电阻炉设计(design of electrial resistance furnace)

以电能为热源，通过导体的电阻产生热量，使工件或金属材料升温的一种工业炉设计。电阻炉用于工件或金属材料的加热、热处理、钎焊，以及干燥和烘烤等。

电阻炉的分类   有不同的分类方法，有时还将几种分类方法混合、交错使用。

按热能产生方式  分为直接加热式和间接加热式。前者电流直接通过工件使之加热，不需要电热元件，加热速度很快，但对工件的电阻率和几何形状有一定要求。后者电流通过电热元件或导电液体，产生的热量以不同传热方式间接加热工件。工业电阻炉绝大多数属于后一类。

按作业方式   分为间歇式和连续式。

间歇式电阻炉在加热过程中不进行装、出料操作，它按炉温分成低温、中温、高温三类。低温和中温的界线大致在600～700℃。(1)低温电阻炉包括各种干燥炉(箱)、回火炉、多种有色金属的热处理炉和加热炉。主要以对流方式将物料加热，有炉内气流自然循环和强制循环两种。低温电阻炉在中国一般用铁铬铝合金做电热元件。(2)中温电阻炉一般是指炉温为700～1250℃、主要以辐射方式传热的电阻炉，供钢的淬火、正火和退火使用。炉型很多，只有少数几种，例如箱式炉、台车式炉、井式炉和罩式炉等已经系列化，并由电炉厂生产。(3)高温电阻炉是指炉温超过1200～1250℃、在氧化性气氛中不能使用金属电热元件的电阻炉。除通氢的钼丝炉外，用得最多的是硅碳棒箱式电炉。二硅化钼电炉可以用到1600℃。

连续式电阻炉在使用时工件从进料口入炉，沿炉长移动同时按工艺要求加热到规定温度，有的炉子在加热后还要保温甚至炉冷，然后从出料口移到炉外，整个作业是连续(包括脉动)的。它适用于大批量生产。按炉温分成低温、中温、高温三类，或按炉长分成不同的温度区。炉衬和电热元件的结构和间歇式电阻炉基本相同，低温炉或低温区往往采用强制循环方式。各类连续式电阻炉在结构上的差别主要来自工件输送方式的不同，所以经常按输送特点命名，如传送带式、推送式、震底式、辊底式、滚筒式(鼓形)、步进式、转底式、传送链式和牵引式炉等。几座连续式电阻炉及其配套设备联合起来组成一套机械化自动化的联合机组，可以具有很高的生产能力。最常见的是将淬火炉、淬火槽、清洗机、回火炉以及装出料机构和连锁装置组合在一起。有的连续式炉，仅均热段用电热，其它各段用燃料作热源，从而降低了产品成本。

按炉内气氛或介质  分为：普通(氧化性气氛)电阻炉、可控气氛电阻炉、真空电阻炉和电热浴炉四类。冶金工业常用后三类。

可控气氛电阻炉，是工件在可控气氛中加热以保护工件不致氧化和脱碳，或按工艺要求进行化学热处理以改善其性能(见工业炉可控气氛选择)的炉子，如光亮退火炉、渗碳炉等。实际上现代化的、特别是用于大规模生产的工业电阻炉，绝大多数都是这类电炉。它可以再分为间歇式和连续式两种。

真空电阻炉是加热时炉内保持一定真空度的炉子。按真空度的不同，分低真空(15～1．5Pa)、中度真空(1．5～1．5×10^-3Pa)、高真空(1．5×10^-3～1．5×10^-5Pa)和超高真空(1．5×10^-5Pa以下)等四类。按炉温分成低温、中温、高温(>1250～3000℃)三类。大多数是间歇作业式，只有少量是连续式和半连续式。大量使用的真空电阻炉属于外热式(有罐式)，其炉体和普通电阻炉并无明显区别，炉内有真空容器(即炉罐，或称马弗)，罐内放置工件并抽成真空。炉罐直径超过1m，温度为750～900℃的炉子，炉罐外的炉膛空间也需抽成低真空。另一种是内热式真空电阻炉，整个加热室和保温层(或隔热屏)都密封在水冷真空容器内。和可控气氛电阻炉相比，真空炉除了具有类似功能外(10～1Pa的真空度相当于光亮退火所需的一50～一55℃的露点)，还有明显的除气效果，其缺点是加热、炉冷都比较慢，温度均匀性较差。冶金工业中经常采用的真空一可控气氛组合式电阻炉消除了这一缺点：待炉料上吸附的气体离开炉膛后就解除真空，改成可控气氛循环，通常用在罩式炉之类的间歇作业式炉上。连续式炉是在装出料台架和前室之前增设一段和料长相称的真空脱气室。

电热浴炉是利用液体进行加热的炉子，有盐浴炉、碱浴炉、油浴炉、铅浴炉等，其中以盐浴炉用得最多。盐浴炉按热源位置分外热式和内热式两种，外热式盐浴炉使用圆形或方形盐槽，工作温度低于850℃，结构简单，不需要变压器。内热式盐浴炉使用管状电热元件(低于550℃)或电极(600～1300℃)加热，后者又称电极盐浴炉。电极盐浴炉不需要耐热钢和电热合金(电极用低碳钢)；盐液受电磁搅拌，温度均匀；但需要变压器。其中埋入式电极盐浴炉因电极不占盐槽内部空间，比插入式电极盐浴炉可节电约30％；埋入式电极形状稍复杂，但使用寿命较长。

电阻炉的设计内容   包括热工工艺设计、电热元件及有关部件设计、炉体构件和辅助设备设计三部分。

热工工艺设计   其内容包括：根据工艺需要正确选择炉型；根据装炉工件、必要的夹具或料盘、电热元件及其支承件等所需空间和必需的间隙确定炉膛尺寸；根据炉温、作业制度和炉内气氛选定炉衬的结构尺寸和材质；根据炉子产量和热损失大小，用指标、经验公式估算或作热平衡计算，确定炉子的额定功率。估算虽然简便，但局限性较大。普通箱式炉和井式炉的估算见表，其中炉膛容积按名义尺寸计算：箱式炉为炉口宽度、炉口高度和炉膛深度的乘积，井式炉按炉口直径和炉膛深度计算，要求升温快的取较大值。或根据炉温t(℃)、冷炉升温时间τ(h)、炉膛内表面积F(m²)，按下式估算：

式中P为炉子额定功率，kw；K为安全系数，取1．2～1．3；C为系数，砖砌炉衬约取25，耐火纤维炉衬约取18。热平衡计算方法和火焰炉相同。

 
    炉温／℃
 

    按炉膛容积
 
  V(m3)计／kW

按炉膛表面积计／
 
    kW·m一2

    1200
  950～1000
  650～700
    400

  (100～150)V 0·667
    (75～100)V 0·667
    (50～75)V 0·667
    (35～50)V 0.667

    15～20
    10～15
    6～10
    4～7

设计中需考虑的事项有：(1)要尽可能减少散热损失与蓄热损失，例如炉衬的外表面温度，对于连续式电阻炉不应超过40℃(炉温低于1000℃的工业电阻炉)和70℃(炉温高于1000℃的工业电阻炉)，对于间歇式炉不应超过50℃和80℃。内热式真空炉的炉衬，除要求隔热性能良好外，还要求除气迅速、比热容小和热稳定性好；主要采用金属隔热屏、石墨毡或耐火纤维制品，其它材料，如隔热耐火砖，则较少采用。(2)炉内或各温度区内温度要均匀，各部位的功率分配要合理。(3)要注意热膨胀、减少热变形，备部件工作要可靠。例如受热的受力构件，要正确选择其许用应力，必要时用风冷或水冷。(4)要便于操作、维修和运输，尤其是电热元件等易损件的维修。(5)设计成品的技术标准要符合有关的规范和标准，如“电热设备基本技术条件，间接电阻炉(GB10067．4)”。总之，设计正确是取得合理的技术经济参数(单位面积产量、冷炉升温时间、空炉损耗功率、单位电能消耗等)的重要前提。

电热元件设计   根据炉子结构和分区情况、功率分配、供电电压等进行电阻炉用电热元件设计。要选用合适的材质和安装方式，计算电热元件尺寸，保证元件的表面负荷率和最高使用温度在允许范围内。确定引出棒、汇流排以及可能需要的调压变压器的规格。真空电阻炉在选择电热元件材质时，应保证该材料在工作温度下的饱和蒸气压低于炉子的真空度，并与所接触的高温隔热材料不发生化学反应。对于炉温低于1200℃、真空度低于6．5×10^-2Pa的炉子，如无特殊要求，可使用镍铬合金或铁铬铝合金；对于温度或真空度更高的炉子，通常用钼、钨、钽作电热元件，其表面负荷率为20～40W／cm²，并选配调压变压器。

炉体构件和辅助设备设计   包括炉内导轨、工件输送装置、循环风扇等的设计，它们和火焰炉大体相同，一般装备水平较高。