褚義彬，石成江，于成海，童金鐘，尹春雨

(1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順 113001; 2.中國(guó)三峽新能源東北分公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

一種小型零件熱處理爐的設(shè)計(jì)

褚義彬1，石成江1，于成海2，童金鐘1，尹春雨1

(1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順 113001; 2.中國(guó)三峽新能源東北分公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

電阻爐通過(guò)電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱爐內(nèi)的金屬。電阻爐比火焰爐熱效率高、溫度易控制、操作條件好、爐體壽命長(zhǎng)，適用于加熱制度要求較嚴(yán)的工件加熱，但電費(fèi)較高。本文根據(jù)小型零件加熱條件設(shè)計(jì)了一種性能和經(jīng)濟(jì)效益良好，且效率高的熱處理爐。計(jì)算了電阻爐的功率、空爐升溫時(shí)間，并選擇和計(jì)算了電熱元件的材料。在設(shè)計(jì)爐子的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了爐門以及爐襯，使?fàn)t門的密封性和保溫性能更優(yōu)良。

熱處理爐;加熱;節(jié)能

我國(guó)金屬熱處理行業(yè)使用的電阻爐多屬于老化產(chǎn)品，性能差，耗能大，熱效率低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能的需要，從事熱處理爐的研究和生產(chǎn)的工作者，近年來(lái)創(chuàng)造出各種節(jié)能熱處理爐。本文按照現(xiàn)在生產(chǎn)工藝的要求，通過(guò)理論設(shè)計(jì)和校核，精選加熱元件，確定設(shè)計(jì)方案，制成中高溫電阻爐。條件為:額定溫度1000℃，最高使用溫度1100℃，有效尺寸L×B×H=1500 mm×800 mm×600 mm。

1 爐型的選擇及爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

爐型的選擇應(yīng)根據(jù)不同的加熱工藝要求及被加熱物的類型來(lái)決定。對(duì)于所需加熱的工件，不能批量定型生產(chǎn)的，工件大小不相等的，種類較多時(shí)，要求在加熱工藝上具有多同性的，可選用箱型電阻爐。

1.1 材料的選取

最高使用溫度為1100℃，為了使?fàn)t子節(jié)能，爐襯材料要求體積密度小、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小，這樣才能使?fàn)t襯蓄熱量小，從而空爐升溫時(shí)間短，也會(huì)使?fàn)t壁的熱損失降低。因此為了滿足實(shí)際的使用條件，本著節(jié)約的原則，選擇高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚和B級(jí)硅藻土磚作為爐襯材料。

爐底的結(jié)構(gòu)受電熱元件安裝方式、導(dǎo)軌、爐底板和傳動(dòng)裝置的影響，爐底的保溫一般采用把爐底砌成格子狀，然后在格子中填保溫材料。爐底采用四層，即2×65 mm LZ-48高鋁磚、2×65 mm QN-1.0輕質(zhì)粘土磚、113 mm B級(jí)硅藻土磚和200 mm膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。

爐底隔板采用重質(zhì)粘土磚，電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-Ni耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出分三塊或四塊，厚20 mm。爐體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

爐門采用氣缸帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的爐門壓緊裝置(如圖2所示)，這樣可以保持爐門的密封性，有足夠的保溫能力，降低熱損失，保持爐前區(qū)有良好的溫度均勻度。

圖1 砌體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The figure of masonry structure

2 電阻爐功率的計(jì)算

電阻爐功率的大小影響升溫速度，如果功率過(guò)小則爐子升溫太慢、耗電量大;功率過(guò)大則會(huì)增加供電系統(tǒng)的投資和電熱元件布置困難。

根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率，熱平衡計(jì)算是根據(jù)輸入總功率(收入項(xiàng))應(yīng)等于各項(xiàng)能量消耗(支出項(xiàng))總和的原則確定爐子功率的方法。爐子能量消耗包括加熱工件所需熱量(Q件)、通過(guò)爐襯散熱的損失熱量(Q散)、其他熱損失(Q它)。由于爐門不經(jīng)常開啟，所以通過(guò)開啟爐門或爐壁縫隙的輻射損失與溢氣可忽略不計(jì)。

圖2 爐口壓縮裝置Fig.2 The compression device in furnace door

2.1 加熱工件所需熱量Q件

生產(chǎn)率P=120 kg/h，加熱工件所需熱量

2.2 通過(guò)爐襯的散熱損失Q散

此項(xiàng)熱損失是指爐膛內(nèi)熱量通過(guò)爐墻、爐頂、爐底散發(fā)到大氣中的熱損失。

對(duì)于爐墻散熱，根據(jù)圖1先假設(shè)界面上的溫度及爐殼溫度，設(shè)t2=1060℃，t3=860℃，t4=90℃，t5=30℃。

由工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 S1、S2、S3、S4層爐襯的熱導(dǎo)率 λ1、λ2、λ3、λ4分別為:

當(dāng)爐殼溫度為30℃，室溫為20℃時(shí)，a∑綜合傳熱系數(shù)經(jīng)近似計(jì)算得a∑=9.48 W/(m2·℃)。

1)求熱流

2)計(jì)算實(shí)際交界面上的溫度 t2墻、t3墻、t4墻

圖3 爐墻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure figure of furnace wall

Δ＜5%，滿足計(jì)算要求。

Δ＜5%，滿足計(jì)算要求。

Δ＜5%，滿足計(jì)算要求。

3)驗(yàn)算爐殼溫度t5墻

滿足一般熱處理電阻爐表面溫度。

4)爐墻散熱損失

同理可求得:Q頂散=1644.24 W;Q底散=1180.14 W(計(jì)算過(guò)程省略)。

因此，整個(gè)爐體散熱損失 Q散=Q墻散+Q底散+Q頂散=3147.04+1644.24+1180.14=5971.42 W=21497.11 kJ/h。

2.3 其他熱損失Q它

其他熱損失約為上述熱損失之和的10%～20%，故 Q它=0.2(Q件+Q散)=0.2(88329.6+21497.11)=21965.34 kJ/h。

2.4 熱量總支出Q總

其中Q輔=0，Q控=0，由公式得

Q總=Q件+Q散+Q控+Q它+Q輔=88329.6+21497.11+21965.34=131792.05 kJ/h。

2.5 爐子安裝功率

由P安=KQ總/3600(其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.5)得

與標(biāo)準(zhǔn)爐子比較，為了使空爐加熱時(shí)間縮短，取爐子功率為150 kW。

3 爐子熱效率及空載功率的計(jì)算

正常工作的功率

空載功率

4 空爐升溫時(shí)間計(jì)算

由于所設(shè)計(jì)爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐子側(cè)墻、前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，因?yàn)樯郎貢r(shí)爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。

4.1 蓄熱量計(jì)算

經(jīng)計(jì)算

(詳細(xì)計(jì)算過(guò)程省略)

空爐升溫時(shí)間t升=4303818/(3600×150)=8 h。

因計(jì)算蓄熱時(shí)是按穩(wěn)定態(tài)計(jì)算的，誤差大，時(shí)間偏長(zhǎng)，實(shí)際空爐升溫時(shí)間應(yīng)在4 h以內(nèi)。

5 電熱元件材料選擇及計(jì)算

電熱元件要求具有良好的高溫力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性、高電阻率、較小的電阻溫度系數(shù)、低熱脹系數(shù)和良好的機(jī)械加工性能。

綜合以上因素選擇線狀OCr25Al5合金作電熱元件，它不僅抗蝕能力強(qiáng)、高溫力學(xué)性能好、電阻率大、電阻溫度系數(shù)小而且功率穩(wěn)定。

爐溫1100℃時(shí)，取電熱組件OCr25Al5的工作溫度為1200℃，查得OCr25Al5合金在20℃時(shí)電阻率ρ0=1.4 Ω·mm2/m，電阻溫度系數(shù) α =3 ×10-5/℃，則1200℃下電熱元件電阻率ρt=1.512 Ω·mm2/m。

根據(jù)所選電熱組件，選取W允=3.8 W/cm2。

查得OCr25Al5的密度ρ=7.1 g/cm3，每組電熱組件的重量

6 總結(jié)

本文根據(jù)對(duì)近幾年在熱處理爐設(shè)計(jì)上的分析與總結(jié)，在以前設(shè)計(jì)熱處理爐的基礎(chǔ)上，使本文設(shè)計(jì)的熱處理爐性能更加優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、操控條件好、節(jié)能。保溫性能更加出色。

［1］熱處理手冊(cè)編委會(huì).熱處理手冊(cè)第三卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992:11-166.

［2］支左，王亞軍，韓學(xué)成.特大型全纖維車市電阻爐設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)爐，1999，20(6)30 -33.

［3］第一機(jī)械工業(yè)部第一設(shè)計(jì)院.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981:528-575.

［4］吉澤升.熱處理爐［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

［5］杜輝.高溫電阻爐的改造［J］.熱處理技術(shù)與裝備，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，F(xiàn)ushun 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

褚義彬(1989-)，男，碩士研究生，主要從事過(guò)程裝備監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的研究。

聯(lián)系電話:18241300395;E-mail:469465800@qq.com