.高溫化學(xué)穩(wěn)定性好

制造無(wú)罐滲碳?xì)夥諢崽幚頎t時(shí)，由于高碳?xì)夥諏?duì)普通耐火粘土磚有破壞作用，所以爐墻內(nèi)襯的耐火材料需用含F(xiàn)e2O3＜1%的耐火材磚(即抗?jié)B碳磚)。制造電極鹽浴爐時(shí)，由于熔鹽對(duì)耐火材料有沖刷作用，所以坩堝的耐火材料必須使用重質(zhì)耐火磚或耐火混凝土。電熱元件擱磚不得與電熱體發(fā)生化學(xué)作用，對(duì)鐵鉻鋁電熱體要用高鋁磚做擱磚。4.有良好的耐急冷急熱性

在熱處理爐工作過(guò)程中，耐火材料工作溫度會(huì)經(jīng)常急劇變化。例如，爐子的升溫、臺(tái)車(chē)式爐進(jìn)行正火作業(yè)時(shí)，工作溫度波動(dòng)都很大，若耐火材料沒(méi)有足夠抵抗溫度急劇變化的能力，就會(huì)過(guò)早地?fù)p壞。5.高溫下的體積穩(wěn)定性

耐火制品在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)，由于其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，體積會(huì)膨脹或收縮，這種體積的變化不同于一般的熱脹冷縮，是不可逆的，稱(chēng)為殘存膨脹或殘存收縮。耐火材料的這種體積變化過(guò)大會(huì)影響砌體強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成砌體倒塌。一般要求體積變化不超過(guò)0.5％～1%。二、熱處理爐常用的耐火材料及應(yīng)用熱處理爐常用的耐火材料有粘土磚、高鋁磚、耐火混凝土制品及各種耐火纖維等。耐火材料常制成重質(zhì)、輕質(zhì)和超輕質(zhì)耐火制品。1.粘土質(zhì)耐火材料(重質(zhì)磚)

粘土質(zhì)耐火材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Al2O330％～40%，SiO250％～60%，其他各種雜質(zhì)約占5％～7%。這種耐火材料制成磚，其密度和比重較大，故常叫做“重質(zhì)磚”，呈棕色或棕黃色。2.輕質(zhì)(輕質(zhì)磚)與超輕質(zhì)耐火材料

體積密度較小的耐火材料叫輕質(zhì)耐火材料。一般重質(zhì)粘土磚的密度為2.1～2.2g/cm3，重質(zhì)高鋁磚的密度為2.3～2.75g/cm3，而輕質(zhì)粘土磚的密度為0.4～1.3g/cm3，且呈黃色或淺黃色，密度不大于0.3g/cm3時(shí)則為超輕質(zhì)磚。3.高鋁質(zhì)耐火材料

高鋁質(zhì)耐火材料是Al2O3含量在48%以上的耐火制品，呈淺白色。高鋁質(zhì)耐火材料具有耐火度高、高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高、致密度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較粘土磚高。通常用于砌筑高溫爐內(nèi)襯、電熱元件的擱磚和套管等。4.剛玉制品

剛玉制品屬于高鋁質(zhì)耐火材料一類(lèi)，Al2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在85%以上，呈白色。它有很高的耐火度和高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。可用作電阻絲擱磚、電阻絲接線(xiàn)棒和熱電偶的套管、爐芯以及高溫爐的爐底板等。5.硅酸鋁耐火纖維

硅酸鋁耐火纖維是一種新型耐火隔熱材料，兼有耐火和隔熱材料的特點(diǎn)，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、比熱小、耐機(jī)械振動(dòng)等特點(diǎn)。同時(shí)它還是一種柔性材料，使用中可不考慮熱應(yīng)力的影響，并使設(shè)備具有隔熱性能好、升溫快、熱耗低等優(yōu)點(diǎn)。1)當(dāng)密度為0.10～0.25g/cm3時(shí)，其熱導(dǎo)率在400℃時(shí)的對(duì)應(yīng)值約為0.116～0.09W/(m·℃)，600℃時(shí)的對(duì)應(yīng)值約為0.12～0.10W/(m·℃)，700℃時(shí)的對(duì)應(yīng)值約為0.21～0.14W/(m·℃)，1000℃時(shí)的對(duì)應(yīng)值約為0.33～0.21W/(m·℃)。注意這里的密度與熱導(dǎo)率成反比，而其他的耐火材料及隔熱材料的密度與熱導(dǎo)率是成正比的。

2)耐火度約為1750～1790℃，最高使用溫度約為1100～1200℃。

3)高溫下發(fā)生收縮，1000℃收縮約為2%，1300℃收縮約為4%。當(dāng)使用它做隔熱材料時(shí)，可采用分層安裝和重疊接縫等辦法，以解決其收縮問(wèn)題。6.耐火混凝土

與耐火磚相比，耐火混凝土的優(yōu)點(diǎn)是：可在現(xiàn)場(chǎng)直接制造，取消了復(fù)雜的燒結(jié)工序；具有可塑性和整體性，有利于復(fù)雜制品的成型；較耐火磚砌爐及修爐的速度快，加強(qiáng)了爐體的整體性，壽命長(zhǎng)。熱處理爐常用耐火混凝土有如下幾種：

(1)鋁酸鹽耐火混凝土由礬土水泥(鋁酸鹽為主)或低鈣鋁酸鹽水泥(二鋁酸鈣為主)作為膠結(jié)劑的耐火混凝土，稱(chēng)為鋁酸鹽耐火混凝土。鋁酸鹽耐火混凝土具有快硬、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，但耐火度較低(＞1650～1730℃)，荷重軟化點(diǎn)1290～1300℃。其耐急冷急熱性＞25次，在常溫條件下硬化速度慢，早期強(qiáng)度低。

(2)磷酸鹽耐火混凝土以磷酸或磷酸鹽作為膠結(jié)劑的耐火混凝土，稱(chēng)為磷酸鹽耐火混凝土。磷酸鹽耐火混凝土較鋁酸鹽耐火混凝土開(kāi)裂傾向小，耐火度較高(＞1700～1800℃)，荷重軟化開(kāi)始點(diǎn)1300～1460℃，成本也較高。

(3)水玻璃耐火混凝土用水玻璃作為膠結(jié)劑的耐火混凝土，稱(chēng)為水玻璃耐火混凝土。它具有非常好的耐急冷急熱性，經(jīng)受850℃加熱，并在20℃水中急冷達(dá)60次以上，耐蝕性和耐磨性也很好，可做振底爐的爐底板等。使用溫度在600～1100℃范圍內(nèi)。能力知識(shí)點(diǎn)2隔熱材料工程上把熱導(dǎo)率小于0.23W/(m·℃)的材料稱(chēng)為隔熱材料。隔熱材料的主要性能特點(diǎn)是熱導(dǎo)率低、體積密度小、比熱小等。

要保持熱處理爐的工作溫度，就需要防止?fàn)t內(nèi)熱量的散失，為此，在砌筑熱處理爐時(shí)要在耐火層外砌筑或加一層保溫隔熱材料。

常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、礦渣棉、石棉以及珍珠巖制品等，它們可以制成型磚或以粉料使用。一、硅藻土硅藻土含二氧化硅74％～94%，呈灰色或粉紅色，可以制成型磚或以粉料使用，具有很好的保溫隔熱性能。二、蛭石俗稱(chēng)云母，易于剝成薄片，內(nèi)含水分，受熱后水分迅速蒸發(fā)而形成膨脹蛭石。體積密度及熱導(dǎo)率均很小，是一種良好的保溫材料。使用時(shí)可以直接將膨脹蛭石倒入爐殼與爐襯之間，也可以用高鋁水泥、水玻璃或?yàn)r青作結(jié)合劑制成各種形狀的制品。三、礦渣棉礦渣棉是將煤渣、高爐爐渣和某些礦石，在1250～1350℃熔化后，用壓縮空氣或蒸汽將其噴成長(zhǎng)為2～6mm、直徑為2～20μm的纖維狀即可使用。礦渣棉具有體積密度小、熱導(dǎo)率低、吸濕性小等特點(diǎn)。但當(dāng)堆積過(guò)厚或受振動(dòng)時(shí)易被壓實(shí)，體積密度增加，保溫隔熱能力下降。四、石棉石棉熔點(diǎn)為1500℃，但在700～800℃時(shí)就會(huì)變脆。為此，石棉長(zhǎng)期使用溫度應(yīng)在500℃以下，短時(shí)可以達(dá)到700℃。石棉制品主要有石棉粉、石棉板、石棉繩等。五、珍珠巖珍珠巖是一種超輕質(zhì)的保溫隔熱材料，以磷酸鹽、水玻璃、水泥為膠結(jié)劑，按一定比例配合，干燥燒結(jié)成型的制品。水泥膠結(jié)制品最高使用溫度為800℃。二、普通粘土磚粘土磚是用耐火度低于1350℃的低熔點(diǎn)粘土制造的，所含雜質(zhì)較多。使用溫度不超過(guò)750℃，耐急冷急熱性差。這種磚一般用于大、中型燃料爐的外墻，溫度低于750℃的煙道和煙囪。三、爐用耐熱金屬材料熱處理爐的爐底板、爐罐、坩堝、導(dǎo)軌、軸、輸送帶和料盤(pán)等，都是在高溫下工作的，均需要用耐熱鋼或者耐熱鑄鐵制造。常用耐熱鋼的牌號(hào)及允許工作溫度：Cr3Si(600~750℃)，4Cr9Si2(800~850℃)，1Cr13、2Cr13、Cr13Si3、Cr20Si3(850~1000℃)，Cr17Mn13N(950~1000℃)，Cr24Al2Si、Cr25Si2、3Cr18Ni25Si2、Cr23Ni18(950~1050℃)，Cr17Al4Si、Cr25Ni12、Cr15Ni35(1000~1100℃)。模塊二傳熱學(xué)基礎(chǔ)只要存在溫度差異，總會(huì)發(fā)生熱從較高物體向較低物體的傳遞。熱處理生產(chǎn)中存在著各種各樣的傳熱問(wèn)題，但歸納起來(lái)有兩種類(lèi)型：一類(lèi)是增強(qiáng)傳熱，解決如何把燃料或電能產(chǎn)生的熱量有效地傳遞給工件；另一類(lèi)是削弱傳熱，如用爐墻降低爐子散熱損失的作用。傳熱是通過(guò)微觀粒子的振動(dòng)(溫度不同的各部分物質(zhì)的微觀粒子的振動(dòng)動(dòng)能不一樣)并通過(guò)彼此的接觸和相互的碰撞來(lái)傳遞熱能的。在各種傳熱中，傳熱的基本方式或單純的傳熱有三種，它們分別是傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射，兩種以上的傳熱為綜合傳熱，其特點(diǎn)簡(jiǎn)介見(jiàn)表1-5。能力知識(shí)點(diǎn)1傳熱的基本方式一、傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射

1.傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是指熱量直接由物體的一部分傳至另一部分，或由一物體直接傳至與其相接觸的物體，而沒(méi)有宏觀的質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的傳熱現(xiàn)象。例如，將金屬棒一端加熱，另一端用手拿著，過(guò)一會(huì)就會(huì)感到熱，這就是發(fā)生了傳導(dǎo)。

傳導(dǎo)現(xiàn)象在固體、液體和氣體中都可以發(fā)生。

在氣體中間，傳導(dǎo)通過(guò)氣體分子或原子的彼此碰撞進(jìn)行；在液體和不導(dǎo)電的固體中，傳導(dǎo)通過(guò)彈性波的作用進(jìn)行；在金屬中傳導(dǎo)通過(guò)彈性波的作用和自由電子的擴(kuò)散而進(jìn)行。2.對(duì)流

對(duì)流是指由流體內(nèi)溫度不同的各部分相互混合的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞的現(xiàn)象，對(duì)流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。3.輻射

物體的輻射是由于原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程引起的。由于這些過(guò)程，受熱物體將部分熱能轉(zhuǎn)變成為輻射能，以電磁波形式向外放射，當(dāng)它投射到另一物體時(shí)，便部分地被吸收轉(zhuǎn)變成熱能。因此，這種傳熱方式不僅進(jìn)行熱量的交換，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。從熱能到輻射能或者反過(guò)來(lái)從輻射能到熱能，輻射不需要冷熱物體直接接觸，便可把高溫物體的熱能傳給低溫物體。例如，太陽(yáng)的熱量可以通過(guò)高度真空的太空輻射到地球表面上。

輻射在中溫、特別是在高溫爐的熱交換傳熱中起主要傳熱作用。二、傳熱過(guò)程分析在熱處理爐中，每種傳熱方式并非單獨(dú)存在，絕大多數(shù)情況下，往往是兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)，例如，爐墻表面向車(chē)間散熱，除了墻面向車(chē)間輻射外，還存在著對(duì)流傳熱。

通常某一物體將熱量傳至另一物體的過(guò)程，稱(chēng)為傳熱過(guò)程。而傳熱量不隨時(shí)間變化的過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定傳熱過(guò)程。

經(jīng)驗(yàn)表明：在穩(wěn)定傳熱情況下，通過(guò)平壁的傳熱量正比于平壁兩側(cè)冷、熱物體的溫度差，正比于傳熱面積以及給定的傳熱時(shí)間，即單位時(shí)間的傳熱量稱(chēng)為熱流量，以Φ表示，則單位時(shí)間、單位面積的傳熱量稱(chēng)為比熱流量，以q表示，則能力知識(shí)點(diǎn)2爐墻的穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱熱處理爐在恒溫操作階段或是在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作中，爐墻的傳熱是一個(gè)穩(wěn)定態(tài)的傳導(dǎo)傳熱過(guò)程。減少爐墻的傳導(dǎo)傳熱是使?fàn)t子保溫并減少熱損失的重要措施。通過(guò)分析和計(jì)算，可以得知影響其傳熱量的因素和節(jié)能方法。一、溫度場(chǎng)物體在加熱或冷卻的過(guò)程中，各點(diǎn)的溫度是不同的。即使對(duì)同一點(diǎn)來(lái)講，其溫度也可能隨時(shí)間而變化。這種在某一瞬間，物體中溫度分布的情況叫做溫度場(chǎng)。它可以用空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù)來(lái)表達(dá)，溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如果物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變，那么這種溫度場(chǎng)是不穩(wěn)定溫度場(chǎng)；物體內(nèi)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)就是穩(wěn)定溫度場(chǎng)。如果爐墻傳熱是單方向的且又不隨時(shí)間變化，這就是單向的穩(wěn)定態(tài)傳熱。通常我們研究的溫度場(chǎng)為單向的穩(wěn)定態(tài)傳熱。

單向穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：對(duì)單向穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱，其溫度梯度就是沿x方向溫度的變化率，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：在穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱中由于物體各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，故溫度梯度亦不隨時(shí)間而變。三、傅里葉定律傅里葉定律是傳導(dǎo)傳熱的基本定律。傅里葉定律表明在單位時(shí)間內(nèi)，所傳導(dǎo)的熱流量與溫度梯度和垂直于熱流量方向的截面積成正比，方向沿著溫度降落的方向。對(duì)單向穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱來(lái)說(shuō)，傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：四、熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的數(shù)值是當(dāng)物體內(nèi)部溫度梯度為1℃/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)、單位面積的傳熱量，單位是W/(m·℃)。

各種材料的熱導(dǎo)率各有不同，它們都可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。同一種材料的熱導(dǎo)率也不是一定不變的，特別是溫度對(duì)其的影響最大，實(shí)驗(yàn)中可以得到材料0℃時(shí)的熱導(dǎo)率，記為λ0，同樣可以測(cè)得某一溫度下材料的熱導(dǎo)率，從而算出導(dǎo)熱溫度系數(shù)β，因此某溫度下材料的熱導(dǎo)率實(shí)際計(jì)算中，熱導(dǎo)率是取物體平均溫度下的數(shù)值，例如，物體兩端的溫度為t1和t2，其平均熱導(dǎo)率為：式中，t均=(t1+t2)/2。

氣體的熱導(dǎo)率約在0.006～0.6W/(m·℃)范圍內(nèi)；液體的熱導(dǎo)率一般在0.007～0.7W/(m·℃)之間；金屬的熱導(dǎo)率很大，約在2.2～420W/(m·℃)的范圍內(nèi)變化。

各種隔熱材料的熱導(dǎo)率很小，它們與氣體的熱導(dǎo)率相當(dāng)，約在0.03～0.25W/(m·℃)之間，而各種耐火材料熱導(dǎo)率約在0.3～3.0W/(m·℃)范圍內(nèi)變化。五、爐墻的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算1.單層爐墻的穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算

如圖1-1所示為一單層爐墻，若壁厚為δ，面積為S，爐墻兩外側(cè)面溫度均勻，且分別為t1和t2，在t1～t2溫度之間材料的平均熱導(dǎo)率為λ。因?yàn)樵摖t墻圖1-1單層爐墻的傳導(dǎo)傳熱由單一材料砌成且爐墻兩側(cè)溫度恒定，傳熱僅沿爐墻厚度方向(x軸方向)進(jìn)行，故其傳導(dǎo)傳熱屬于單向穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱。從爐墻中劃出一單元薄層，其厚度為dx，溫度差為dt。根據(jù)傅里葉公式可得出溫度差為dt。根據(jù)傅里葉公式可得出分離變量后得在單向穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱中，Φ及q都是定值，故對(duì)上式進(jìn)行積分可得整理后得2.雙層及多層爐墻的傳導(dǎo)傳熱

常見(jiàn)的爐墻結(jié)構(gòu)是雙層和多層爐墻，如熱處理爐的爐襯就是由耐火材料和保溫材料組成的兩層或三層爐墻。設(shè)有一個(gè)包含兩層，層與層之間緊密相連，其間沒(méi)有間隙的爐墻，如圖1-2所示，厚度各為δ1和δ2，熱導(dǎo)率各為λ1和λ2，兩外表面的溫度為t1和t3，而兩層交界處的溫度為t2。在穩(wěn)定態(tài)傳導(dǎo)傳熱的情況下，熱流量是常數(shù)，而且對(duì)于任何一層來(lái)說(shuō)都是相同的，因此每一層的熱流量公式為：從以上方程式可導(dǎo)出每層溫度的變化將上兩式相加就是雙層爐墻的總的溫度差(t1－t3)，即由此可得到熱流量Φ和比熱流量q從公式(1-2)可以看出多層爐墻的總熱阻等于各層傳導(dǎo)熱阻的總和。

對(duì)于兩層爐墻，其交界處的溫度可由公式(1-1)導(dǎo)出:能力知識(shí)點(diǎn)3對(duì)流傳熱一、基本概念流體和固體壁之間的傳熱過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流傳熱，例如車(chē)間中的空氣對(duì)熱處理爐爐壁的冷卻作用，煤氣的火焰對(duì)爐膛和工件的加熱等都是對(duì)流傳熱過(guò)程。

整個(gè)對(duì)流過(guò)程包含兩個(gè)方面的作用：一是流體的質(zhì)點(diǎn)的不斷運(yùn)動(dòng)，把熱量由一處傳到另一處；另一個(gè)的作用是固體壁與流體之間以及流體內(nèi)部存在的溫差而進(jìn)行的導(dǎo)熱作用，它們是同時(shí)進(jìn)行的。流體運(yùn)動(dòng)的特征按其產(chǎn)生原因有自然流動(dòng)和強(qiáng)制流動(dòng)；按其流動(dòng)性質(zhì)有層流和渦流(紊流)。1.自然流動(dòng)和強(qiáng)制流動(dòng)

由于流體內(nèi)部各部分溫度不同所造成的密度差異而引起的流動(dòng)，稱(chēng)為自然流動(dòng)。在自然流動(dòng)情況下所進(jìn)行的對(duì)流傳熱，稱(chēng)為自然對(duì)流傳熱。

凡受外力作用，如鼓風(fēng)機(jī)、泵、空氣壓縮機(jī)或攪拌器等的作用而發(fā)生的流動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。流體在強(qiáng)制對(duì)流情況下進(jìn)行的傳熱，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流傳熱。自然對(duì)流時(shí)，流體流動(dòng)速度一般很小，故自然對(duì)流傳熱進(jìn)行的強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于強(qiáng)制對(duì)流傳熱。2.層流和渦流

在層流流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)只作彼此平行的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而不相互干擾，如圖1-3a所示。在渦流流動(dòng)時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)不僅沿前進(jìn)方向流動(dòng)，而且還向各個(gè)方向作很不規(guī)則的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖1-3b所示。二、影響對(duì)流傳熱的因素對(duì)流傳熱所傳遞的熱量可由下式計(jì)算：與傳導(dǎo)傳熱比較，對(duì)流傳熱要復(fù)雜得多，影響其傳熱系數(shù)的因素也很多，如流體運(yùn)動(dòng)的特征、流體的物理性質(zhì)、流體與固體接觸表面的幾何形狀、放置的位置等。

能力知識(shí)點(diǎn)4輻射傳熱一、物體對(duì)輻射能的吸收、反射和透過(guò)物體放射的電磁波按其波長(zhǎng)的不同，可分為X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電波。其中可見(jiàn)光(波長(zhǎng)0.40～0.8μm)和紅外線(xiàn)(波長(zhǎng)0.8～40μm)能被物體吸收，并使輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，這兩種射線(xiàn)常叫熱射線(xiàn)。熱射線(xiàn)的物理本質(zhì)與可見(jiàn)光相同，當(dāng)熱射線(xiàn)投射到物體上時(shí)，其中一部分被該物體所吸收，一部分被反射，另一部分則透過(guò)物體，如圖1-4所示。設(shè)投射到物體上的輻射能為Q，其中QA被吸收，QR被反射，QD被透過(guò)。則用Q除上式兩端，則有如果A=1，即所有落在該物體上的輻射能完全被該物體所吸收，這一類(lèi)的物體叫做絕對(duì)黑體，或簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。

如果R=1，即所有落在該物體上的輻射能完全被該物體反射出去，這種物體叫白體，或者叫“鏡體”。

如果D=1，即所有落在該物體上的輻射能完全被該物體透過(guò)去，這種物體叫做透明體二、熱輻射的基本定律1.黑體的單色輻射力與溫度和波長(zhǎng)的關(guān)系——普朗克定律

普朗克定律確定了黑體的單色輻射力Ebλ與熱力學(xué)溫度T和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：2.黑體的全輻射力——輻射的四次方定律

工程計(jì)算時(shí)計(jì)算的是黑體的全輻射力，而不是黑體的單色輻射力。

黑體每單位表面積，在單位時(shí)間內(nèi)向半球空間輻射出去的波長(zhǎng)從0～∞范圍內(nèi)的總能量稱(chēng)為黑體的全輻射力(簡(jiǎn)稱(chēng)黑體的輻射力)，用符號(hào)Eb表示，單位是W/m2。只要對(duì)黑體的單色輻射力Ebλ按波長(zhǎng)從0～∞進(jìn)行積分，就可以得到黑體的全輻射力Eb。3.灰體的輻射力

(1)灰體概念之一(吸收率角度)自然界物質(zhì)當(dāng)中沒(méi)有絕對(duì)的黑體(A=1的物體叫黑體)，自然界物體的吸收率A總是小于1，因此將A＜1的物體叫“灰體”。

(2)灰體概念之二(輻射率角度)一切物體的輻射能力E都小于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力Eb。若物體在任何溫度下的輻射力E都等于同溫度下絕對(duì)黑體輻射力Eb乘以同一系數(shù)(輻射率ε)，這種物體就叫做理想灰體，簡(jiǎn)稱(chēng)灰體。系數(shù)ε叫做物體的“黑度”或“輻射率”，表達(dá)式為：(2)灰體概念之二(輻射率角度)一切物體的輻射能力E都小于同溫度下絕對(duì)黑體的輻射力Eb。若物體在任何溫度下的輻射力E都等于同溫度下絕對(duì)黑體輻射力Eb乘以同一系數(shù)(輻射率ε)，這種物體就叫做理想灰體，簡(jiǎn)稱(chēng)灰體。系數(shù)ε叫做物體的“黑度”或“輻射率”，表達(dá)式為：灰體的輻射率ε與其吸收率A的關(guān)系是：灰體的輻射能力恒等于該灰體所吸收的輻射能；換算成比率就是，灰體的輻射率恒等于其吸收率，即ε=A＜1。一般工程材料的輻射都或多或少地與理想灰體有些偏差，但在工程計(jì)算時(shí)，為方便起見(jiàn)，都把它們看做灰體來(lái)進(jìn)行計(jì)算。一些工程材料的黑度值及適用范圍見(jiàn)表1-6。。三、兩個(gè)物體間的輻射熱交換1.角度系數(shù)從熱源輻射出的熱量，不一定全部直接投射到受熱體上。受熱體得到的輻射能占總輻射能的分量，就叫做角度系數(shù)，用φ來(lái)表示。

具體地說(shuō)，如果第一個(gè)物體的總輻射能為E1，其中有E12的輻射能被第二個(gè)物體所吸收，第一個(gè)物體對(duì)第二個(gè)物體的角度系數(shù)為φ12，即角度系數(shù)是一個(gè)幾何量，它與溫度和黑度等無(wú)關(guān)，而取決于兩個(gè)輻射面的形狀、大小和相互位置。(1)兩個(gè)相距很近的大平面如圖1-7a所示，第一個(gè)大平面的輻射能全部投射在第二個(gè)大平面上了，反之亦然，第二個(gè)大平面的輻射能亦能全部投射在第一個(gè)大平面上。即E1=E12，E2=E21。2.兩個(gè)物體之間的輻射熱交換

如上所述，兩個(gè)物體之間的輻射熱交換決定于它們的溫度、黑度和角度系數(shù)等。

首先研究最簡(jiǎn)單情況下的熱交換。設(shè)兩個(gè)互相平行的黑體大平面，表面的溫度分別為T(mén)1和T2，并且T1＞T2，如圖1-8所示。表面1輻射出去的能量Eb1全部投射到2面上，并且全部被吸收。因?yàn)門(mén)1＞T2，1面?zhèn)鹘o2面的熱量較多，故最終結(jié)果是2面獲得熱量，其值等于兩平面所輻射出的熱量之差，即如果兩個(gè)面都是灰體，那么情況就復(fù)雜多了，從任一表面所輻射出的能量雖然全部投到另一表面上，但只有一部分被吸收，另一部分則被反射。此時(shí)，圖1-8兩個(gè)相互平行的絕對(duì)

黑體平面的熱交換被反射的那部分再次被部分吸收和反射?；殷w的熱交換過(guò)程就是這樣一個(gè)多次吸收和反射的復(fù)雜過(guò)程。兩個(gè)相互平行的灰體大平面的輻射熱交換的計(jì)算公式可以歸納為：如果考慮角度系數(shù)的話(huà)，則放熱面1給受熱面2的輻射熱量為：此時(shí)的C導(dǎo)為：四、有隔板存在時(shí)的輻射熱交換

當(dāng)需要減少輻射熱量時(shí)，可在受熱表面與熱源之間放置一些隔板，例如金屬薄片，這種措施稱(chēng)為輻射隔熱。用于快速加熱和冷卻的真空爐的爐襯，就是采用拋光的不銹鋼板做的隔熱屏。設(shè)有兩個(gè)大平板Ⅰ和Ⅱ，在兩個(gè)平板之間插入金屬隔板Ⅲ，如圖1-10所示。它們的面積相等為S，它們的溫度分別為T(mén)1、T2和T3，并且T1＞T3＞T2，它們的輻射系數(shù)分別為C1、C2和C3，并且C1=C2=C3=C導(dǎo)。

平板Ⅰ傳給隔板的熱量為：隔板傳給平板Ⅱ的熱量為：當(dāng)傳熱體系達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí),Φ13=Φ32=Ф12,所以將式(1-9)代入式(1-7)或式(1-8)，則得：而沒(méi)有加隔板時(shí)，平板Ⅰ傳給平板Ⅱ的熱量為：能力知識(shí)點(diǎn)5綜合傳熱一、對(duì)流和輻射同時(shí)存在的傳熱當(dāng)流體經(jīng)過(guò)一個(gè)固體表面時(shí)，不僅有對(duì)流換熱，同時(shí)還伴有輻射換熱，因而總的傳熱量二、對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)同時(shí)存在的傳熱通常我們研究的加熱爐爐墻的傳熱是分三個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。較熱的氣體以輻射加對(duì)流的方式把熱量傳給與其相接觸的爐墻面，然后以傳導(dǎo)的方式把熱量由此面?zhèn)鞯搅硪幻?，再以輻射加?duì)流的方式把熱量傳給較冷的車(chē)間。

假若爐墻厚為δ，其熱導(dǎo)率為λ，爐墻兩側(cè)的氣體溫度各為t1和t2，并且t1＞t2，爐墻表面的溫度各為t′1和t′2，則溫度較高的氣體以對(duì)流和輻射的形式傳給爐墻內(nèi)表面的熱量為：此表面以傳導(dǎo)方式傳給爐墻外表面的熱量為：爐墻外表面以輻射和對(duì)流的方式傳給溫度較低車(chē)間的熱量為：因?yàn)槭欠€(wěn)定態(tài)傳熱，所以將上述三式相加并整理后即得:對(duì)于爐墻，爐墻內(nèi)表面處的綜合傳熱系數(shù)KΣ較大，其熱阻1/KΣ較小，可忽略不計(jì)，故公式寫(xiě)成：第二單元

周期作業(yè)電阻爐電阻爐是最主要的、應(yīng)用最廣的熱處理設(shè)備，它突出的優(yōu)點(diǎn)有：

1)控溫的精度和自動(dòng)化程度很高，準(zhǔn)確度可達(dá)1～5℃；

2)爐溫均勻性好，波動(dòng)范圍小，可控制在3～5℃；

3)熱效率高，可達(dá)45%～80%(煤氣爐＜25%)；

4)便于采用可控氣氛；

5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，便于組成流水線(xiàn)生產(chǎn)；

6)其生產(chǎn)和熱處理工藝的機(jī)械化、自動(dòng)化、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量高，勞動(dòng)條件好，對(duì)環(huán)境污染較小。

箱式電阻爐、井式電阻爐、井式氣體滲碳爐的性能及應(yīng)用特點(diǎn)見(jiàn)表0-1。模塊一箱式電阻爐能力知識(shí)點(diǎn)1高溫箱式電阻爐高溫箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。這種爐子一般以碳化硅棒為電熱元件，最高工作溫度為1350℃。碳化硅棒垂直布置在爐膛兩側(cè)，極少布置于爐頂和爐底。高溫箱式電阻爐的爐襯比較厚，通常有三層：用高鋁質(zhì)耐火材料砌的耐火層；用保溫磚砌的中間層；外層則為保溫填料，也可以在耐火層和保溫層之間夾以硅酸鋁耐火纖維。爐底板采用碳化硅制品。目前還有用高溫電阻合金做電熱元件的高溫箱式電阻爐，額定溫度一般可達(dá)1200℃。其最高使用溫度雖略低于非金屬(碳化硅)加熱元件的高溫電阻爐，但功率和爐膛尺寸較大，可以熱處理較大尺寸的工件。該種高溫箱式電阻爐的技術(shù)規(guī)格及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1。目前生產(chǎn)的這類(lèi)高溫箱式電阻爐，配置爐罐、滴注式保護(hù)氣氛，可實(shí)現(xiàn)少氧化或無(wú)氧化、無(wú)脫碳加熱。能力知識(shí)點(diǎn)2

中溫箱式電阻爐及

少無(wú)氧化箱式電阻爐一、中溫箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)及技術(shù)規(guī)格這種爐子的外形及結(jié)構(gòu)如圖2-2和圖2-3所示。RX系列中溫箱式電阻爐型號(hào)及技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2-2。爐襯采用密度不超過(guò)1.0g/cm3的輕質(zhì)耐火粘土磚砌成，保溫層采用珍珠巖保溫磚并填以蛭石粉、膨脹珍珠巖顆粒等材料。還有在耐火層和保溫層間夾以硅酸鋁耐火纖維作為爐襯，采用這種新的爐襯材料，可以使?fàn)t襯變薄、重量減輕、爐襯蓄熱量減少、熱損失減少、降低爐子空載功率并縮短升溫時(shí)間。電熱元件布置于爐底、爐側(cè)和爐門(mén)處。較大的爐子采用溫度分區(qū)控制，增進(jìn)溫度均勻性，還可設(shè)置風(fēng)扇，以加快傳熱速度。爐底電熱元件上方敷蓋耐熱鋼制爐底板，其材料以鉻錳氮居多。二、少無(wú)氧化箱式電阻爐1.少無(wú)氧化中溫箱式電阻爐

表2-2中所列RX系列的爐子，工件是在氧化性氣氛中加熱的，若在該系列型號(hào)末尾加符號(hào)Q，如RX-35-9Q，則為無(wú)罐滴注式中溫箱式電阻爐(圖2-4)，即向爐內(nèi)滴入可裂解的液體(如甲醇)，使工件少無(wú)氧化、無(wú)脫碳熱處理。還有在氮?dú)狻錃饣驓鍤猸h(huán)境下使用的箱式保護(hù)氣氛電阻爐(圖2-5)，可供金屬件熱處理或硬質(zhì)材料在高溫下燒結(jié)之用，特殊的結(jié)構(gòu)使加熱鋼件表面不脫碳、不氧化、淬火后表面光亮潔凈。2.少無(wú)氧化箱式回火爐

爐襯采用全纖維結(jié)構(gòu)，電熱元件為輻射管。爐內(nèi)安有氣流循環(huán)風(fēng)扇、氣氛導(dǎo)流裝置。

該爐最高工作溫度750℃，采用氮?dú)?99.90%～99.95%)作保護(hù)氣氛，主要用于齒輪等在中性氣氛中退火和回火。三、中溫箱式爐的改進(jìn)爐型1.滾動(dòng)底式爐

圖2-6為滾動(dòng)底式爐結(jié)構(gòu)圖，在這種爐子的爐底上有數(shù)條耐熱鋼軌道，在軌道上放耐熱鋼制滾球或滾輪，滾球或滾輪上放爐底板或工件。為便于裝爐或出爐，爐門(mén)外設(shè)有帶滾球結(jié)構(gòu)的裝料臺(tái)，裝料臺(tái)可供幾個(gè)爐子使用。滾動(dòng)底式爐適用于熱鍛模的正火、退火及回火。其他較重的工件用該設(shè)備熱處理有利于工人的操作和工藝的順利進(jìn)行。2.臺(tái)車(chē)式爐

RT系列臺(tái)車(chē)式爐的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，其型號(hào)和技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2-3。電熱元件布置在爐內(nèi)四周及爐底，臺(tái)車(chē)與爐底砌體間有彎曲狹長(zhǎng)縫隙。臺(tái)車(chē)上裝有電器聯(lián)鎖裝置，當(dāng)爐門(mén)升高或關(guān)閉到一定位置時(shí)即可進(jìn)出。在爐膛尾端裝有與臺(tái)車(chē)拖動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖的撞塊，以限制臺(tái)車(chē)的行程。爐內(nèi)裝有風(fēng)扇，使得傳熱速度加快，爐溫更均勻，并可進(jìn)行回火。臺(tái)車(chē)式爐比滾動(dòng)底式爐更有利于工藝的操作，能熱處理更大的工件，熱處理的質(zhì)量也更好。模塊二井式電阻爐井式電阻爐一般用于長(zhǎng)形工件的加熱，使用吊車(chē)非常容易將工件裝出爐，長(zhǎng)形工件在井式爐里加熱的變形較小。爐膛截面多為圓形，由于爐體較高，一般置于地坑中，只露出地面600～700mm。對(duì)于爐膛較深的井式電阻爐，為使?fàn)t溫均勻，可分幾個(gè)加熱區(qū)，各區(qū)溫度分別控制。由于井式爐密封性較好、散熱面積小，因此熱效率較高(高于箱式電阻爐)。

井式電阻爐按使用溫度來(lái)分有高溫爐、中溫爐和低溫爐，常用井式電阻爐技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-4。能力知識(shí)點(diǎn)1中溫井式電阻爐中溫井式電阻爐的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，其額定溫度為950℃。金屬電熱元件布置在爐膛內(nèi)表面上，爐底一般不布置電熱元件。中小型爐子采用整體爐蓋，大型爐子多采用對(duì)分式爐蓋。爐蓋可用電動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)升降、打開(kāi)及關(guān)閉，并裝有限位開(kāi)關(guān)，以控制爐蓋升降行程和開(kāi)閉行程。能力知識(shí)點(diǎn)2低溫井式電阻爐低溫井式電阻爐又名井式回火爐，其外形如圖2-9所示，結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-4。圖2-9低溫井式電阻爐根據(jù)低溫傳熱的特點(diǎn)，該爐爐蓋上安裝有風(fēng)扇，爐膛中有一由不銹鋼板焊接的裝料筐，爐蓋升降有電動(dòng)和液壓機(jī)構(gòu)。此種爐子爐溫均勻，操作方便，生產(chǎn)率高，但使用時(shí)應(yīng)注意工件的合理堆放，以保證爐氣的合理流動(dòng)。電熱元件多放置在電熱隔板上，也有將電熱元件吊掛在爐壁側(cè)，這樣有利于爐內(nèi)熱氣體與金屬電熱元件之間的熱交換，又可以減少爐內(nèi)熱氣體流動(dòng)的阻力，能進(jìn)一步提高爐子的工作性能。能力知識(shí)點(diǎn)3井式化學(xué)熱處理電阻爐一、井式氣體滲碳爐井式氣體滲碳爐爐體結(jié)構(gòu)與一般井式電阻爐相似，它是在井式電阻爐的爐膛中安裝有一個(gè)滲碳罐。滲碳罐與爐蓋緊密接觸而形成一個(gè)密封空間，在其中進(jìn)行滲碳。在滲碳溫度下，爐罐內(nèi)可保持滲碳所需要的氣氛和壓力。爐蓋上裝有風(fēng)扇，風(fēng)扇使得滲碳?xì)夥赵诠迌?nèi)按一定的途徑進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。圖2-11是RQ型井式氣體滲碳爐的結(jié)構(gòu)圖，爐罐和料筐由鎳鉻耐熱鋼板焊接而成。氣體滲碳爐的密封要求很高，為防止冷空氣的吸入或爐氣的外溢，爐蓋與爐罐周邊多采用石棉盤(pán)根密封，再用螺栓緊固，也有加砂封結(jié)構(gòu)，新型專(zhuān)利產(chǎn)品是取消壓緊螺栓，采用斜面壓緊專(zhuān)利結(jié)構(gòu)，如圖2-12所示，操作更方便。風(fēng)扇軸與爐內(nèi)相通，要防止?fàn)t氣的溢出并保證爐氣的壓力就要保證風(fēng)扇軸與爐蓋的密封。如圖2-13所示的是活塞環(huán)式密封裝置，圖2-13風(fēng)扇軸活塞環(huán)式密封裝置除了有石墨盤(pán)根外(盤(pán)根處再涂以二硫化鉬高溫潤(rùn)滑劑以阻止?fàn)t氣的溢出)，還加有冷水套，防止風(fēng)扇軸受熱高溫變形。滲碳廢氣火苗短且外緣呈淡藍(lán)色、有透明感時(shí)，表明滲碳劑供量不足或爐子漏氣。正常火苗高約250mm，爐壓約240～340Pa.RQ3系列井式氣體滲碳爐的技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-5，大型井式氣體滲碳爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-6。二、井式氣體滲氮爐井式氣體滲氮爐的爐體結(jié)構(gòu)與井式滲碳爐相似，最高工作溫度低于650℃，屬于低溫爐。滲氮罐常采用不銹鋼焊接而成，不宜用低碳鋼焊接，因?yàn)榈吞间摪逡妆粷B氮，產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。而且對(duì)氨分解起催化作用，增加氨氣的消耗量，且使氨分解不穩(wěn)定，甚至失去控制而無(wú)法進(jìn)行滲氮。使用鎳鐵合金焊接的滲氮罐，可以解決滲氮脆性層的問(wèn)題，以滿(mǎn)足重要特殊零件高力學(xué)性能的需要。模塊三非標(biāo)電阻爐設(shè)計(jì)了解了電阻爐的結(jié)構(gòu)之后，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)的原始資料進(jìn)行電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了，包括爐膛尺寸的確定、爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、功率確定、電熱元件設(shè)計(jì)及安裝。能力知識(shí)點(diǎn)1電阻爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、爐膛尺寸的確定爐膛尺寸的確定取決于熱處理零件的形狀、尺寸、熱處理工藝要求、裝料方式、操作方法、生產(chǎn)率等因素。

1.箱式電阻爐爐膛尺寸的確定

(1)爐膛底部的長(zhǎng)度和寬度爐膛底部的長(zhǎng)度和寬度有以下兩種計(jì)算方法：

1)排料法。在采用排料法時(shí)，通常把用于布料的面積稱(chēng)為有效面積S效，布料區(qū)的長(zhǎng)度為l，布料區(qū)的寬度為b。為防止裝出爐時(shí)碰撞電熱元件并保證工件溫度均勻，工件與電熱元件、爐膛前壁、后壁之間應(yīng)保持一定距離，一般為0.1～0.15m，小型爐子取上限數(shù)值。故實(shí)際排料時(shí)，爐膛實(shí)際長(zhǎng)度L與寬度B分別為：2)計(jì)算法。爐底的有效面積S效可按爐子的生產(chǎn)率與所選定的熱處理爐的單位爐底面積生產(chǎn)率來(lái)確定，后者可查閱表2-7。而爐子的實(shí)際爐底面積S實(shí)，可由式(2-1)求出。(2)爐膛高度一般來(lái)說(shuō)，高、中溫電阻爐的爐膛高度比低溫爐高；周期作業(yè)的退火爐和滲碳爐的爐膛應(yīng)高一些。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，爐膛高度H與爐膛寬度B之比多在0.5～0.9范圍內(nèi)變動(dòng)，目前則多取中、下限數(shù)值，即H/B為0.6～0.7左右。2.井式電阻爐爐膛尺寸的確定

井式電阻爐爐膛尺寸通常按工件和夾具的實(shí)際尺寸來(lái)布置確定，即按照排料法，工件之間的距離一般小于其直徑或厚度，工件至電熱元件的距離應(yīng)保持0.1～0.2m，距爐口磚下沿和爐底0.15～0.25m二、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)爐體包括爐底、爐墻、爐頂、爐門(mén)和爐殼。

1.爐底

爐底承受著工件、墻和爐頂?shù)膲毫?。一般箱式、井式電阻爐爐底結(jié)構(gòu)是在爐殼的底板上用硅藻土磚側(cè)砌成方格子，然后在方格子中填充散狀的蛭石粉或珍珠巖后，再平鋪1～2層硅藻土磚，之后再鋪一層輕質(zhì)粘土磚，其上砌筑支撐爐底或?qū)к壍闹刭|(zhì)粘土磚和爐底電熱元件擱磚。爐底磚縫(灰縫)應(yīng)小于3mm。2.爐墻

中、低溫電阻爐的爐墻一般為二層，內(nèi)層為耐火層，外層為絕熱層，耐火層由輕質(zhì)耐火粘土磚砌成，絕熱層由硅藻土磚、蛭石粉或珍珠巖組成。高溫電阻爐爐墻結(jié)構(gòu)為三層，內(nèi)層由重質(zhì)耐火粘土磚或高鋁磚砌成，中層為過(guò)渡層，一般也用輕質(zhì)耐火粘土磚砌成，外層采用硅藻土磚砌筑。爐墻磚縫(灰縫)應(yīng)小于2mm。當(dāng)爐子工作溫度低于500℃時(shí)，爐襯只有絕熱層，爐殼由內(nèi)外層鋼板焊成，鋼板層間填充保溫材料作保溫層。

爐墻砌體應(yīng)有適當(dāng)?shù)暮穸龋员ＷC必要的強(qiáng)度和保持爐溫的能力，盡量減少蓄熱和散熱損失，尺寸可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，也可通過(guò)傳熱學(xué)公式計(jì)算得到。另外，還應(yīng)注意硅酸鋁耐火纖維的使用。3.爐頂

箱式電阻爐爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式有兩種：即拱頂和平頂，一般電阻爐爐頂結(jié)構(gòu)形式為拱頂，而爐寬大于4m的電阻爐常采用吊裝平頂，爐膛寬度很小的爐子(如15kW箱式電阻爐)則采用整磚平頂。4.爐門(mén)部分

爐門(mén)部分包括爐門(mén)孔、爐門(mén)和爐門(mén)框。爐門(mén)孔的截面尺寸應(yīng)小于爐膛截面尺寸，以減少散熱損失并保護(hù)電熱元件。爐門(mén)孔的磚砌體經(jīng)常受到工件摩擦撞擊，故多采用密度較大的重質(zhì)耐火磚砌筑。5.爐殼

爐殼常由3～5mm鋼板焊接而成，對(duì)可控氣氛熱處理爐必須連續(xù)焊接，焊后用煤油檢漏。

構(gòu)架及爐殼焊后應(yīng)內(nèi)外噴涂防銹漆，外層再刷銀粉，以增加美觀和防銹能力，并減少輻射熱損失。能力知識(shí)點(diǎn)2

電阻爐功率的確定及電熱元件接線(xiàn)電阻爐功率的確定方法有兩種：理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。理論計(jì)算法是利用熱平衡方程式來(lái)計(jì)算確定爐子功率的；經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法是用爐膛的容積來(lái)確定爐子功率的，相比理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法更簡(jiǎn)便迅速。電阻爐功率的確定方法有兩種：理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。理論計(jì)算法是利用熱平衡方程式來(lái)計(jì)算確定爐子功率的；經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法是用爐膛的容積來(lái)確定爐子功率的，相比理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法更簡(jiǎn)便迅速。一、電阻爐功率的理論計(jì)算法理論計(jì)算法的原理是爐子總功率(熱量收入)應(yīng)等于熱量支出的總和。

1.熱量支出項(xiàng)目

1)加熱金屬工件的有效熱Φ效。

2)爐襯散失的熱量Φ襯。

3)爐墻積蓄的熱量Φ蓄。

4)通過(guò)爐門(mén)和縫隙溢出熱氣損失的熱量Φ溢。

5)爐門(mén)和縫隙輻射出的熱量Φ輻。

6)爐內(nèi)工夾具、支架等所消耗的熱量Φ夾。

7)加熱可控氣氛所需的熱量Φ控。8)其他熱損失Φ其他，指爐膛中某些金屬構(gòu)件通過(guò)爐襯所造成的熱損失，如電熱元件引出棒、熱電偶管以及機(jī)械構(gòu)件、爐罐等所造成的熱損失(通常也叫做熱短路熱損失Φ短)以及其他難以估計(jì)的熱損失，一般為上述總熱損失的1.1～1.3倍。

熱量支出的總和Φ總為：2.確定功率

將Φ總換算成功率P：式中K——安全系數(shù)，考慮到電壓波動(dòng)、電熱元件老化、強(qiáng)化加熱制度以及其他難以估計(jì)的情況，一般周期作業(yè)爐K=1.2～1.5，連續(xù)作業(yè)爐K=1.2～1.3。

在電阻爐設(shè)計(jì)中，有兩項(xiàng)重要指標(biāo)可檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和使用的效果，即爐子效率η、爐子空載熱損失Φ空載。二、電阻爐功率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法1.類(lèi)比法

類(lèi)比法是與同類(lèi)爐子相比較的方法，即將所設(shè)計(jì)的爐子的爐膛尺寸、砌體的材料和尺寸、生產(chǎn)率及熱處理工藝等技術(shù)條件與相類(lèi)似的爐子進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)的換算和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而確定新?tīng)t子的功率。類(lèi)比法除了可直接確定爐子的功率外，還是校驗(yàn)理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法所得功率正確性的有效方法。2.按爐膛容積確定功率

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，普通箱式電阻爐和井式電阻爐的爐膛容積V和功率P之間的關(guān)系如圖2-14所示，圖中斜線(xiàn)1～2、2～3、3～4、4～5分別對(duì)應(yīng)1200℃、1000℃、700℃、400℃爐溫與爐膛容積、功率之間的關(guān)系。三、爐子功率分配和電熱元件接線(xiàn)1.功率的分配

為使?fàn)t子溫度均勻并滿(mǎn)足熱處理工藝的需要，爐子功率應(yīng)合理分布。

(1)箱式、臺(tái)車(chē)式電阻爐爐膛長(zhǎng)度不超過(guò)1m的小型箱式爐，可將功率平均分布。功率小于100kW的不必分段布置功率，但可在溫度較低或需要加大功率處，將電熱元件排得密些。較大型箱式及臺(tái)車(chē)式爐，應(yīng)在爐門(mén)上布置一定電熱元件，新型箱式爐后墻亦安裝了電熱元件。在爐口一端約占爐膛長(zhǎng)度13～14處加大平均功率的15%～25%左右，在加大功率處也可將電熱元件排布得密些。(2)井式電阻爐井式電阻爐電熱元件一般只布置在爐內(nèi)壁四周，爐底一般不布置電熱元件。為使溫度均勻，在爐膛深度方向上，應(yīng)采取功率相同的數(shù)個(gè)加熱區(qū)，每區(qū)的高度約略等于爐膛的直徑。當(dāng)爐子功率確定后，應(yīng)驗(yàn)算爐墻內(nèi)壁的單位表面積功率。一般控制在15～30kW/m2之間，輕質(zhì)耐火磚應(yīng)比重質(zhì)耐火磚低些。分區(qū)控制的井式爐，靠近爐口和爐底處的數(shù)值可高些。

(3)連續(xù)式作業(yè)電阻爐應(yīng)根據(jù)工件加熱的要求，計(jì)算出爐內(nèi)加熱、保溫等各段功率，但爐子兩端的進(jìn)出料段應(yīng)各加大平均功率的20%左右。2.電阻爐的接線(xiàn)

我國(guó)供電系統(tǒng)中大多采用線(xiàn)電壓為380V的三相供電電壓。

決定爐子接線(xiàn)時(shí)，必須同時(shí)考慮功率、電壓、相數(shù)等量。

當(dāng)爐子功率小于25kW時(shí)，采用220V串聯(lián)或380V串聯(lián)聯(lián)結(jié)。

當(dāng)爐子功率為25～75kW時(shí)，采用三相380V星形聯(lián)結(jié)或三相220V三角形聯(lián)結(jié)。

當(dāng)爐子功率大于75kW時(shí)，可將電熱元件分成兩組或兩組以上的三相380V星形聯(lián)結(jié)或三相220V三角形聯(lián)結(jié)，每組功率以30～75kW為宜，即每相功率在10～25kW之間。這樣，可使每一電熱元件的功率不至于過(guò)大，便于調(diào)節(jié)爐溫并保持其均勻性，而且電熱元件的尺寸也比較合適，便于布置安裝。能力知識(shí)點(diǎn)3

電熱元件的材料選擇、計(jì)算與安裝一、電熱元件材料應(yīng)具有的性能(1)高的耐熱性和高溫強(qiáng)度電熱元件的工作溫度應(yīng)比爐膛溫度高100～200℃，電熱元件在此高溫條件下工作，應(yīng)具有高的耐熱性和高溫強(qiáng)度，即在高溫長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)不氧化、不變形、不熔化、不倒塌。(2)高的電阻率在電熱元件端電壓一定，爐子的功率一定時(shí)，電熱元件的電阻率ρ越大，所使用電熱元件的長(zhǎng)度就會(huì)越短，這樣既能節(jié)約材料又便于安裝。(3)小的電阻溫度系數(shù)電熱元件從不工作時(shí)的室溫到工作時(shí)的高溫，其電阻率是不同的，也就是說(shuō)電熱元件的電阻率會(huì)隨溫度的變化而變化，因而在不同溫度下?tīng)t子的功率也會(huì)不同。選擇電阻溫度系數(shù)小的電熱元件，可保持比較穩(wěn)定的功率。電熱元件電阻值隨溫度變化的規(guī)律，可用式(2-2)來(lái)表示：(4)較小的熱膨脹系數(shù)電熱元件的熱膨脹系數(shù)不能太大，而且在設(shè)計(jì)安裝電熱元件時(shí)，應(yīng)留有一定的膨脹余量。

(5)良好的加工性加工性指電熱元件的成型能力和可焊接的能力。

(6)抵抗不良?xì)夥涨治g的能力電熱元件應(yīng)能抵抗各種爐氣以及爐襯發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，例如用于可控氣氛爐的電熱元件必須具有抵抗?fàn)t內(nèi)氣氛侵蝕的能力，在這種情況下帶狀電熱元件性能優(yōu)于線(xiàn)狀電熱元件。

(7)低成本。二、常用電熱元件的材料及其性能常用電熱元件的材料包括金屬材料和非金屬材料兩大類(lèi)，它們具有不同的性能和用途。

1.金屬電熱元件

金屬電熱元件材料可分為合金類(lèi)鐵鉻鋁系、鎳鉻系及高熔點(diǎn)金屬三類(lèi)。2.非金屬電熱元件

非金屬電熱元件主要有以下三類(lèi)：

(1)碳化硅電熱元件碳化硅電熱元件的主要成分為SiC，元件形狀為棒狀，故稱(chēng)為硅碳棒。硅碳棒易與氫氣和水蒸汽發(fā)生反應(yīng)而顯著縮短其使用壽命，因此，當(dāng)爐內(nèi)含有水分時(shí)，升溫中應(yīng)打開(kāi)爐門(mén)，使水分充分排出。硅碳棒材質(zhì)脆，強(qiáng)度低，易斷裂，安裝使用過(guò)程中要特別注意。(2)二硅化鉬電熱元件二硅化鉬電熱元件的主要原料是硅粉和鉬粉，用粉末冶金方法燒結(jié)壓制而成。二硅化鉬棒的電阻溫度系數(shù)很大，為了保證爐子功率不變，應(yīng)配備變壓器。

(3)碳系電熱元件石墨、碳粒和各種碳制品都屬于碳系電熱元件，碳系電熱元件在高溫時(shí)工作極易氧化，故一般用于中性氣氛和真空爐內(nèi)。石墨電熱元件應(yīng)用最廣，可應(yīng)用于爐溫為1400～2500℃的高溫爐。石墨熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大，抗熱性好，一般制成管狀和帶狀使用。三、電熱元件的表面負(fù)荷率電熱元件的表面負(fù)荷率是指電熱元件單位表面積上所發(fā)出的電功率，單位為kW/m2，以英文字母W表示。

電熱元件的表面負(fù)荷率越高，發(fā)出的熱量就越多，元件本身的溫度就越高，其所用元件材料的數(shù)量就越少。但表面負(fù)荷率過(guò)高，電熱元件會(huì)因溫度過(guò)高，氧化加速而縮短使用壽命，甚至產(chǎn)生變形、倒塌、熔化。因此，在計(jì)算電熱元件尺寸時(shí)，表面負(fù)荷率應(yīng)有一個(gè)允許的數(shù)值，稱(chēng)為允許表面負(fù)荷率W允。W允的確定與元件的材料、工作溫度、散熱條件等因素有關(guān)。元件的材質(zhì)不同，其W允也不同，如圖2-15所示。元件工作的溫度越高，W允的數(shù)值應(yīng)選的越低，0Cr25Al5在1300℃工作時(shí)W允的下限數(shù)值為5～7kW/m2。元件的散熱條件越好，則W允的數(shù)值可選的越高。四、電熱元件的計(jì)算在電熱元件的計(jì)算中，常用的是合金電熱元件的計(jì)算，下面僅介紹合金電熱元件的計(jì)算。

1.電熱元件尺寸的公式計(jì)算法

設(shè)某電阻爐有n個(gè)電熱元件，爐子的安裝功率為P安(kW)，則每個(gè)電熱元件的功率為：假設(shè)電熱元件的端電壓為U，則可求出其在工作溫度下的電阻值Rt：Rt又可表示為式中l(wèi)——電熱元件截面周長(zhǎng)(mm)。

整理后可得：2.電熱元件尺寸的圖表計(jì)算法

除了公式計(jì)算法外，電熱元件的尺寸亦可以用圖表計(jì)算法求得。圖2-16是0Cr25Al5線(xiàn)狀電熱元件的計(jì)算圖表，適用于各種常用的電阻爐及?1.5～7mm的電熱元件。現(xiàn)舉例說(shuō)明該圖的用法。六、電熱元件的安裝1.電熱元件的安裝方式

電熱元件的安裝方式應(yīng)有利于提高爐子的加熱能力，元件的使用壽命并便于爐子的操作和電熱元件的維修。圖2-18線(xiàn)狀電熱元件在爐內(nèi)的安裝方式

a)側(cè)墻安裝法b)爐底安裝法c)爐頂安裝法線(xiàn)狀和帶狀電熱元件在爐內(nèi)的安裝方式分別如圖2-18和圖2-19所示。2.電熱元件引出端的結(jié)構(gòu)

金屬電熱元件通過(guò)引出棒穿過(guò)爐墻引出，引出棒的材料一般為不銹鋼，其與電熱元件端部焊接在一起。由于引出棒散熱條件較差，為防止引出棒溫度過(guò)高，其截面積應(yīng)為元件截面積的三倍以上。電熱元件引出端應(yīng)與金屬殼絕緣。另外，應(yīng)保證爐體密封和拆裝方便。常用的結(jié)構(gòu)方式如圖2-20所3.電熱元件的焊接

電熱元件之間、電熱元件與引出棒之間采用直接焊接連接。鐵鉻鋁合金焊接性較差，焊接時(shí)易形成不易消除的粗大晶粒，因此，要快速焊接，以限制受熱范圍及過(guò)熱程度，一般采用電弧焊，最好采用氬弧焊。鎳鉻合金的焊接性能好，可采用電弧焊或氧乙炔焊，焊接時(shí)所用焊條應(yīng)與電熱元件材料相同，但對(duì)鐵鉻鋁合金元件，爐溫低于950℃時(shí)，可用鎳鉻合金焊條。電熱元件與引出棒的焊接與引出棒的材料有關(guān)：當(dāng)采用不銹鋼材料的引出棒時(shí)，線(xiàn)狀鐵鉻鋁元件與引出棒一般采用鉆孔焊，圖2-22線(xiàn)狀元件(鎳鉻、鐵鉻鋁)

與低碳鋼引出棒的焊接也可采用銑槽焊；帶狀鐵鉻鋁元件與引出棒之間的焊接一般采用銑槽焊，線(xiàn)狀及帶狀鎳鉻元件與引出棒多采用搭焊。為保證焊接區(qū)電熱元件強(qiáng)度，搭焊時(shí)端部應(yīng)留有5～10mm的不焊接區(qū)；采用低碳鋼與引出棒焊接時(shí)如圖2-22所示。模塊四電阻爐的節(jié)能綜合以上章節(jié)所述，電阻爐節(jié)能可主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1)盡可能的使用耐火纖維作爐襯，耐火纖維可用在爐膛內(nèi)表面、爐體的外表面和爐襯材料的內(nèi)部，耐火纖維的使用見(jiàn)表2-14。

2)爐襯內(nèi)壁上及工件表面噴涂高紅外輻射率(黑度)的涂料，以強(qiáng)化內(nèi)壁的吸收以及輻射性能和工件吸收內(nèi)壁輻射的能力，縮短爐子和工件的升溫時(shí)間，一般可節(jié)能5%～10%。3)爐子外殼噴涂銀灰色油漆或刷銀粉，通過(guò)爐殼表面向空間的散熱量可下降約22%。爐殼內(nèi)壁襯一層薄石棉板，既可吸收耐火材料散發(fā)出來(lái)的水蒸氣、避免爐殼內(nèi)壁發(fā)生銹蝕，又可降低熱損失。

4)電阻爐內(nèi)安裝強(qiáng)輻射元件，如圖2-23所示，這種結(jié)構(gòu)既提高了爐子內(nèi)壁的輻射面積，又提高了輻射率，可提高16%～36%。5)在電阻絲布置允許的條件下，盡量降低箱式電阻爐爐膛高度，縮短空爐升溫時(shí)間，提高工件加熱速度。

6)加強(qiáng)爐子密封，1cm2小孔的熱損失比爐殼表面的熱損失大50倍左右，大孔可大到100倍以上。因井式電阻爐的密封性大于箱式電阻爐，故其熱效率也高于箱式電阻爐。

7)用圓形爐膛比箱式爐膛的爐外壁表面積、散熱量、溫度及能耗均降低約7%左右，有一定的節(jié)能作用。另外，圓形爐膛可強(qiáng)化爐膛對(duì)工件均勻傳熱效果，不加風(fēng)扇時(shí)溫度均勻性可達(dá)±5℃，加風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)時(shí)溫度均勻性可達(dá)±1.5℃。8)盡量加裝風(fēng)扇，以加強(qiáng)爐氣的對(duì)流傳熱，特別是化學(xué)熱處理爐。

9)盡可能使用高質(zhì)量的耐熱鋼制作的尺寸小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的工裝夾具。

10)采用比例控制使?fàn)t溫與設(shè)定點(diǎn)較好地吻合，可及時(shí)根據(jù)爐況調(diào)整熱負(fù)荷而節(jié)能。例如，圖2-24所示為二位式控制狀態(tài)，爐子溫度和供電總在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)，造成誤差和電能損失，特別是工件較多時(shí)會(huì)使控制滯后、波動(dòng)更大。

11)采用晶閘管、固態(tài)繼電器、磁性調(diào)壓器等先進(jìn)的控制技術(shù)。12)其他方面，如爐門(mén)上安裝電熱元件，采用輻射管加熱元件，實(shí)施熱裝爐及提高爐溫進(jìn)行快速加熱，爐底不與地基接觸。在爐膛頂部、爐底板下部布置電熱元件，達(dá)到上下兩面均勻加熱等。第三單元

熱處理浴爐熱處理浴爐的加熱介質(zhì)為液態(tài)物質(zhì)，浴爐的幾種不同結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示，電阻加熱浴爐與電極鹽浴爐性能比較見(jiàn)緒論中表0-1。與電阻爐比較，熱處理浴爐突出的優(yōu)點(diǎn)有：工件的氧化脫碳少(工件加熱始終處在鹽浴中，出爐時(shí)表面附有一層鹽膜，有效地防止了工件的氧化和脫碳)；高溫加熱性能好；加熱速度快(工件在密度大的熔鹽等介質(zhì)內(nèi)以較強(qiáng)對(duì)流和傳導(dǎo)方式進(jìn)行加熱，加熱速度約為空氣加熱爐的2～5倍)；可對(duì)工件進(jìn)行局部加熱；爐溫均勻性較好(電極鹽浴爐有電磁力的攪拌作用)，熱容量大使得溫度的波動(dòng)小，易實(shí)現(xiàn)恒溫加熱；可進(jìn)行滲碳、滲硼、滲金屬、滲硫等化學(xué)熱處理；它不僅加熱性能好，而且目前還是熱處理工藝中等溫淬火及分級(jí)淬火的唯一常規(guī)冷卻設(shè)備，也可以作為緩冷設(shè)備進(jìn)行小型工件的等溫退火、球化退火、索氏體等溫處理。熱處理浴爐的種類(lèi)很多，其中以電極鹽浴爐效果最好，應(yīng)用也最為廣泛，因此電極鹽浴的性能、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)是本單元介紹的主要內(nèi)容，埋入式電極鹽浴爐外形如圖3-2所示。電極鹽浴爐的主要缺點(diǎn)有：爐膛尺寸小，高溫爐主要處理小型工件；爐體壽命低，需經(jīng)常修爐；工件表面殘鹽(特別對(duì)于硝鹽)需清理，鹽蒸氣及殘鹽對(duì)環(huán)境有污染；需定期脫氧和撈渣(需消耗SiO2、TiO2、硼砂、木炭等脫氧劑或校正劑)等。模塊一熱處理浴爐的分類(lèi)及電阻加熱浴爐能力知識(shí)點(diǎn)1熱處理浴爐的分類(lèi)一、按熱源分類(lèi)按熱源,熱處理浴爐可劃分為燃料爐和電爐兩大類(lèi)。電爐又可分為電阻加熱浴爐和電極加熱浴爐兩種。二、按工作溫度分類(lèi)按工作溫度，熱處理浴爐可分為低溫爐(工作溫度150～550℃)、中溫爐(工作溫度550～1000℃)和高溫爐(工作溫度1000～1350℃)三類(lèi)。三、按加熱方式分類(lèi)按加熱方式，熱處理浴爐可劃分為外熱式浴爐和內(nèi)熱式浴爐兩大類(lèi)。內(nèi)熱式又分為電阻加熱式和電極加熱式，在各種熱處理浴爐分類(lèi)中，以?xún)?nèi)熱式電極加熱浴爐(即電極鹽浴爐)應(yīng)用最廣。四、按浴劑種類(lèi)分類(lèi)按浴劑種類(lèi)，熱處理浴爐可劃分為鹽浴爐、堿浴爐、油浴爐和鉛浴爐等。能力知識(shí)點(diǎn)2電阻加熱浴爐電阻加熱浴爐用電熱元件加熱浴劑，多為低溫爐和中溫爐，根據(jù)電熱元件安裝和加熱方式，電阻加熱浴爐可分為內(nèi)熱式和外熱式兩類(lèi)。內(nèi)熱式與外熱式相比具有爐膛尺寸范圍大，溫度均勻性好，可自行設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但外熱式可直接購(gòu)買(mǎi)。電阻加熱浴爐是回火、等溫淬火、分級(jí)淬火、等溫退火、球化退火熱處理的主要設(shè)備。一、外熱式電阻加熱浴爐外熱式電阻加熱浴爐的基本結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，它主要由爐體、坩堝和爐罩組成。坩堝4支撐在爐面板上，上口安有兩扇可旋開(kāi)的半圓爐蓋3，爐膛底部一側(cè)有一開(kāi)口，供清掃和坩堝破裂時(shí)浴液流出用，平時(shí)應(yīng)用硬紙板等堵塞，以防冷空氣侵入爐膛中。爐罩2支持在爐蓋上，爐前操作口處安有兩扇爐門(mén)，或懸掛一排鐵索以防鹽液飛濺傷人。因浴渣沉積坩堝底部，不利于導(dǎo)熱，故電熱元件僅布置在坩堝四周，不布置在坩堝下方，以免燒毀坩堝。這類(lèi)浴爐的尺寸一般較小，抽風(fēng)效果好，適于進(jìn)行液體滲硫、滲氮等化學(xué)熱處理操作，也可用作等溫淬火槽以及回火爐等，另外起動(dòng)比較容易，適于間歇操作。

坩堝雖然采用耐熱鋼材料，但使用壽命較低，坩堝內(nèi)外溫差較大，可達(dá)100～150℃，因此使用受到一定的限制，使用溫度低于850℃(最高工作溫度為850℃)。二、內(nèi)熱式電阻加熱浴爐內(nèi)熱式電阻加熱浴爐利用管狀電熱元件浸入浴劑中加熱，故又稱(chēng)為管狀電熱元件加熱的內(nèi)熱式浴爐，其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。

管狀電熱元件通常是在金屬管內(nèi)裝入金屬電熱絲，并用絕緣的導(dǎo)熱性較好的耐火材料(如結(jié)晶氧化鎂)填充，制成直形、U形和W形等，如圖3-5所示。根據(jù)使用條件不同，金屬管可采用低碳鋼管和耐熱鋼管，但也有端部作成插頭或插座形式，或用軟電纜直接引出的。這種爐子的優(yōu)點(diǎn)是：因管狀電熱元件可在坩堝內(nèi)任意布置，故坩堝尺寸不受限制；爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，坩堝壽命較長(zhǎng)；電熱元件維修和更換方便；常用硝酸鹽、堿類(lèi)和油類(lèi)作浴劑，加熱和冷卻都較快。它主要用于回火、等溫淬火等低溫加熱和冷卻，工作溫度為120～550℃。模塊二電極鹽浴爐能力知識(shí)點(diǎn)1電極鹽浴爐的工作原理及特點(diǎn)一、具有優(yōu)異的高溫加熱性能電極鹽浴爐用某些鹽類(lèi)作為浴劑，電源電壓經(jīng)鹽浴爐變壓器降壓后，經(jīng)電極，流經(jīng)熔鹽形成電流回路。由于流經(jīng)熔鹽的電流很大，使得熔鹽作為發(fā)熱體而產(chǎn)生很大的熱量，工件得以加熱，電極鹽浴爐的高溫加熱性能明顯優(yōu)于其他加熱爐。二、加熱速度快，爐溫均勻性好在電極鹽浴爐的坩堝內(nèi)，熔鹽作定向運(yùn)動(dòng)，這有利于鹽液溫度的均勻并提高加熱速度。熔鹽定向運(yùn)動(dòng)的原因是交流電通過(guò)電極和電極間熔鹽時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁力，驅(qū)使熔鹽在電極附近作定向運(yùn)動(dòng)。如圖3-6所示，當(dāng)電流通過(guò)電極時(shí)，電極周?chē)a(chǎn)生了很強(qiáng)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)、電流與熔鹽導(dǎo)體的受力方向互相垂直，兩電極間任一位置的熔鹽均受一向下的力而向下運(yùn)動(dòng)，上部的熔鹽必然隨之補(bǔ)充。能力知識(shí)點(diǎn)2插入式電極鹽浴爐插入式電極鹽浴爐的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。

插入式電極鹽浴爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，砌筑方便，電極更換容易，電極間距可隨意調(diào)節(jié)(有利于調(diào)整爐子輸出功率)。其主要缺點(diǎn)是電極占據(jù)坩堝較大空間，使坩堝有效空間和利用率大為減小，還增加了熱能損失，坩堝內(nèi)熔鹽溫度也不均勻，遠(yuǎn)離電極處的熔鹽溫度偏低，電極對(duì)面爐底的鹽不易熔化而形成固態(tài)鹽斜坡。此外，處在液面處的電極易受到空氣和鹽蒸氣氧化腐蝕，出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，使壽命降低，如圖3-8所示。能力知識(shí)點(diǎn)3埋入式電極鹽浴爐埋入式電極鹽浴爐的結(jié)構(gòu)如圖3-9和圖3-10所示。插入式、埋入式電極鹽浴爐的工作原理相同，所不同的是埋入式電極鹽浴爐較插入式電極鹽浴爐提高了工作電壓。插入式鹽浴爐電壓為5.5～17.4V，而埋入式電極鹽浴爐的工作電壓為14～36V，再就是埋入式電極鹽浴爐的電極幾乎都安設(shè)在坩堝的側(cè)壁內(nèi)，只有一個(gè)面與鹽浴接觸。1)爐膛容積有效利用率高，生產(chǎn)量大，耗電量小。因?yàn)槁袢胧诫姌O鹽浴爐沒(méi)有插入式電極鹽浴爐那三分之一無(wú)用的熔鹽表面及散熱面積，故裝爐量可提高約20%～30%，耗電量也可節(jié)約20%～30%。

2)爐溫均勻，加熱質(zhì)量好。插入式電極鹽浴爐的爐溫，一般最大可在同一水平截面上溫差達(dá)10～15℃，深度方向的溫差達(dá)15～25℃。盡管埋入式電極鹽浴爐熔鹽的強(qiáng)迫循環(huán)不如插入式電極鹽浴爐好，但由于電極位于爐膛下部的側(cè)壁，靠下部的熔鹽導(dǎo)電發(fā)熱，有利于自然對(duì)流，且工件一般位于電極區(qū)以上加熱，不會(huì)因電流通過(guò)工件而引起過(guò)熱。因此，埋入式電極鹽浴爐的爐溫均勻性較好，一般在深度方向的溫差在10℃以?xún)?nèi)，在同一水平截面上溫差則更小。3)電極不與空氣接觸，使用壽命較長(zhǎng)。

4)操作方便，由于爐膛中沒(méi)有電極引出柄，故工件裝、出爐方便。埋入式電極鹽浴爐啟動(dòng)時(shí)，是先從下部逐漸向上熔化的，所以散熱損失少。啟動(dòng)快，且爐底平整，撈渣方便。

5)埋入式電極鹽浴爐的缺點(diǎn)是：電極與坩堝固為一體，制造維修困難，不能像插入式電極鹽浴爐那樣單獨(dú)調(diào)換電極或坩堝；側(cè)埋式電極鹽浴爐的金屬電極與耐火材料膨脹系數(shù)不同，易漏鹽、短路等。。一、側(cè)埋式電極鹽浴爐側(cè)埋式電極鹽浴爐的主要特點(diǎn)是：電極為直條狀，電極由爐后側(cè)壁埋入。為防止漏鹽，電極引出柄處有水冷裝置。其電極布置方式如圖3-9所示。

表3-3是根據(jù)我國(guó)《新系列埋入式電極鹽浴爐主要參數(shù)》制造的DM型直條狀的電極鹽浴爐的技術(shù)規(guī)格。二、頂埋式電極鹽浴爐的電極形狀及布置頂埋式電極鹽浴爐的主要特點(diǎn)是：電極不加水冷套，電極不穿過(guò)爐體，電極結(jié)構(gòu)和坩堝結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。頂埋式電極布置如圖3-10所示，表3-4是根據(jù)我國(guó)《新系列埋入式電極鹽浴爐主要參數(shù)》制造的RDM系列塊狀的電極鹽浴爐的技術(shù)規(guī)格。模塊三電極鹽浴爐的設(shè)計(jì)能力知識(shí)點(diǎn)1電極鹽浴爐爐膛尺寸及功率的確定一、爐膛尺寸的確定爐膛尺寸與熔鹽體積、工件的形狀、尺寸、一次裝爐量以及工件在爐膛內(nèi)的放置位置有關(guān)，可參考圖3-11所示的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。二、電極鹽浴爐功率的確定電極鹽浴爐所需功率可由熱平衡計(jì)算得到，但計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，實(shí)際設(shè)計(jì)中多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。鹽浴爐所需功率與熔鹽的體積存在一定的關(guān)系，即：鹽浴爐的生產(chǎn)率(G1/τ)見(jiàn)表10-2所示。

電極鹽浴爐單位體積熔鹽所需功率p0可由表3-6查出。此表對(duì)插入式電極鹽浴爐較適合，對(duì)埋入式電極鹽浴爐，常采用大一級(jí)別的功率，或相應(yīng)乘上系數(shù)1.3～1.5。能力知識(shí)點(diǎn)2電極鹽浴爐爐體結(jié)構(gòu)及電極設(shè)計(jì)一、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電極鹽浴爐的爐體結(jié)構(gòu)由耐火材料坩堝、爐膽、保溫層、爐殼等組成，插入式、埋入式電極鹽浴爐爐體結(jié)構(gòu)如圖3-7和圖3-12所示。1.耐火材料坩堝

(1)耐火材料坩堝的種類(lèi)耐火材料坩堝有兩種，即磚砌坩堝和耐火混凝土坩堝。

1)磚砌坩堝：中溫爐一般采用耐火粘土磚進(jìn)行砌筑，高溫爐采用高鋁磚進(jìn)行砌筑，磚型為標(biāo)準(zhǔn)磚或異型磚。標(biāo)準(zhǔn)型磚砌的坩堝一般分立砌與平砌兩種，立砌雖然較麻煩，但比平砌好，爐面不易鼓起。修砌時(shí)磚縫要錯(cuò)開(kāi)，磚縫尺寸為1mm左右。中溫爐可采用水玻璃與耐火土調(diào)和的泥漿。高溫爐可采用磷酸耐火泥漿。其配比為：高鋁細(xì)粉100%，濃度為85%的工業(yè)磷酸16%～18%，水20%～40%。2)耐火混凝土坩堝：中溫爐采用礬土水泥耐火混凝土搗制，高溫爐可采用磷酸鹽耐火混凝土搗制。耐火混凝土坩堝的搗制過(guò)程如下：

根據(jù)坩堝的形狀尺寸制造筑爐用的模芯，模芯應(yīng)有拔模斜度和較大的圓角。為便于脫模，模芯表面可涂一層潤(rùn)滑脂，再蓋厚紙。對(duì)側(cè)埋式電極，電極與混凝土接觸面間應(yīng)留有膨脹縫，其方法是在電極表面包幾層厚紙。當(dāng)坩堝底部厚度達(dá)到要求后，即可將模芯、電極放入爐膽中分層進(jìn)行搗實(shí)。成型時(shí)每層料的厚度以150～200mm為宜，避免形成明顯的分層界面，以使坩堝成為一個(gè)完整的整體。然后分段150℃、350℃、600℃、800℃升溫烘爐并保溫，對(duì)應(yīng)升溫速度15～50℃/h。(2)坩堝的厚度坩堝的厚度與爐子的工作溫度和所用耐火材料的種類(lèi)有關(guān)，如表3-7所示。2.爐膽

鹽浴爐工作時(shí)，坩堝易因熱脹冷縮而開(kāi)裂，故常用爐膽圍護(hù)加固，也可防止鹽液外漏。爐膽用6～12mm的鋼板焊接而成。大型的高溫爐爐膽四周還要包焊角鋼進(jìn)行加固。對(duì)側(cè)埋式電極鹽浴爐，爐膽后壁應(yīng)留有電極引出孔，孔的尺寸每邊應(yīng)較電極大10mm，以防電極與爐膽接觸而短路。二孔之間應(yīng)割縫5mm以上，然后再用非磁性不銹鋼板補(bǔ)焊，如圖3-13所示，以減少爐膽上的渦流磁滯損失。爐膽上應(yīng)焊有吊耳，以便吊裝。爐膽連接處應(yīng)連續(xù)焊接。3.隔熱層

爐膽與爐殼之間為隔熱層，在爐殼底部先側(cè)砌一層硅藻土磚格，然后在磚格中填滿(mǎn)蛭石粉。在磚格上面再平砌一層硅藻土磚，在其上按設(shè)計(jì)要求安置好爐膽和坩堝，然后在爐膽和爐殼之間用硅藻土磚和蛭石粉填充。但要注意，在安裝電極的部位不得有蛭石粉填充而應(yīng)采用硅藻土磚砌筑。4.爐殼

爐殼由爐架和鋼板組成。先根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣的要求，用角鋼焊成爐架。爐架的內(nèi)側(cè)應(yīng)為一平面，在爐架底部及四周焊上鋼板即得到爐殼。爐底鋼板承受的負(fù)荷較大，一般用5～8mm厚的鋼板，四周鋼板的厚度為3～4mm。側(cè)埋式鹽浴爐后側(cè)的鋼板較厚，并可做成可拆式。爐殼底部連有兩段工字鋼或槽鋼，高度為50～80mm，它起到支撐爐體的作用并防止?fàn)t體直接對(duì)地面的傳熱。二、電極鹽浴爐的電極設(shè)計(jì)1.電極的材料與制造

常用的電極材料有低碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、石墨等。由于低碳鋼價(jià)格較低，故實(shí)際上大多采用低碳鋼電極，在硝鹽爐中常用不銹鋼電極，高溫埋入式電極鹽浴爐有時(shí)用耐熱鋼或石墨柄接頭電極。形狀簡(jiǎn)單的電極一般經(jīng)鍛打成形，形狀復(fù)雜的電極需經(jīng)高質(zhì)量焊接而成，電極截面有圓形、方形和長(zhǎng)方形。電極柄大多用低碳鋼制造，電極柄一端應(yīng)與電極焊接為一整體，接觸面要完全焊透。另一端應(yīng)加工成平面，其面積應(yīng)大于電極柄截面。電極柄應(yīng)盡量焊在電極端面的中央部位，以減小電極翹曲和各部電位差。對(duì)側(cè)面引出的電極，電極柄上要設(shè)置水冷套以防鹽液沿電極向爐外滲漏，同時(shí)有冷卻電極的作用。電極柄的水冷結(jié)構(gòu)如圖3-14所示。2.電極的布置與參數(shù)確定

(1)插入式電極鹽浴爐的電極參數(shù)確定電極截面尺寸及布置如下：

1)電極截面尺寸可由表3-8選取。2)側(cè)置式電極間距一般為50～100mm。側(cè)置式電極的間距越大，電極在鹽浴里上端與下端的電壓值和電流值相差的就越大。要使鹽浴上下溫度均勻，側(cè)置式電極的間距就不能取3)為保證熔鹽的循環(huán)流動(dòng)并防止因氧化皮沉積而引起極間短路，電極下端至坩堝底的距離一般為50～100mm，深井式鹽浴爐可達(dá)150mm以上。(2)埋入式電極鹽浴爐電極參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法確定該法所依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

單相直條狀電極間距等于爐膛寬度，一般為250～300mm；馬蹄形和角形電極端部間距一般為65～120mm；三角形塊狀電極端部間距為65～130mm。電極至坩堝底的距離一般為50～80mm，常比插入式浴爐略小一些，以降低坩堝高度。電極高度確定時(shí)，一般單相直條狀為80～130mm；單相馬蹄形和角形電極為110～130mm；三相塊狀電極為110～200mm。能力知識(shí)點(diǎn)3變壓器的選擇及匯流排尺寸的確定一、變壓器的選擇1.變壓器容量的確定

變壓器額定容量與鹽浴爐功率有一定的關(guān)系，為保證鹽浴爐能正常工作，一般認(rèn)為該關(guān)系如下：2.變壓器的選擇

常用的鹽浴爐變壓器有空氣變壓器、雙水內(nèi)冷變壓器、磁性調(diào)壓器和油浸式帶電抗器的變壓器等。

(1)插入式鹽浴爐的變壓器插入式電極鹽浴爐常用空氣變壓器，即ZUDG系列和ZUSG系列(型號(hào)含義是：ZU—鹽浴電阻；D—單相；S—三相；G—干式，數(shù)字表示容量及一次電壓序號(hào))，其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-9。ZUDG系列和ZUSG系列的變壓器冷卻效果好，絕緣可靠，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，運(yùn)行安全，并且可過(guò)負(fù)荷使用，但一般不能超過(guò)額定容量的40%，每8h內(nèi)的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不能大于1.5h，有的采用強(qiáng)制通風(fēng)冷卻或超聲波冷卻，可進(jìn)一步提高效率；主要缺點(diǎn)是調(diào)壓級(jí)數(shù)較少，不易精確控制溫度，而且調(diào)級(jí)時(shí)要斷電，故爐溫易波動(dòng)，對(duì)刀具、刃具等產(chǎn)品不能保證質(zhì)量。埋入式電極鹽浴爐采用此種變壓器時(shí)，輸出功率常發(fā)現(xiàn)偏低，將其二次繞組改接，可以提高二次電壓。(2)埋入式電極鹽浴爐的變壓器埋入式電極鹽浴爐常用的變壓器如下：

1)將ZUDG及ZUSG兩系列變壓器繞組改接，即可用于埋入式電極鹽浴爐。ZUDG系列變壓器繞組的改接方法：該變壓器原有兩個(gè)并聯(lián)的二次繞組，若將其改為串聯(lián)，即可將輸出電壓提高一倍，即由5.4～17.3V提高到10.8～34.6V，見(jiàn)表3-10。二次繞組串聯(lián)時(shí)要注意它們的極性。判斷方法是將兩個(gè)二次繞組的任意兩端用導(dǎo)線(xiàn)相聯(lián)，變壓器一次側(cè)接通后，測(cè)兩個(gè)二次繞組另兩端間的電壓，若電壓表有指示并大于10V，則證明接法正確；如果將與電壓表相聯(lián)的兩端用銅排與電極相聯(lián)，同時(shí)用銅排聯(lián)好二次繞組的另兩端，若電壓表指示為零，則說(shuō)明接法不對(duì)。2)采用新系列埋入式電極鹽浴爐變壓器。

上述改接的變壓器都存在一些缺點(diǎn)，如斷電調(diào)擋，爐溫波動(dòng)較大等。為避免這種情況的發(fā)生，有的電極鹽浴爐采用了油浸式帶電抗器的鹽浴爐變壓器、TJFC型磁性調(diào)壓器。

油浸式帶電抗器的鹽浴爐變壓器利用油浸提高繞組冷卻效果，裝有電抗器可帶電調(diào)級(jí)而且改為13級(jí)調(diào)節(jié)，可嚴(yán)格保持爐溫穩(wěn)定。

磁性調(diào)壓器借改變勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流來(lái)控制鐵心的磁導(dǎo)率及一次線(xiàn)圈的感應(yīng)阻抗，可使電流變化平滑，鹽浴溫度穩(wěn)定，還可自動(dòng)控制。二、匯流排尺寸的確定及安裝1.匯流排尺寸的確定

匯流排是鹽浴爐變壓器與電極柄之間的連接裝置，由一根或多根導(dǎo)線(xiàn)組成，所用導(dǎo)線(xiàn)多為矩形鋁條或銅條，導(dǎo)線(xiàn)允許的載流量見(jiàn)表3-11，根據(jù)變壓器二次電流的數(shù)值和表上所給出的不同尺寸的截面所允許的載流量，即可選擇出合適的匯流排尺寸。為減少匯流排上的熱量損失和節(jié)約金屬材料，變壓器與爐子之間的距離應(yīng)盡量小，一般為1～1.5m。2.匯流排的安裝

匯流排的導(dǎo)線(xiàn)之間用絕緣的瓷器、石棉板、夾布膠木板支撐并固定，匯流排還應(yīng)與爐殼絕緣，其與電極柄的連接必須接觸良好。電極柄上該處要刨平、鍍銅或涂錫，有的還焊上一塊銅板。能力知識(shí)點(diǎn)4電極鹽浴爐的排氣裝置及啟動(dòng)一、電極鹽浴爐的排氣裝置為防止和減少熔鹽蒸氣對(duì)環(huán)境的污染，維護(hù)生產(chǎn)人員的身體健康，鹽浴爐通常裝設(shè)排氣裝置，不僅是鹽浴爐、各種浴爐都應(yīng)裝設(shè)排氣裝置。

鹽浴爐的排氣裝置一般有兩種形式：一種是在爐體上部裝設(shè)排氣罩，另一種是在爐口側(cè)面裝設(shè)排氣口。

排氣罩出口與通風(fēng)機(jī)相連。

排氣量按下式計(jì)算：排氣罩出口直徑按下式計(jì)算：若采用排氣口裝置排氣時(shí)，排氣口的寬度等于坩堝口的寬度，高度為100mm左右，也可按下式計(jì)算：排氣口的面積Sk為：式中v4——排氣口氣體流動(dòng)速度(m/s)，常在5～15m/s范圍內(nèi)