課程類別：必修課適用專業：金屬材料工程學時：2周學分：
教研室主任大綱執筆人： 大綱審批人：
一、課程設計的性質、目的與任務
課程設計是學生在完成基礎課、技術基礎課和大部分專業課學習後的乙個教學環節，是培養學生應用已學到的理論知識來解決實際工程問題的一次訓練，並為畢業設計奠定基礎。通過本次課程設計培養學生具有熱處理爐的初步設計能力。設計能力是通過設計人員的設計思想、設計原則和設計方法體現出來的。
學生通過較典型的具有代表性的熱處理爐設計，了解和掌握熱處理爐的設計方法，使學生在校學習期間即能掌握設計要領，又具有一定的設計能力；通過設計使學生們對熱處理爐及所學過的相關課程進行必要的複習，並在實踐中檢驗學生綜合掌握，靈活運用的程度和效果；通過設計培養學生熟練運用手冊和參考資料的能力。本課程旨在為學生將來從事設計和裝置維護工作打下乙個堅實的理論基礎。
二、選題型別
熱處理電阻爐：中、高溫箱式電阻爐；中、高、低溫井式電阻爐；中、高溫臺車式爐；中、高溫箱式氣體保護電阻爐；井式氣體滲碳、碳氮共滲電阻爐；井式氣體滲氮、氮碳共滲電阻爐；真空電阻爐。每名學生由教師指定題目，每人一題。
三、課程設計基本內容及要求
1、指導教師發放題目，學生根據各自題目查詢有關資料和書籍，在同課題組的同學對於某些難點、關鍵問題可以互相討論，共同研究。
2、具體內容：①學生根據自己的題目和有關參考資料，獨立進行構思和分析，制訂整體設計方案，要求確定的設計方案要科學、合理；②根據設計方案進行爐體結構及電熱元件的設計計算，計算要準確；③進行畫爐體圖和零部件圖，畫圖時要保持圖面清潔、完整；④選擇控制部分所需要的控溫儀表、熱電偶等；⑤編寫設計說明書，控溫部分的工作原理等方面的內容，條理要清晰。
3、編寫設計說明書的要求
設計說明書是存檔檔案，是設計的理論計算依據。說明書的格式如下：
採用統一購買的課程設計專用本手寫，任務內容抄寫在本中的任務書一頁內。
4、說明書的內容及計算說明專案
封面；原始資料及資料（任務書，抄寫上）；目錄；摘要；設計計算過程；控溫裝置的選擇及其原理說明；參考文獻。注：按照此順序裝訂。
5、設計圖紙
⑴爐子總圖一張（0＃），要求如下：
a．圖面清晰，比例正確；
b．尺寸及其標註方法正確；
c．標題欄、明細表必須按照統一規定的格式，指導教師在設計之前給出；
d．爐襯材料的表示方法必須按照給定的標準表示，如圖1所示；
e．檢視、剖檢視完整正確；
f．圖紙上要注出必要的技術條件,字型採用仿宋體四號字。
⑵ 部件圖一張（3＃或4＃）、零件圖一張（4＃）.
圖1 爐襯材料的表示圖示
四、基本原理
熱處理電阻爐的設計是一項綜合性的技術工作，除需爐子知識外，還包括熱處理工
藝、機械設計、電工及溫度控制等有關內容，必須密切結合生產實際綜合運用有關知識。
在爐子設計前，應詳盡收集有關原始資料。包括爐子的生產任務及作業制度(一、二班或連續生產)；加熱工件的材料、形狀、尺寸和重量;工件的熱處理工藝規程和質量要求；電源及車間廠房等條件；爐子的製造維修能力和投資金額等。
熱處理電阻爐的設計包括如下內容：(1)爐型的選擇；(2)爐膛尺寸的確定；(3)爐體結
構設計(包括爐襯、構架、爐門等)；(4)電阻爐功率的計算及功率分配；(5)電熱元件材料的
選擇；(6)電熱元件材料的設計計算；(7)爐用機械裝置和電氣、控溫儀表的設計與選用；(8)繪製爐子總圖、砌體固、零部件因、安裝圖和編制設計說明書。
1、爐型的選擇和爐膛尺寸的確定
（一）爐型的選擇
正確地選擇爐型是爐子設計的關鍵環節。爐型選擇主要是指採用什麼型別的爐子能夠滿足工藝及產量的要求，並能結合企業的具體情況，保證爐型在技術上是先進的，經濟上是合理的。在選擇電阻爐的爐型時應主要考慮以下幾個方面：
（1）工件的特點(形狀、尺寸、重量)：加工細長軸類工件，為防止變形宜用井式爐；加工大中型鑄、鍛毛坯件的退火、正火、回火等處理，則宜用台車爐；小型軸承鋼球、滾子等則選用滾簡式爐等。
（2）技術要求：對加熱溫度、爐膛介質、冷卻速度、冷卻方式、表面狀態、允許變形量等有特殊要求時，如高合金鋼模具淬火需要用高溫爐。精加工零件表面要求不氧化則需要保護氣氛爐、真空爐，有表面硬度及化學熱處理要求的則需滲碳、滲氮爐等。
（3）產量大小：生產量大、品種單
一、工藝穩定情況下，可考慮使用連續爐；對產量不大、品種多、工藝變化大的，則可考慮使用箱式爐或箱式多用爐。
（4）勞動條件：所選爐型盡可能改善勞動條件及工作環境，提高機械化和自動化水平，並防止汙染。
（5）爐子效能：對爐溫均勻性、準確性、控制精度以及公升降溫速度、能耗指標等有特殊要求時也應考慮在內。
（6）其它：對車間廠房結構、地基、爐子建造維修、維護、投資等也應周密考慮。
總之，應綜合考慮各方面的因素。以「優質、高效、低耗、清潔、靈活」為目標，切實滿足熱處理生產的要求來選擇爐型。
（二）爐膛尺寸的確定
爐膛尺寸主要應根據工件的形狀、尺寸、技術要求、裝卸料方式、操作方法和生產率來決定，同時還應考慮造成爐膛內良好的熱交換條件，保證爐內溫度均勻性：減少熱損失和便於電熱元件、爐內構件更換以及爐子維修等。以箱式爐為例，爐膛尺寸包括爐膛有效尺寸(指裝載工件的爐底板寬度和長度以及堆放工件的有效高度)和爐膛砌磚體內腔的尺寸兩個部分。
（1）爐底面積
為防止工件裝、出料時碰撞電熱元件和保證工件溫度的均勻性，工件與電熱元件或工件與爐膛前、後壁之間應保持一定距離，一般為0.1一0.15m。
常把用於裝料的面積稱為有效面積f1，它一般為妒底總面積廠的70％一85％，大型爐取上限。爐底寬度b與長度l之比一般應保持在2/3-1/2範圍內。當爐膛長度小於2m時，接近1/2。
因此，爐底面積的確定有兩種方法：
①實際排料法
對生產批量不大、工件尺寸較大而且形狀特殊者，採用此法。
l＝l效十(0.2—0.3) (m)
b＝b效十(0.2—0.3) (m)
②加熱能力指標法
當工件加熱週期和裝爐量不明確時，爐底面積可根據爐底單位面積生產率po來計算。單位面積生產率指爐子在單位時間內單位爐底面積所能加熱的金屬重量。
f1=p/p0
f＝f1／(70％—85％)
式中：p——爐子生產率（kg/h)。
求出爐底尺寸後，需與標準爐系列進行比較後再確定，以便選用標準尺寸爐底板。
（2）爐膛高度
爐腔高度指爐底面至爐頂拱角的距離。爐膛高度常決定於裝料高度和電熱元件的安裝位置，裝科上方一船應保持200一300mm的空間。對長週期作業的退火爐和滲碳爐，爐膛應高一些，對短週期作業的淬火爐和正火爐以及強制氣流迴圈的護子爐膛應低一些。
依統計資料，爐膛高度與寬度之比多數在0.5一0.9範圍內變動。
近年來有降低爐膛高度的趨勢，對上述比值常取中下限。
井式爐的爐膛尺寸通常按工件和夾具的實際布置情況確定。工件之間的距離一般不少於其直徑或厚度，工件至電熱元件的距離應保持在0.1一0.
2m，至爐底和爐頂的距離為0.15—0.25m。
2、爐體結構設計
爐體包括爐牆、爐底、爐頂和爐門。
（1）爐底
爐底起保持爐內熱量和承載工件的作用，通常箱式電阻爐爐底結構是在爐底外殼鋼板上用矽藻土磚砌成方格仔狀，然後在格仔中填充鬆散的保溫材料，在上面平鋪1—2層保溫磚。之後再鋪一層輕質粘土磚，其上安置支撐爐底板或導軌的重質粘土磚和電熱元件擱磚。
（2）爐牆
爐牆主要為砌磚體。外部為爐殼鋼板。爐殼和保溫層之間通常有一層5—10mm的石棉板。
中、低溫爐爐牆砌體一般分兩層，內層耐火層常用輕質粘土磚砌成，外層為保溫層，由保溫材料構成。高溫爐爐牆常採用三層，內層用重質磚或高鋁磚砌成。中層為過渡層。
一般用輕質磚砌築。有的低溫爐採用雙層鋼板內添保溫材料的結構
爐牆砌體應有適當的厚度，以保證必要的強度和保溫能力，減少蓄熱和散熱損失，其具體尺寸將通過傳熱計算確定。採用新型輕質磚、耐火纖維以及各種超輕質耐火、保溫材料，可大大降低爐子散熱量和提高保溫能力，隨著這類材料的發展，爐子結構也將發生變化。
爐牆通常採用標準磚砌築，因此護牆尺寸應為標準磚尺寸加磚縫厚度(一般為2nm)的倍數。最常見的爐牆由內向外各層厚度，中溫爐是113mm輕質粘土磚和230mm保溫磚；高溫爐是113mm輕質高鋁磚、113mm輕質粘土磚和230mm保溫磚。
3、 電阻爐功率的計算
熱處理電阻爐功率的計算方法有熱平衡計算法和經驗計算法兩種，在課程設計過程中要採用熱平衡計算法。具體方法如下：（以箱式電阻爐為例）
理論計算法就是用熱平衡法來確定爐子的功率。熱平衡計算法就是根據爐子的輸入總功率應等於各項能量消耗總和的原則確定爐子功率的方法。
下面介紹週期作業電阻爐利用熱平衡計算法計算爐子的功率，以一小時為計算單位。
（1）加熱工件所需的熱量q件
kj/h3-1）
式中g-爐子的生產率（kg/h）；t1、t2-工件加熱的初始和終了溫度（℃）；c1、c2-工件在t1和t2時的比熱容，[kj/（kg·℃）]。
若以加熱階段作為熱平衡時間單位時，應為
（kj/h3-2）
式中： -一次裝爐重量（kg）；τ加-加熱階段時間（h）。
（2）加熱輔助構件(料筐、工夾具、支承架、爐底板及料盤等)所需熱量q輔
（kj/h3-3）
式中： -每小時加熱輔助構件的重量(kg/h)；t1、t2-輔助構件加熱的初始和終了溫度（℃）；c1、c2-輔助構件在t1和t2時的比熱容，[kj/（kg·℃）]。
(3)加熱控制氣體所需熱量q控
（kj/h3-4）
式中-控制氣體的用量（m3/h）；t1、t2-控制氣體入爐前溫度和工作溫度（℃）；-控制氣體在溫度範圍內的平均比熱容。
（4）通過爐襯的散熱損失q散
在爐體處於穩定態傳熱時，通過雙層爐襯的散熱損失為
kj/h3-5）
製冷技術與裝置課程設計任務和指導書
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