一种小型零件热处理炉的设计

褚义彬，石成江，于成海，童金钟，尹春雨

(1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001; 2.中国三峡新能源东北分公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

一种小型零件热处理炉的设计

褚义彬1，石成江1，于成海2，童金钟1，尹春雨1

(1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001; 2.中国三峡新能源东北分公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

电阻炉通过电热元件将电能转化为热能，加热炉内的金属。电阻炉比火焰炉热效率高、温度易控制、操作条件好、炉体寿命长，适用于加热制度要求较严的工件加热，但电费较高。本文根据小型零件加热条件设计了一种性能和经济效益良好，且效率高的热处理炉。计算了电阻炉的功率、空炉升温时间，并选择和计算了电热元件的材料。在设计炉子的基础上，优化了炉门以及炉衬，使炉门的密封性和保温性能更优良。

热处理炉;加热;节能

我国金属热处理行业使用的电阻炉多属于老化产品，性能差，耗能大，热效率低。随着科学技术的发展和节能的需要，从事热处理炉的研究和生产的工作者，近年来创造出各种节能热处理炉。本文按照现在生产工艺的要求，通过理论设计和校核，精选加热元件，确定设计方案，制成中高温电阻炉。条件为:额定温度1000℃，最高使用温度1100℃，有效尺寸L×B×H=1500 mm×800 mm×600 mm。

1 炉型的选择及炉体结构的设计

炉型的选择应根据不同的加热工艺要求及被加热物的类型来决定。对于所需加热的工件，不能批量定型生产的，工件大小不相等的，种类较多时，要求在加热工艺上具有多同性的，可选用箱型电阻炉。

1.1 材料的选取

最高使用温度为1100℃，为了使炉子节能，炉衬材料要求体积密度小、抗压强度高、导热系数小，这样才能使炉衬蓄热量小，从而空炉升温时间短，也会使炉壁的热损失降低。因此为了满足实际的使用条件，本着节约的原则，选择高铝砖、轻质粘土砖和B级硅藻土砖作为炉衬材料。

炉底的结构受电热元件安装方式、导轨、炉底板和传动装置的影响，炉底的保温一般采用把炉底砌成格子状，然后在格子中填保温材料。炉底采用四层，即2×65 mm LZ-48高铝砖、2×65 mm QN-1.0轻质粘土砖、113 mm B级硅藻土砖和200 mm膨胀珍珠岩复合炉衬。

炉底隔板采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出分三块或四块，厚20 mm。炉体结构见图1。

炉门采用气缸带动曲柄连杆机构的炉门压紧装置(如图2所示)，这样可以保持炉门的密封性，有足够的保温能力，降低热损失，保持炉前区有良好的温度均匀度。

图1 砌体结构示意图Fig.1 The figure of masonry structure

2 电阻炉功率的计算

电阻炉功率的大小影响升温速度，如果功率过小则炉子升温太慢、耗电量大;功率过大则会增加供电系统的投资和电热元件布置困难。

根据热平衡计算炉子功率，热平衡计算是根据输入总功率(收入项)应等于各项能量消耗(支出项)总和的原则确定炉子功率的方法。炉子能量消耗包括加热工件所需热量(Q件)、通过炉衬散热的损失热量(Q散)、其他热损失(Q它)。由于炉门不经常开启，所以通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射损失与溢气可忽略不计。

图2 炉口压缩装置Fig.2 The compression device in furnace door

2.1 加热工件所需热量Q件

生产率P=120 kg/h，加热工件所需热量

2.2 通过炉衬的散热损失Q散

此项热损失是指炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到大气中的热损失。

对于炉墙散热，根据图1先假设界面上的温度及炉壳温度，设t2=1060℃，t3=860℃，t4=90℃，t5=30℃。

由工业炉设计手册查得 S1、S2、S3、S4层炉衬的热导率 λ1、λ2、λ3、λ4分别为:

当炉壳温度为30℃，室温为20℃时，a∑综合传热系数经近似计算得a∑=9.48 W/(m2·℃)。

1)求热流

2)计算实际交界面上的温度 t2墙、t3墙、t4墙

图3 炉墙结构图Fig.3 The structure figure of furnace wall

Δ＜5%，满足计算要求。

Δ＜5%，满足计算要求。

Δ＜5%，满足计算要求。

3)验算炉壳温度t5墙

满足一般热处理电阻炉表面温度。

4)炉墙散热损失

同理可求得:Q顶散=1644.24 W;Q底散=1180.14 W(计算过程省略)。

因此，整个炉体散热损失 Q散=Q墙散+Q底散+Q顶散=3147.04+1644.24+1180.14=5971.42 W=21497.11 kJ/h。

2.3 其他热损失Q它

其他热损失约为上述热损失之和的10%～20%，故 Q它=0.2(Q件+Q散)=0.2(88329.6+21497.11)=21965.34 kJ/h。

2.4 热量总支出Q总

其中Q辅=0，Q控=0，由公式得

Q总=Q件+Q散+Q控+Q它+Q辅=88329.6+21497.11+21965.34=131792.05 kJ/h。

2.5 炉子安装功率

由P安=KQ总/3600(其中K为功率储备系数，取1.5)得

与标准炉子比较，为了使空炉加热时间缩短，取炉子功率为150 kW。

3 炉子热效率及空载功率的计算

正常工作的功率

空载功率

4 空炉升温时间计算

由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因为升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。

4.1 蓄热量计算

经计算

(详细计算过程省略)

空炉升温时间t升=4303818/(3600×150)=8 h。

因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4 h以内。

5 电热元件材料选择及计算

电热元件要求具有良好的高温力学性能和化学稳定性、高电阻率、较小的电阻温度系数、低热胀系数和良好的机械加工性能。

综合以上因素选择线状OCr25Al5合金作电热元件，它不仅抗蚀能力强、高温力学性能好、电阻率大、电阻温度系数小而且功率稳定。

炉温1100℃时，取电热组件OCr25Al5的工作温度为1200℃，查得OCr25Al5合金在20℃时电阻率ρ0=1.4 Ω·mm2/m，电阻温度系数 α =3 ×10-5/℃，则1200℃下电热元件电阻率ρt=1.512 Ω·mm2/m。

根据所选电热组件，选取W允=3.8 W/cm2。

查得OCr25Al5的密度ρ=7.1 g/cm3，每组电热组件的重量

6 总结

本文根据对近几年在热处理炉设计上的分析与总结，在以前设计热处理炉的基础上，使本文设计的热处理炉性能更加优化、经济节约、操控条件好、节能。保温性能更加出色。

［1］热处理手册编委会.热处理手册第三卷［M］.北京:机械工业出版社，1992:11-166.

［2］支左，王亚军，韩学成.特大型全纤维车市电阻炉设计［J］.工业炉，1999，20(6)30 -33.

［3］第一机械工业部第一设计院.工业炉设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1981:528-575.

［4］吉泽升.热处理炉［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2010.

［5］杜辉.高温电阻炉的改造［J］.热处理技术与装备，2009，30(2)62-63.

Design of Heat Treatment Furnace for A Small Part

CHU Yi-bin1，SHI Cheng-jiang1，YU Cheng-hai2，TONG Jin-zhong1，YIN Chun-yu1
(1.Liaoning Shihua Univercity，Fushun Liaoning 113001，China;2.The Northeast Branch Office of China Three Gorges New Energy，Harbin Heilongjiang 150000，China)

The electric resistance furnace converts electrical energy into heat energy through electro thermal components，and heats metal in the furnace.The thermal efficiency of resistance furnace is more than flame furnace，easy to control temperature，good operating conditions and durable life-time.It applies to workpiece with strict heating system，but electrical cost is higher.According to the heating condition of small part，a heat treatment furnace with good performance and economic benefit and high efficiency is designed in this paper.The power of electric resistance furnace and heating time in empty funrnace are calculated，as well as material of electrical heating element celected and calculated.Based on the design of furnace，the furnace door and furnace lining are optimized，in order to make the leakfness and thermal insulation properties of the furnace door are better.

heat treatment furnaces;heating，;energy saving

TG155.1+1

A

1673-4971(2014)05-0054-04

2014-05-30

褚义彬(1989-)，男，硕士研究生，主要从事过程装备监测与控制技术的研究。

联系电话:18241300395;E-mail:469465800@qq.com