普通電阻加熱爐的設(shè)計(jì)

1、普通電阻加熱爐的設(shè)計(jì)普通電阻加熱爐的設(shè)計(jì)講解人：馬衛(wèi)東1.11.1目的目的普通電阻加熱爐一般是在高溫條件下進(jìn)行工作的，如若要設(shè)計(jì)此類爐子必須首先要掌握高溫的基本知識(shí)及其測(cè)量方法，本講解內(nèi)容主要針對(duì)我公司非熱加工專業(yè)人員的一般機(jī)械設(shè)計(jì)工程師而編制的。勿需諱言，公司新加盟的機(jī)械工程師大多屬于“非內(nèi)行”設(shè)計(jì)人員，“非內(nèi)行”是指設(shè)計(jì)師不了解熱加工工藝及工序。這些設(shè)計(jì)師們往往設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)使用方來說總是非常蹩腳，因此對(duì)于他們來說在設(shè)計(jì)普通電阻加熱爐

2、前，掌握基本的熱加工工藝及其相關(guān)知識(shí)也是十分重要的。目的如下：（1）掌握高溫爐的結(jié)構(gòu)、電熱體、加熱原理；（2）掌握熱電偶的測(cè)溫原理、測(cè)溫方法、高溫爐恒溫帶的測(cè)量；1.21.2普通電阻加熱爐類型普通電阻加熱爐類型我們所講的普通電阻加熱爐屬于工業(yè)爐，而非是鍋爐，常見的鍋爐不屬于此類高溫工業(yè)爐范疇，鍋爐屬于能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，例如：采暖鍋爐是將煤轉(zhuǎn)化為熱能。而工業(yè)爐是利用其它能源對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱，以達(dá)到對(duì)工件或物料進(jìn)行處理的目的。例如：為改善機(jī)

3、械零件性能的熱處理爐，需要對(duì)特殊零件進(jìn)行焊接的釬焊爐，對(duì)粉末冶金類零件進(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)爐等等…..相關(guān)這些爐子一般稱為工業(yè)爐。根據(jù)工業(yè)爐所用能源供給形式通常分為兩類：一是燃料加熱爐，二是電阻加熱爐。獲得高溫的設(shè)備一般稱高溫爐，現(xiàn)在使用高溫爐的能源大部分是電能。由于當(dāng)前全球環(huán)境不斷惡化的要求，各國(guó)限制CO2的排放幾乎成為共識(shí)，因此對(duì)于使用燃?xì)獾墓I(yè)爐而言，其發(fā)展前景暗淡，所以一般高溫爐在某種實(shí)際意義上就是指電阻加熱爐。根據(jù)加熱方式的不同，電

4、爐又分為電阻爐、電弧爐、電子束爐等等。其中用得比較多的是電阻爐。在電阻爐中又分為管式爐、坩堝爐、馬弗爐等等。電阻爐按傳熱方式又分為輻射式、對(duì)流式及傳導(dǎo)式。輻射式電阻爐是以輻射傳熱為主，對(duì)流較少。對(duì)流式電阻爐是以對(duì)流傳熱為主，輻射為輔，這些爐型一般稱作空氣循環(huán)爐，此類爐型常用于650℃以下的低溫。當(dāng)工件加熱時(shí)加熱介質(zhì)不是空氣而為其它介質(zhì)時(shí)，如：加熱介質(zhì)是融化的鹽、堿或流動(dòng)粒子時(shí)，此種狀態(tài)是以傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式對(duì)工件加熱。此類爐型是我們常見

5、的鹽浴爐、堿浴爐。依據(jù)熱工制度工業(yè)爐又分周期爐和連續(xù)爐。周期爐一般是按單班、兩班生產(chǎn)。連續(xù)爐一般是按三班連續(xù)生產(chǎn)。依據(jù)爐內(nèi)氣氛，又細(xì)分出了氧化性氣氛狀態(tài)下的電阻爐【這是本講解主要內(nèi)容】、真空狀態(tài)下的真空電阻爐、氣氛狀態(tài)下的可控氣氛電阻爐、流動(dòng)粒子爐等等。依據(jù)裝料形式，電阻爐又分為臥式電阻爐、立式電阻爐等爐型。1.31.3一般電阻爐的結(jié)構(gòu)一般電阻爐的結(jié)構(gòu)工業(yè)電阻爐一般由爐襯部分即隔熱耐火層、爐架、加熱元件、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械傳

6、達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)等部分組成，無論那種形式，它們結(jié)構(gòu)基本一致。如圖11所示。電阻爐是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備及綜合裝置，依據(jù)焦耳定律，當(dāng)電流I流過電阻R的導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t便可產(chǎn)生熱量Q：Q=0.24I2Rt(cal)(11)通過以上公式可見：我們控制I、R、t三個(gè)參數(shù)就等于控制了Q值。即可達(dá)到控制發(fā)熱體的目的。在設(shè)計(jì)技術(shù)前，一定要牢記：為了達(dá)到增加熱量值并不是意味著無限度地增加發(fā)熱元件的電阻值，這往往會(huì)增加爐子的制造成本。如適當(dāng)增大發(fā)

7、熱元件的電流，發(fā)熱量將會(huì)成倍增加。這便是電阻爐設(shè)計(jì)原理上需要掌握的精髓。因此合理地選用電熱元件更為重要，依據(jù)設(shè)計(jì)原理首先要計(jì)算出必須的、合理的R值和足夠的I值，確保在工藝及使用需要時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱量Q，達(dá)到設(shè)備所要求的溫度。這里需要強(qiáng)調(diào)的是：選擇R值固然重要，但更為重要的是選擇I值。另一方面，即使電熱元件能夠發(fā)出足夠的熱量，設(shè)備不一定能夠達(dá)到我們所需要使用的溫度，之所以電爐未能達(dá)到所要求的高溫，乃是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬先Q于

8、電爐的隔熱保溫狀況。爐子少散熱或極少散熱才是更為至關(guān)重要的事情。實(shí)際上所有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道：設(shè)計(jì)電爐的正確使用溫度，除了取決于爐子的供熱量以外，更重要的是取決于爐子的散熱量。因此設(shè)計(jì)爐子的保溫能力，如何合理選擇保溫材料的厚度，最大限量地減少熱量損失是工業(yè)爐設(shè)計(jì)工程師首選的、必要的措施之一。電熱元件一般分為金屬和非金屬兩大類。在金屬電熱元件中常用的有鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金、鉑銠、鉬、鎢、鉭電熱體等等，非金屬的有石墨電熱體、碳化硅電熱體等等

9、。（1）鐵鉻鋁合金電熱元件目前國(guó)產(chǎn)的、常見的有三種牌號(hào)：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等其合金性能見表11，隨著技術(shù)進(jìn)步，含Mo等其它鐵鉻鋁合金電熱元件牌號(hào)越來越多，它們適用于10001300℃的溫度范圍內(nèi)工作，甚至更高，有些新材料可達(dá)1400℃以上。它們抗氧化性好、易加工、電阻大，電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格低廉。在高溫下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空氣對(duì)合金的進(jìn)一步氧化，但不宜在還原氣氛中使用，另外還應(yīng)盡量避免與碳、

10、酸性介質(zhì)、水玻璃、石棉及有色金屬等接觸，以免破壞保護(hù)膜。這種電熱體的主要缺點(diǎn)是高溫強(qiáng)度低，經(jīng)常時(shí)間在高溫工作后，加熱元件由于晶粒長(zhǎng)大而變脆。（2）鎳鉻合金電熱體這類合金電熱體適用于1000℃以下的溫度，其型號(hào)為Cr20Ni80、Cr15Ni60等，其性能見表11。此種材料易加工、有較高的電阻率和抗氧化性，在高溫下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再還原氣氛中使用。NiCr合金經(jīng)高溫使用后，只要沒有過燒仍然很柔軟。表1111：Ni

11、CrFeCrAlNiCrFeCrAl合金性能合金性能合金種類成份wt％Cr成份wt％Al成份wt％Ni成份wt％Fe比重20℃電阻系數(shù)Ωm熔點(diǎn)℃電阻溫度系數(shù)1℃導(dǎo)熱系數(shù)KJm.h熱膨脹系數(shù)1℃最高使用溫度℃常溫加工性能Cr25Al523274.56.5余量7.11.451500(34)10560.25151061200裂紋Cr17Al5161946余量7.21.31500610560.2515.61061000裂紋Cr13Al41315

12、3.55.5余量7.41.2614501510560.2516.5106850裂紋Cr20Ni8020237578余量8.41.1114008.510560.25141061100良好Cr15Ni6015185561余量8.151.113901410545.19131061000良好非金屬電熱元件有碳化硅制品、硅鉬制品和石墨注：以上3種電熱元件在今后講解中再詳細(xì)論述。（3）耐火材料和保溫材料為了獲得穩(wěn)定的高溫必須具備兩個(gè)條件，一是要有電