一种燃柴油热处理炉的设计外文翻译资料

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一种燃柴油热处理炉的设计

*K.K. Alaneme和S.O.Olanrewaju

尼日利亚PMB704，阿库雷，联邦技术大学，冶金和材料工程部

*通讯作者： kalanemek@yahoo.co.uk

摘要

本研究关注于利用当地材料设计一种燃烧柴油的热处理炉。此设计思路是取消要利用电能的发热元件，因为尼日利亚的电力供应严重不足。我们绘制了设计图纸，并利用低碳钢进行炉套制造，同时基于功能性、耐用性、成本和可用性选择了设计需要的其他部件。炉子组装如下：炉套内部衬一层由加热的高岭土、黏土、锯末和水制成的耐火砖，然后组装内胆和电气部件(温度控制器、指示灯等)。接着进行测试以评估炉子的性能。观察结果表明炉子具有很高的加热率(以61.24℃/min的速率达到预设的900℃)；燃料消耗率低于1.41L/h。还观察到炉子的保温性较好；易于维护；使用安全。

关键词：燃柴油；炉子；耐火材料；设计；性能

1. 前言

改变微观结构以获得想要的性质是冶金材料开发的一种基础手段。热处理是开发微观结构的主要方法之一，它需要利用能够达到预定温度、加热和冷却速率、并能够达到诱发相变所需要的环境条件的炉子[1]。要成功进行热处理操作，炉子必须具有有效的温度感应能力、保温能力和可控的环境能力。根据材料和期望的性质的不同，热处理过程要求的热循环周期从几分钟到几个小时不等[2-3]。尼日利亚缺乏稳定的电源供应导致有效进行热处理操作变得很困难。在大学和研究机构里，这种情况已经影响到了很多对通过热处理进行微观结构开发的研究者的研究成果。这成为本研究的动力。本研究旨在开发一种依赖柴油燃烧的便携式热处理炉，该炉子能够产生将炉温提高到希望水平所需的热量。取消需要电能来发挥功能的加热元件是本设计的主要原理。已报道有大量为了满足尼日利亚科技环境的研究工作[4-5]，但是几乎没有有关燃柴油热处理炉设计的文献。我们完成的设计将会显著减少对马弗炉的依赖，并且保障了试验热处理研究工作不会因为电力供应而中断。

1. 材料和方法

2.1 材料

设计燃烧柴油热处理炉所利用的材料有：2mm厚的钢板；从尼日利亚西南部两处矿物沉积点开采的高岭黏土、二氧化硅耐火砖、硬木锯末、温控器、热电偶、开关、指示灯、导线、柴油、塞子、燃烧器以及铬基合金钢内胆。

2.2 设计

2.2.1 炉套

所选择的低碳钢钢板化学成分为：0.15%C，0.45%Mn，0.18%Si，0.031%S，0.001%P，0.0005%Al,0.0008%Ni和铁。之所以选择这种低碳钢制造炉套是因为它质轻、强度高、成型性好、优良的焊接性和可用性，以及购买成本低。炉套包裹了炉子的所有部件，包括耐火砖和内衬、电气部件(温控器、指示灯等)、燃烧器、排气口和热处理内胆(内腔)。设计需要考虑以下因素：控制盒应该连接到炉套上，而且控制盒必须由易于接线。燃烧器的尺寸要能配合燃烧器入口的尺寸。排气管道的应该是长方形，而且要足够大以给内衬留足允差。排气管要足够长以确保废气要排放到距离热处理环境足够远的地方来保障操作者的安全。图1给出了设计图纸。

炉套尺寸如下：

炉套高度= 500mm

炉套直径= 440mm

排气管道宽度= 101times;101times;1000mm

控制盒距离炉壁的距离= 45mm

控制盒尺寸= 180times;180times;300mm

Exhaust:排气管；exhaust inlet: 排气入口；burner:燃烧器；burner inlet:燃烧器入口

Handle：手柄；cover:盖子；thermocouple:热电偶；inner pot:内胆

Burning chamber:燃烧腔；refractory：耐火材料；temperature controller box:温控盒

图1： 体现所有关键单元的炉子设计截面图

2.2.2 内胆和盖子

内胆是一个插入炉套的圆柱形腔体。它装载需要加热的部件/样品，发挥着加热腔的作用。内胆作为一种传递燃烧腔内产生的能量的介质，确保被加热样品不会与燃烧火焰和气体直接接触。为此，内胆由铬基钢材制成，它具有高耐热性、高强度和良好的热传导性，因为它会直接接触热。内胆的尺寸为：厚度10mm；直径140mm；长度120mm。胆底覆盖有两层同样的钢材，使其厚度成为20mm。内胆周围有一个环形法兰以确保组装过程中内胆的位置固定。法兰上焊接两个环来放置热处理中的样品。盖子也由2mm厚的低碳钢板制成。盖子上有一个窥视孔和一个打开炉盖的手柄。

2.3 制造过程

2.3.1 炉套

炉套由2mm厚的低碳钢板制成。将钢板切割成500mm高，然后轧制成直径为440mm的圆柱。将接缝处滚焊以获得足够强度和刚度。然后切割一个直径为440mm的环形板并将其滚焊起来以覆盖住圆柱底部形成炉套。距离炉套顶部126mm处切割一个100times;100mm的长方形排气孔，然后在底部切割一个圆孔，该圆孔与排气孔水平角度为45°。将一个由钢板折叠成的尺寸为100times;100times;100mm的正方形盒焊接到排气孔上形成排气结构。再制造一个可拆卸的排气管将烟雾排放到大气中。由低碳钢制成尺寸为101times;101times;1000正方形管道，并将其滚焊起来。

接下来是电气单元的外壳，它是将一个钢板折叠成为尺寸为180times;180times;300mm的中空立方体。立方体盒的一端用一尺寸为180times;180mm的平板覆盖；将平板和立方体盒焊接在一起，然后焊接到炉套上，保证外壳和盒体之间有一定余量。外壳垂直倾斜30°，便于站立时的观察。然后在盒子另一端制作一个盖子，这个盖子不通过焊接而是通过螺纹来承载装置，然后通过扣合覆盖在盒子上，这个盖子其实是可以移动的。另外一个直径为10mm的圆形孔位于炉套底端用来安装燃烧器。

2.3.2 耐火里衬

炉子的耐火里衬是由两种不同黏土(其中一种富含高岭土)、细硬木锯末和水按照体积比为4:12:3:1的比例混合而成。将混合物整体浇注成梯形和长方形。浇注好的黏土内衬至少自然干燥一周，然后逐步升温烧结内衬(温度从100℃到1000℃，周期为3到48小时)。混合物中的锯末在加热过程中会烧掉从而留下空隙，增加了耐火材料内衬的隔热性。炉子的内衬包含三个部分：

bull;基底：首先在炉套内壁周围铺设一层耐火材料形成支撑，并用干沙填充基底中心。在炉壁衬里铺好后用水湿润表面。

bull;铺设耐火砖：然后给炉壁铺设耐火砖；接着用由黏土、高岭土和水的混合物加固耐火砖。然后仔细将内胆放入，最后进行涂上灰膏和最终表面处理；

bull;干燥：然后将组件干燥两周，修复干燥期间的开裂部分。恰当地修补干燥过程中发生的黏土收缩和开裂，以促进工作效率和炉子的寿命。所利用的耐火材料如图2所示。

图2：当地出产的耐火材料和耐火砖

2.4组装

需要组装的部件包括：外壳和内胆，耐火部分，燃烧器和电气部件。

首先定位外壳；然后铺设耐火材料，使得侧壁厚度为100mm，基底厚度200mm；接着涂覆高岭土和黏土的混合物。然后将内胆放置到炉套内部，并用耐火材料支撑到法兰处，内胆周围留有50mm的燃烧区，内胆和基底之间有100mm的燃烧区。

然后让炉套、内胆和耐火材料自然干燥几天。耐火材料由于失水收缩，从而会产生一些缝隙。然后利用更多耐火混合物涂覆这些裂纹。这么做是为了防止由于不恰当的耐火材料模子和支撑件造成的爆炸或热损失。也要固定好炉盖和样品支撑件。

然后安装排气管。炉套的设计使得排气孔向外凸出以防止出口处热量集中造成炉子损伤。突出的长度大概是100mm，比排气管内部截面的尺寸小2mm。这样做有助于无方向的热流和烟雾能通过对流排出腔体。

接着是燃烧器。将燃烧器放置在排气孔下方与水平面成45°的孔上。这个位置使得热量通过排气孔之前，燃烧腔内的热量均匀并且有足够的加热时间。燃烧器放置的方式使得火焰可以直接从同等距离之处到达内胆底部。通过这种设置，燃烧腔的温度可以高达1100℃，然内胆的温度可以到达900℃-1000℃。

然后连接炉子系统自动化所需要的电气装置。这包括将热电偶通过热电偶导线连接到温度控制器上。控制器开关能控制燃烧器的接通断开。控制盒连接到炉子上，但是二者有几厘米的距离以避免加热温控器。控制盒与垂直方向成30°以便与站立时查看。通过一个同业开关可以接通或断开炉子，炉子的工作程序是通过LED指示灯显示的。

2.5电气连接

这部分包含为了实现炉子功能而进行的电气-技术装置的连接和燃烧器的连接。热电偶放置在内胆里以读取温度，而且它与温控器相连。通过一个工业开关装置给系统接通交流电流。使用软电缆将电流接到开关上。然后将开关连接到温控器上。然后通过软电缆利用定时器将控制器连接到点燃燃烧器的火花器上。控制器也直接与提供燃料的燃烧泵相连。LED指示灯的连接要保证当炉子接通、燃烧器接通和炉子工作时都能进行指示。图3给出了炉子的电路图。

Electric motor/pump:电机/泵；sparker transformer:火花器；light indicator：指示灯；

Temperature controller:温控器； thermocouple:热电偶； switch：开关

图3 炉子的电路图

1. 性能评价

燃柴油热处理炉的性能评价是从炉子的功能性、炉子的效率、易于维护性、安全和健康因素以及成本效率等方面考虑的。

3.1炉子的功能性和效率性

热电偶头位于炉内胆内部。样品放置在距离靠近热电偶头的基底1/3处以确保样品的精确温度。同时，温控器是数字式的，能够精确到小数温度，因而可以改善读取的炉子温度的精确度和准确度。利用外置探头来定期校准温控器可以确保炉子温度读数的可靠性。

在设定温度为900℃时，炉子的加热速率可高达61.24℃/min。这个加热速率远比很多常规的马弗炉高，一般马弗炉要达到900℃的加热速率只有3.75-5℃/min。我们的炉子只需要17分钟就可以达到900℃，从而可以节省大量时间。同时燃料消耗速率小于1.41L/h。这个消耗速率降低了热处理过程中的保温时间，是因为这个设计保证当炉温超过设定温度2℃时，燃烧器的燃料供应就被切断；并且当温度下降到低于设定温度2℃时，可以自动恢燃料供应。因而可以节省燃料。

炉子的保温材料具有较高的保温性能。因为炉子不超过950℃时，操作者和周围人员都可以耐受来自炉子环境的温度。这表明耐火里衬在防止热量从加热腔传导到周围环境上具有很好高的效率和有效性。

3.2 安全和维护

不应该将热电偶从内胆的位置上移开，因为移开热电偶会导致过热从而对内胆造成损坏。在操作中，实际供应的燃料一定要比预计的多，以确保不会造成燃料中断。因为燃料中断可能导致爆炸。必须定期校准温控器以确保能获得精确的读数。热处理样品在放入到炉子内部之前要恰当干燥，因为样品的水分可能爆炸，从而对炉子造成损坏[6]。应该避免燃烧器的电压波动，因为电压波动会造成风机损坏。同时，每年必须至少保养风机/泵两次以保障炉子的最佳性能。操作者应该穿戴个人防护设备(安全工具)，比如手套、热保护器；工作结束后要摄入富含牛奶的饮料以补偿炉子热辐射的影响[7]。炉子要放置在通风良好的环境中以避免窒息并能及时排除所产生的二氧化碳气体，如图4所示。这种设计使得所有部件都容易拆卸维修，而损坏的部件可以很容易替换掉，因为所有部件都相对便宜而且可以在当地获得。

图4. 测试中的燃柴油炉

3.3成本分析

炉子设计所用的全部材料和设备见表1。设计中使用的材料和设备都可以在当地获取：整体设计成本大概是150,000奈拉(1000美元)。与国外类似炉子相比，这种炉子造价很低。

表1：工程管理和评估的材料清单

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