第一章熱處理設備概述課一11

第一章熱處理設備概述課一11第一章熱處理設備概述課一112024/12/23（一）對熱處理常用設備有一個概括的了解，掌握熱處理爐傳熱的基本方式、爐內綜合傳熱與應用。（二）掌握常用熱處理設備的結構特點、工作原理與用途。（三）掌握一般結構簡單的熱處理爐的設計內容與方法。（四）了解熱處理爐節(jié)能與改造方面的有關知識及爐溫儀表、熱控制

。

掌握有關熱處理設備的知識，同時也培養(yǎng)設計、選擇和應用熱處理設備的能力。本課程的任務：本課程的學習達到的要求：

本課程的重要性：

熱處理設備指用于實施熱處理工藝的裝備，隨著科技的發(fā)展，在冶金、機械、航空、航天、船舶等工業(yè)生產中，需要進行熱處理的零件和工具日益增多，熱處理爐是實現(xiàn)熱處理工藝的主要設備，沒有先進的熱處理爐就不能實現(xiàn)先進的熱處理工藝，熱處理工藝的現(xiàn)代化，實質是熱處理設備的現(xiàn)代化。第一章熱處理設備概述課一112這些產品都需要進行熱處理第一章熱處理設備概述課一113課程特點

基礎性

綜合性

實踐性

發(fā)展性第一章熱處理設備概述課一1141.1熱處理設備在材料工程中的地位與作用

熱處理是提高機械零件質量和延長使用壽命的關鍵工序，也是充分發(fā)揮金屬材料潛力、節(jié)約材料的有效途徑。正確地選擇材料，合理地進行熱處理，不僅可以充分減少廢品，而且可以顯著提高機器零件和模具使用壽命。而任何一種熱處理工藝，只有通過相應的設備才能得以實現(xiàn)。

熱處理爐是實現(xiàn)金屬熱處理工藝的主要要設備，沒有先進的熱處理爐就不能實現(xiàn)先進的熱處理工藝，要實現(xiàn)熱處理技術的現(xiàn)代化，需要靠熱處理設備的現(xiàn)代化來保證。即熱處理設備的先進與否更是決定熱處理工藝的重要因素。第一章熱處理設備概述第一章熱處理設備概述課一1151.2熱處理設備的發(fā)展概況

現(xiàn)代熱處理設備包括：大型連續(xù)生產線，密封箱式多用爐生產線，真空及無人化感應加熱設備國外:(1)以電能為熱源的增多，油和煤氣爐比例逐漸減少(2)對產品表面質量的要求更為嚴格，可控氣氛熱處理爐和真空爐占重要地位(3)爐襯趨向輕質材料，在電阻爐上應用非金屬爐用耐熱構件和發(fā)熱元件的比例逐漸增加我國熱處理技術比較落后，體現(xiàn)在裝備水平的落后上，大多為50~70年代的仿蘇產品，周期式爐多，連續(xù)式爐少，效率低，能耗大，空氣爐多，氣氛爐少，工件氧化脫碳嚴重，質量不易保證，自動化程度低，人為因素影響大，質量不穩(wěn)定，鹽浴爐比重相當大，勞動條件差，污染嚴重，一半以上的設備超過三十年，且年久失修，熱效率低，散熱嚴重，成本高。相對于先進工業(yè)國家仍有相當大的差距第一章熱處理設備概述課一116可控氣氛多用爐生產線箱式可控回火爐

箱式可控氣氛多用爐網(wǎng)帶式可控氣氛多用爐

高溫型可控氣氛多用爐

第一章熱處理設備概述課一117生產設備與世界先進水平有20-30年之差距。專業(yè)化熱處理工廠數(shù)目與美國相比相差35倍，生產效率比美國低26倍、設備利用率僅為30%，電耗卻高于美國的40%，其電耗平均每噸比日本和歐美要多2～3倍。熱處理帶來的環(huán)境污染問題十分嚴重，據(jù)不完全統(tǒng)計我國熱處理業(yè)每年約有5000噸淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒造成CH化合物、CO及煙塵；有約9000噸廢淬火油因排放不當而污染水質；每年鹽浴爐生成鹽蒸汽7000噸以上；有害廢渣約10000噸；燃煤爐窯排放SO2約1.5萬噸，灰分約8.5萬噸；噴砂處理中產生的SiO2等有害粉塵10000噸，嚴重污染了環(huán)境。由于生產設備和規(guī)模的落后，我國熱處理生產耗能巨大而利潤并不高約為美國的1/30，年營業(yè)額約為美國的1/25。1.2熱處理設備的發(fā)展概況

第一章熱處理設備概述課一1181.2熱處理設備的發(fā)展1.改進爐膛結構，合理布置加熱元件，以改善加熱質量2.采用新型爐體材料，提高加熱效率3.提高自動化程度，采用連續(xù)式爐或聯(lián)合機，以穩(wěn)定產品質量，提高勞動生產率，改善勞動條件4.拓寬真空技術的應用領域，進行無氧加熱，提高產品質量優(yōu)質（設備優(yōu)良、工藝先進、管理科學化）、高效（設備、管理）、低耗（設備、工藝、管理）、清潔（勞動環(huán)境、自然環(huán)境）、靈活（協(xié)作生產）第一章熱處理設備概述課一119

完成各種輔助工序(如酸洗、清洗、清理、校直、檢驗)、生產操作、動力供應所用的設備。熱處理車間常用的輔助設備有清洗槽(機)、噴砂機、校直機、泵、鼓風機、各種動力管道以及起重運輸設備等。

1.3熱處理設備的分類主要設備：

完成主要熱處理工序(加熱和冷卻)所用的設備，包括各種加熱設備(加熱爐與加熱裝置)和冷卻沒備(冷卻室、淬火槽、淬火機等)。輔助設備：主要設備輔助設備第一章熱處理設備概述課一11101.3.1主要設備1.熱處理爐：有爐膛的加熱設備：箱式爐、井式、臺車、真空爐2.加熱裝置：熱源直接對工件加熱的裝置：高頻、中頻、火焰加熱3.表面改性裝置：氣相沉積多弧鍍膜機、離子注入機4.表面氧化裝置；發(fā)藍槽、發(fā)黑槽5.表面機械強化裝置：拋（噴）丸機、輥壓機6.淬火冷卻設備：冷卻水、油槽、緩冷罐、噴淬器、壓力淬火機7.冷處理設備：冷凍機、液氮、干冰冷卻裝置8工藝參數(shù)測控儀表：測控溫度、碳氮勢、壓力、流量碳控儀感應加熱表面淬火機床第一章熱處理設備概述課一11111.3.2熱處理輔助設備1.清洗機、清理裝置：對熱處理前后工件進行清洗的冷熱水槽、噴砂機、超聲清洗機、脫脂爐、酸洗槽、滾筒2.爐氣氛制備裝置：吸、放熱式發(fā)生器，氨分解器、制氮機3.淬火介質循環(huán)裝置：儲液槽、過濾器、輸送泵、冷卻器、冷水機4.起重運輸設備：天車、起重機、運輸車、傳送鏈5.動力輸送管路及輔助設備：管路、風機泵、儲氣（液）罐6.防火、除塵等安全設備：防火噴霧器、抽風機、廢氣反應槽另外，還需校正設備、各種工具、夾具第一章熱處理設備概述課一11121.4熱處理爐的分類分類原則爐型熱源電阻爐、燃料爐、煤氣爐、油爐、煤爐工作溫度高、中、低溫爐爐膛形式箱、井、罩、管、貫通、轉底式爐工藝用途退、淬、回火爐、滲碳、氮爐、實驗爐作業(yè)方式間歇、連續(xù)、脈動式爐使用介質空氣、火焰、可控氣氛、鹽、油、鉛浴爐、真空爐機械形式臺車、推桿、輸送帶、滾、振、升降底、步進式爐第一章熱處理設備概述課一1113箱式爐門爐膛爐殼爐門升降機構第一章熱處理設備概述課一1114井式氣體滲碳爐爐爐蓋升降機排氣滴注器井式電阻第一章熱處理設備概述課一1115臺車式電阻臺車爐門爐殼爐膛臺車式臺車第一章熱處理設備概述課一1116井式真空真空系統(tǒng)爐體內熱式真空爐真空系統(tǒng)爐第一章熱處理設備概述課一1117連續(xù)式熱處理爐第一章熱處理設備概述課一1118側埋式鹽浴爐變壓器電極電極啟動電阻啟動電阻第一章熱處理設備概述課一1119第一章熱處理設備概述課一1120網(wǎng)帶式淬火爐網(wǎng)帶爐體第一章熱處理設備概述課一1121輥底式鋼板熱處理生產線輥子爐體第一章熱處理設備概述課一1122

傳熱或換熱：

熱量從一物體傳向另一物體或由同一物體的某一部分傳向另一部分的過程。

條件：

物體間或同一物體內部只有存在溫度差時才會發(fā)生熱量的傳遞。熱處理爐內進行的熱傳遞過程是由傳導、對流、輻射三種基本傳熱形式組成的綜合傳熱過程。1.4熱處理爐的傳熱原理

第一章熱處理設備概述課一1123

物體間通過輻射進行的熱能傳遞過程，稱為輻射傳熱。

特點：輻射不需任何介質，傳熱過程中伴隨著能量的轉化，即從熱能到輻射能以及從輻射能又轉化為熱能。

溫度不同的接觸物體間或一物體中各部分之間熱能的傳遞過程，稱為傳導傳熱。

流體質點發(fā)生位移和相互混合而發(fā)生的熱量傳遞，叫對流傳熱。特點：傳熱過程中，既有流體質點的導熱作用，又有流體質點位移產生的對流作用。一、傳熱的基本形式1.傳導傳熱2.對流傳熱3.輻射傳熱流體中有相對位移和混合，或流體與固體表面接觸，如：浴、回火爐無宏觀的質點的移動，液體中：分子振動；氣體中：分子、原子擴散；金屬中：自由電子的運動輻射能—電磁波—熱能（中、高溫爐）第一章熱處理設備概述課一1124

用來描述物體中溫度的分布情況，是空間坐標和時間坐標的函數(shù),即式中：x，y，z，—該點的空間坐標;τ—時間坐標。二、溫度場與溫度梯度1.溫度場若物體的溫度沿x、y、z三個方向都有變化，稱三向溫度場第一章熱處理設備概述課一1125

單向溫度場：物體溫度只在一個方向上有變化，即：

如長時間恒溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。不穩(wěn)定態(tài)溫度場：物體各點的溫度隨時間的變化而變化，如升溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。穩(wěn)定溫度場：物體各點溫度不隨時間變化。這時溫度分布函數(shù)簡化為：t=f(x,τ)（１-２）第一章熱處理設備概述課一1126

在溫度場內，物體(或體系內)相鄰兩等溫面間的溫度差△t與兩等溫面法線方向的距離△n的比例極限，稱為溫度梯度。用下式來表示:

溫度梯度是表示溫度變化的一個向量，其數(shù)值等于在和等溫面相垂直的單位距離上溫度變化值，并規(guī)定由低到高為正，由高到低為負。

2．溫度梯度第一章熱處理設備概述課一1127

熱流：Q

單位時間內由高溫物體傳給低溫物體的熱量叫熱流或熱流量，用Ｑ表示，Q=λ△tF（W）。

熱流密度：q

單位時間內通過單位傳熱面積的熱流，稱為熱流密度，用q表示，單位為w/m2，即：

熱流、熱流密度都為向量，其方向與溫度梯度方向相反。三、熱流和熱流密度第一章熱處理設備概述課一1128

對于均勻的、各向同性的固體，單位時間通過單位面積的熱量，與垂直該截面方向的溫度梯度成正比。式中:Ｑ—沿n方向的熱流量(W);

q—熱流密度(w/m2);

F—與熱流方向垂直的傳熱面積(m2);λ—比例系數(shù)，稱為熱導率〔W/(m·℃)];—溫度梯度(℃/m)。負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反（1—6）式為導熱基本方程式，即傅立葉定律。1.4.1傳導傳熱一、傳導傳熱的基本方程式第一章熱處理設備概述課一1129

熱導率是反映物體導熱能力大小的參數(shù)。其物理意義為在單位時間內，每米長溫度降低1℃時，單位面積能傳遞的熱流量，用λ表示，單位為W/(m·℃)。

金屬的導熱系數(shù)與金屬的純度和溫度有關，雜質愈多，導熱系數(shù)也隨之降低。純鐵比碳鋼導熱系數(shù)大，碳鋼又比合金鋼的導熱系數(shù)大(合金鋼加熱時保溫時間長的原因)。二、熱導率（λ也叫導熱系數(shù)）

第一章熱處理設備概述課一1130即：

λt=λ0+bt〔W/(m·℃)]（１-７）式中:λt—t℃時材料的熱導率;

λ0—0℃時材料的熱導率;

b—材料的熱導率溫度系數(shù)，因材料而異?？刹楸淼玫?。實際計算中，一般取物體算術平均溫度下的熱導率代表物體熱導率的平均值。

溫度升高時大多數(shù)金屬的導熱系數(shù)降低。材料的熱導率與溫度的變化呈線性關系。第一章熱處理設備概述課一1131

在平壁內取一單元薄層，其厚度為dx,兩側的溫度差為dt，則通過此單元層的熱流密度為:1．單層平壁爐墻的導熱

圖1-1所示單層平壁爐墻的壁厚為S，材料的導熱系數(shù)為λ，平壁兩側表面溫度各為t1與t2，且t1>t2，并保持恒定，平壁溫度只沿垂直于平壁面的x軸方向發(fā)生變化，所有等溫面都是平面，且垂直于x軸,（屬于單向穩(wěn)定態(tài)導熱）。三、平壁爐墻的導熱第一章熱處理設備概述課一1132

由上式可知，在單位時間內通過單位平壁面積所傳遞的熱量是與導熱系數(shù)λ及兩表面的溫度差成正比，而與平壁厚度s成反比。第一章熱處理設備概述課一1133

若平壁爐墻的面積為F，而且內外表面積相等，則在1小時內通過F面積所傳導的熱流量Q為：

在1-8式中，S/λ為單位面積的平壁熱阻，1-9式中S/(λF)是面積為F的平壁熱阻。由此可見，熱流量與溫度差(t1-t2)成正比，與熱阻S/(λF)成反比。(與歐姆定律類似)

實際的平壁爐墻(如箱式爐爐墻)面積并非很大，而且其內外表面積也不相等，因而它的導熱面積是變化的。這時上式中的導熱面積應該用平均面積代替，可按如下方法近似計算。第一章熱處理設備概述課一1134

一般熱處理爐的爐墻，大多為兩層或三層不同材料砌成的(圖1-2)，設爐墻界面溫度依次為t1,t2,t3,t4(t1>t2>t3>t4)，各層厚度為S1、S2、S3，若各層間緊密接觸，各層的熱導率用λ1、λ2、λ3表示。2．多層平壁爐墻的穩(wěn)定導熱第一章熱處理設備概述課一1135在穩(wěn)定態(tài)導熱時，通過平壁爐墻各層的熱流或熱流密度應相等。根據(jù)前面公式可分別寫出通過各層的熱流密度：

由上述三個方程，可求出三個未知量q，t2，和t3。由于λ是溫度的函數(shù)，由式（a）-（c）經(jīng)運算得通過三層爐墻的q為t1,t2,t3,t4(t1>t2>t3>t4)λ1、λ2、λ3因為q1=q2=q3=q，第一章熱處理設備概述課一1136同理，n層平壁爐墻的導熱公式第一章熱處理設備概述課一1137若多層爐墻的總熱阻已知，則各層間的界面溫度可由下式求得：第一章熱處理設備概述課一1138

在求界面溫度時，必須根據(jù)經(jīng)驗先假設一界面溫度，然后根據(jù)假設溫度算出各層的λ值及總熱阻，再代人上式求出界面溫度。

如果計算的界面溫度和假設的界面溫度相差較小(＜5%)即可采用。如果相差大于5%，應重新假設，再進行計算，直到誤差小于5%為止。

如果多層平壁爐墻各層面積相等時(均為F），其傳熱量公式為:第一章熱處理設備概述課一1139若各層面積不等，其傳熱量計算公式為:

式中F1、F2……Fn分別為各層的平均面積。若多層平壁各層分界面的表面積分別f1、f2

、f3……和fn+1時，則各層的平均面積可采用算術平均值或幾何平均值。第一章熱處理設備概述課一1140

四、圓筒爐墻的導熱

1.單層圓筒壁爐墻的導熱設有一井式加熱爐，高度為L，內外半徑分別為r1和r2，內外表面溫度為t1和t2，導熱系數(shù)為λ。在r1與r2之間的任意處r取一薄層，厚度為dr,其兩側溫度差為dt,該層面積為2πrL(圖1-3)。根據(jù)導熱方程式在單位時間內通過此薄層所傳導的熱量為:第一章熱處理設備概述課一1141

從上式看出，圓筒壁的導熱量與爐墻材料的導熱系數(shù)、圓筒壁的高度和溫度差成正比，而與內外半徑比值的自然對數(shù)成反比。如果λ是常數(shù)，則沿爐壁內部的溫度變化呈對數(shù)曲線，這點與平壁導熱不同。

另外，如果r2/r1≤2,可將圓筒展開當作平壁進行計算，這時內外半徑可按算術平均值計算，即(r1+r2)/2，內外圓筒壁的表面積的平均值為:

用算術平均值計算的F均,求出的Ｑ值稍大些，但不超過4%。為了便于與傳熱一般方程和平壁爐墻的導熱公式進行比較，上式可改寫成第一章熱處理設備概述課一1142

式中，F(xiàn)=（F2一F1)/ln它是圓筒爐墻的對數(shù)平均面積，其中F2、F1，分別為內外表面積，S為單層圓筒爐墻的厚度。這時圓筒爐墻內的溫度分布按對數(shù)規(guī)律變化。

考慮到實際爐墻的熱導率隨溫度呈線性變化，這時上式中λ也可用熱導率平均值代入。（λ均=λ0+bt均）

由此可見，圓筒爐墻和平壁爐墻傳導傳熱熱流量的計算公式在形式上完全相同。

第一章熱處理設備概述課一1143

對于由n層組成的多層圓筒爐墻，若已知其內外表面的恒定溫度分別為t1和tn+1，（t1>tn+1)，各層的內外半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度L已知，并假定各層間緊密接觸，求通過n層圓筒爐墻的導熱熱流及各交界面溫度。

這也是個單向穩(wěn)定態(tài)導熱問題，多層圓筒壁爐墻的導熱根據(jù)單層圓筒壁的導熱公式推演方法，可求出多層圓筒壁的導熱公式為:

2.多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導熱第一章熱處理設備概述課一1144如果圓筒爐墻各層的內外高度不等，則熱流量用下式計算

式中，Si/λiFi為第i層圓筒爐墻的熱阻，其計算方法與單層圓筒爐墻相同。由此可見，和多層平壁爐墻一樣，多層圓筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和。各層的界面溫度按式(1一14)計算，但這時公式中各層的熱阻為圓筒爐墻各層的熱阻。第一章熱處理設備概述課一1145式中L1、L2......Ln為圓筒壁各層的平均高度。圓筒壁各層的交界面溫度可按下式計算:第一章熱處理設備概述課一1146

熱處理爐對流換熱主要發(fā)生在爐氣、鹽浴爐中的熔鹽、流動粒子爐中流動粒子與工件表面之間的傳熱以及爐墻外表面與車間空氣之間的傳熱等。

流體與固體表面之間通過對流換熱所傳遞的熱量可用牛頓公式計算：1.4.2對流換熱一、對流換熱的計算第一章熱處理設備概述課一1147a—對流換熱系數(shù)

它表示流體與固體表面之間的溫度差為1℃時,每秒鐘通過1m2

面積所傳遞的熱量。

對流換熱量的計算公式即(牛頓公式)是1701年牛頓提出的，公式表明對流換熱所傳遞的熱流量與流體和固體表面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比。第一章熱處理設備概述課一11481.4.3輻射換熱具有不同表面溫度的物體之間，依靠熱輻射進行的熱傳遞過程，或者有熱輻射能力的氣體與包殼之間熱傳遞過程，均稱為輻射換熱。C導為該輻射系統(tǒng)的輻射系數(shù)，它和參與輻射物體的性質、物體之間的距離、相對位置、物體的形狀等因素有關，其單位為

W/m2·K4第一章熱處理設備概述課一1149

前面分別討論了傳導、對流和輻射的基本規(guī)律及其計算方法。在實際傳熱過程中往往是兩種或三種傳熱方式同時發(fā)生，所以，必須考慮它們的綜合傳熱效果。例如工件在熱處理電阻爐內加熱時，電熱體和爐墻內壁以輻射和對流方式先將熱量傳給工