10.1 热处理炉——概述在线视频

同学们好

今天我们学习第十章

热处理炉

热处理炉是冶金工厂

和机械制造工厂热处理车间的

基本设备

在冶金工厂

热处理的对象是各种金属的

锭 板 管 带 丝及型材

钢轨 车轮等

在机械制造工厂

热处理的对象是各种零件

刀具 量具及锻铸件

通过热处理可以有效的改进

产品的性能

提高产品的质量

延长产品的使用寿命

本章主要有四个部分的学习内容

首先 我们学习第一小节的内容

概述

热处理是通过加热、保温和冷却处理

以改变金属内部的组织结构

使金属获得所需性能的热加工技术

热处理的作用可归纳为

一 可以改变工件的机械性能

加工性能

或者使工件获得某种使用性能

二 使工件内部成分均匀化

消除内应力

三 化学热处理可改变

工件表面成分

从而使工件得到特殊性能

例如 渗碳可增加耐磨性

渗氮可增加抗腐蚀性等

热处理工艺主要有

淬火 退火 正火 回火

化学热处理等

无论是哪种热处理

从热工角度来看

都是由三个阶段组成的

即 加热 保温 冷却

不同的热处理工艺

仅是将加热温度 加热速度

保温时间 冷却速度和炉子气氛等

进行不同的组合

一般热处理工艺三个阶段特点如下

一 加热

热处理加热温度最高为1300摄氏度

但大部分加热温度

在1000摄氏度以下属于中温炉

与加热炉相比

热处理钢材和零件要求的加热温度

更准确

一般控制在正负10摄氏度以内

炉子加热速度要便于控制

大尺寸 形状复杂

含合金元素多的工件

往往采用多台阶加热工艺

如果加热速度不能控制

就会影响质量

甚至造成废品

二 保温

工件达到规定加热温度后

还要在此温度下保持足够的时间

这样一方面可以使工件内外温度

均匀 达到透热要求

另一方面 是可以满足

组织转变的需要

保温期的燃料消耗量较加热期少

但保温期时间较长

这时的热效率约为0

这也是热处理炉单位热耗

较高的原因

三 冷却

冷却是将工件按一定速度冷下来

在加热温度确定后

冷却速度对工件的性能

起决定性作用 必须要给予重视

热处理炉是实现热处理工艺的

核心设备

炉子设计与技术人员的任务

就是设法使规定的热处理工艺

借助某种炉子构造和热工制度

加以实现

与加热炉相比

热处理炉有以下明显的特点

一 热处理工件的尺寸 形状 性质

千差万别

工艺种类繁多

所以 热处理炉型非常多样化

二 热处理一般是冶金和机械加工

生产过程的最后一道工序

所以 对工件内部的金相组织

工件表面质量和变形程度等

质量要求较高

三 热处理工艺过程比较复杂

包括加热 保温 冷却等阶段

所以热处理炉的单位生产率

和热效率指标一般都比较低

一台好的热处理炉

一般要满足以下要求

一 从炉型结构和热工制度上

要能保证热处理工艺的实现

二 温度的均匀性好

一般要求温差不大于正负10摄氏度

最好达到正负5摄氏度

三 炉内的气氛可以控制

四 在优质的基础上

力求做到高产和节能

五 实现装出料机械化

和热工自动控制

刚才讲了热处理工艺种类多

热处理工件形状 尺寸多样化

造成了热处理炉炉型和构造的

多样性

要从总体上了解热处理炉

必须分析其共性和个性

掌握其规律

热处理炉分类方法很多

每种分类方法代表热处理炉的

一个主要特征

第一 根据温度不同

可将热处理炉分为高温热处理炉

炉温大于1000摄氏度

中温热处理炉

炉温在650到1000摄氏度之间

低温热处理炉炉温小于650摄氏度

第二 根据热源种类

可将热处理炉分为以燃料为热源的

燃料热处理炉

和以电能为热源的电热处理炉

我国燃料热处理炉所用的燃料有

固体 液体 气体三类

使用固体燃料块煤

最大的优点是设备简单 投资少

常用在小机械厂的小型炉上

但块煤的燃烧过程不易控制

加热质量较差

仅适用于毛坯 半成品

或者是要求不高的工件

液体燃料大多是重油

其优点是发热量高 火焰温度高

辐射能力强 燃烧过程可以调节

气体燃料有天然气 石油液化气

焦炉煤气 高炉煤气 发生炉煤气等

气体燃料是热处理炉首选燃料

其输运方便

燃烧过程容易调节

操作方便 自动控制容易实现

电加热热处理炉在机械厂中

占一半以上

冶金产品要求质量高时

也会采用电加热

电加热的优点是温度控制准确

稳定 炉内气氛可自由选择

环境洁净 自动化程度高

劳动条件好

其主要的缺点是热处理的成本

比较高

在选择热处理热源时

可参考下表

第三 根据炉子作业方式

可将热处理炉分为

周期作业热处理炉

也称间歇式热处理炉

和连续作业热处理炉

周期作业热处理炉

简称周期式热处理炉

其特点是工件分批装卸

炉子温度在生产过程中

呈周期性变化

炉子随工件升温和冷却

散失了许多热量

为了缩短生产周期

应在保证绝热良好的条件下

减少炉体蓄热

近年来 发展日益成熟的耐火纤维

是周期式热处理炉较为理想的

筑炉材料

连续作业热处理炉

简称连续式热处理炉

其特点是工件连续穿炉运行

炉内各部分温度恒定

在炉子长度方向上

各段的温度不同

各段的结构满足该段的工艺

和热工要求

连续式热处理炉的炉体温度

不随时间而变

因此 与周期炉相比

单位热耗要低

此外 连续炉在产量 质量

机械化 自动化等方面

都具有明显的优越性

第四 根据工件周围介质的不同

可将热处理炉分为膛式炉 浴炉

流动粒子炉和真空炉

膛式炉是指在炉膛的气体介质中

对工件进行热处理的炉子

气体介质可以是燃烧产物

或是专门制备的可控气氛

或是空气

将工件放置在一般燃烧产物中

进行热处理的炉子

称为直接燃烧加热的火焰炉

炉内的热源体是围绕工件的

高温燃烧产物

其以辐射和对流的方式

将热量传给工件

由于完全燃烧的产物

属于氧化性气体

因此 在热处理过程中

金属工件的表面

或多或少的会发生氧化和脱碳

在对工件表面质量要求不高情况下

多采用这类热处理炉

将工件放置于不完全燃烧产物中

进行热处理的炉子

称为明火无氧化炉

不完全燃烧产物是热源体

由于不完全燃烧

其氧化性较弱

因此 金属表面的氧化较少

设计这类炉子时

一般采取空气煤气预热

和富氧燃烧的方法

使炉温达到工艺所要求的温度

为了使工件表面在热处理过程中

保持光亮和光洁

可使用专门制备的可控气体

使用可控气体的燃料炉

必须是间接加热的

间接加热原则上有两种方案

如图所示

一种方案是采用罩子或称马弗

将工件与燃烧产物隔开

罩内放置工件

并通入可控气体 罩外是火焰

另一种方案是采用辐射管

使燃料在管内燃烧

炉膛内通入可控气体

前者一般称为罩式炉或者是马弗炉

后者一般称为是辐射管炉

间接加热的优点是

一工件周围气氛可以人为控制

工件表面质量得到了保证

二 可获得温度相对均匀的辐射面

其缺点是

一 用作罩子或管子的耐热合金

价格昂贵

二 燃烧过程产生的热量

通过罩子或者辐射管传给工件

和可控气体 热效率较低

生产成本较高

表中所列为燃起辐射管的

类型与特点

这张是各种形式的燃气辐射管

结构示意图

这张图表示的是燃气辐射管

在炉内的布置

可供设计时参考

采用普遍电热炉进行热处理时

工件的周围是炉内空气

空气是具有氧化性的

能使工件氧化和脱碳

如果要实现光亮和光洁热处理

同样应通入保护气体

浴炉是指在液体介质中

对工件进行热处理的炉子

液体介质可以是油类

熔融的盐类 或者是熔融的金属等

液体介质主要靠对流加热

进入的工件

工件在浴炉中加热很快

温度均匀 不易氧化脱碳

浴炉特别适用于加热一些

尺寸不大 形状复杂

表面质量要求高的工模具

及精密零件

流动粒子炉是指在固体颗粒的

流化床介质中

对工件进行热处理的炉子

如图为流化床的示意图

具有一定压力的气体

透过分布板向上流动

其流速达到一定数值后

分布板上的细微颗粒便沸腾起来

形成沸腾床

又称流化床

此时 流化床内形成了粉体与气体

混为一体的多相系统

具有近似液相流体的性质

可认为是一种假液相

该假液相就是加热工件的热媒介

它与工件之间的传热

包括辐射和对流两部分

固体颗粒在传热过程中

起着重要作用

正常流化时

床内温度分布非常均匀

真空炉是指在真空中

对工件进行热处理的炉子

工业用真空炉的真空度

一般在几百帕到几千帕之间

在这种低压的介质中进行热处理

金属基本上保持光亮

真空炉中的对流传热可以忽略不计

炉膛内只靠辐射传热加热工件

温度较低时

辐射传热过程十分微弱

所以 工件在炉内的低温冷却过程

很缓慢

这也是真空炉生产周期长的

重要原因

在高质量产品的热处理方面

真空炉的应用非常广泛

对于燃料热处理炉

为实现热处理炉生产工艺

热处理用烧嘴具有以下特点

一 烧嘴的调节性能好

热处理工艺规定工件有较长保温期

保温期的热负荷远小于升温期

相差约几倍或几十倍

在热负荷变化范围内

要求烧嘴都能正常燃烧

这就要求烧嘴有较大的调节比

对燃油烧嘴要求调节比达1：8

对燃气烧嘴要求要达到1：10

热处理炉采用明火无氧化加热时

要求空气消耗系数在较宽的

范围内变化时

烧嘴都能稳定燃烧

也就是说烧嘴具备气氛调节性能

为了实现自动调节

烧嘴还需带自动点火

和火焰检测装置

二 适应炉温均匀性的要求

如高速烧嘴火焰喷出速度

超过100m/s

在射流扰动下

整个炉膛温差减少

在500至750摄氏度炉温下

温差约为正负5摄氏度

在750至1100摄氏度炉温下

温差约为正负10摄氏度

高速调温烧嘴可用改变二次风

风量的方法降低火焰温度

得到低于煤气着火温度的均匀炉温

最低可达200摄氏度

平焰烧嘴可获得均匀辐射的

表面

有效避免局部过热

对板材 带材热处理最为合适

三 适应余热回收的要求

与加热炉相比

热处理炉由于温度低 保温时间长

单个烧嘴或炉子热负荷

相对要小一些

为此 在利用烟气的余热方面

出现了自身预热烧嘴

和带预热器的辐射管

将燃烧器和预热器结合为一体

不仅回收烟气热量

同时 将烟道简化

炉体结构更加紧凑

根据热处理炉生产特点

炉衬的选择也有其特点

钢铁热处理炉炉温

一般小于1300摄氏度

一般用高铝质和硅酸铝质制品

或不定形耐火材料砌筑而成

可控气氛炉炉衬要在高温下

不与控制气氛产生化学反应

要采用氧化铁含量小的耐火材料

由于热处理工艺的影响

在同样生产力下

热处理炉炉衬面积和体积

比加热炉大

因而 炉衬散热和蓄热损失

在热平衡表中所占的比例较大

如连续加热炉炉衬散热占3%到5%

而在热处理炉一般占20%左右

连续式炉可不考虑蓄热

周期式炉蓄热一般占总热量的30%

因此 对热处理炉来说

减少炉衬热损失

在提高炉子热效率中具有重要作用

在满足工作条件的前提下

选用体积密度小

比热小的炉衬材料

可以减小蓄热损失

选择导热系数小的炉衬材料

可以减小散热损失

下表为热处理炉常用的筑炉材料的

热物理性质

可供设计时选用

热处理炉炉衬厚度的确定

应有明确的目标

或者是使热损失最小

或者是使经济效益最大

或者是回本期最短等

列出有关热工经济方面的关系

用最优化方法

求得炉衬最佳厚度

和轧钢加热炉相比

热处理炉热工有如下特点

一 炉温均匀性好

热处理炉内工件各部分温差

在正负10摄氏度以内

最好达到正负5摄氏度

生产上大型炉子

可采用延长保温时间的办法

对工件温度均匀性进行弥补

在设计或选择炉子时

建议从以下几个途径进行考虑

一 采用个数较多的小型烧嘴

或辐射管形成均匀的辐射面

烧嘴和排烟口适当配合

正确组织炉内气体循环

二 对炉子不同部位

进行分区热平衡计算

由此确定炉子的供热分配

三 选用新型烧嘴

组织炉气强烈循环

如炉底面积100平方米的

大型台车式炉

采用六个高速烧嘴

在650至900摄氏度下工作

炉内温差仅为

正负5至正负10摄氏度

四 采用与炉膛隔开的燃烧室

这种方法的要点是

燃料在炉膛以外单独的燃烧室中

进行燃烧

进入炉膛的是燃烧产物

而不是正在燃烧的火焰

如图所示

为三种燃烧室的布置方式

图a中燃烧室布置在炉底以下

火焰被限制在燃烧室中

从燃烧室末端向上流入炉膛的是

燃烧产物

在燃烧室始端

由于火焰的喷射作用

炉膛内的部分气体

被重新吸入燃烧室

这样便形成了炉内气体的循环

有利于温度的均匀化

图b是侧面燃烧室

它与炉膛之间有一堵挡墙

燃烧产物翻过挡墙才能进入炉膛

挡墙的顶缘应稍高于烧嘴中心线

挡墙与烧嘴之间的距离不应过小

否则 在使用油烧嘴的情况下

将有石油焦堆积在挡墙上

图c是顶部燃烧室

它与炉膛之间是一层多孔的拱顶

燃烧产物从孔中流出 进入炉膛

改变孔的尺寸及间距

既可调整炉内的温度分布

在采用单独的燃烧室时

烧嘴的个数不必很多

靠燃烧室对气流的分布作用

就可获得较为均匀的炉温

一座炉子上用少量几个烧嘴

就可满足温度均匀分布的要求

这对简化管路系统

和减轻操作维护工作都是有利的

热处理炉的第二个热工特点是

加热速度慢 生产率低

从外部传热看

热处理炉升温速度慢

保温时间较长

因此 导致炉子生产率较低

从被加热工件表面状况来看

光亮表面黑度小

约为0.55到0.61

氧化表面黑度大 约为0.8

因此 光亮热处理工件

吸收辐射热也少

再者 周期作业的热处理炉中

工件往往是呈堆垛状进行加热

料堆的热阻很大 延长了加热时间

热处理炉的生产率

受工艺影响很大

通常的炉底强度小于200公斤

每平方米每小时

而连续式加热炉则在

500至1000公斤每平方米每小时

采用各种手段强化对流换热

是改善热处理炉炉膛热交换的关键

热处理炉的第三个热工特点是

热效率低 单位热耗高

这是由热处理炉工艺所造成的

这张表列出了几种热处理炉型

热效率的平均值

供同学们参考

为了提高热处理炉的技术经济指标

从国内外的发展趋势来看

主要的方向是

一 大型化 扩大炉子容量

是提高其技术经济指标的重要措施

例如 冷轧带钢退火用的

罩式炉的装入量已扩大到150吨

不仅减少了车间内炉子的占地面积

施工费用

而且降低了操作费用

二 连续化

用连续式炉代替周期式炉的好处

不仅是提高炉子本身的生产指标

而且能改变整个炉子的面貌

因为连续式炉可以与其前后工序

组成连续作业线

三 高效化

这主要是指改进炉子结构

如采用新型耐火材料 燃烧装置

及预热设备等

以及改进炉子操作

如确定合理热负荷和热负荷分配等

四 自动化

采用自动化仪表

以及采用电子计算机实现最优控制

可提高炉子的生产指标

用一台电子计算机

控制一组同样的炉子

经济效益更大一些

好 今天的学习内容就是这些

我们下次见