热处理箱式电阻炉的设计(共16页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 x x 大 学 热工过程与设备 课程设计题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率150kg/h，功率39kw，工作温度600）院（系）：X X专业班级：X X学号：X X学生姓名：X X指导教师：X X起止时间：X X课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院 教研室：材料教研室学 号X X学生姓名X X专业班级X X课程设计（论 文）题 目热处理箱式电阻炉的设计生产率150g/h，功率39kw，工作温度600课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。二、课设任务设计任务：设计热处理箱式电阻炉，生产率150kg/h，功率39kw，工作温度600。1、炉型选择；2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计；4、计算炉子功率；5、炉子热效率计算；6、炉子空载功率计算；7、空炉升温时间计算8、功率分配与接线；9、电热元件材料选择与计算；10、电热体元件图；11、电阻炉装配图；12、炉子技术指标；13、参考文献。三、设计说明书要求设计说明书结构见设备设计模板。工作计划1设计方案确定，1天；2确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算，5天；3绘制电热元件图和电阻炉草图，书写整理打印设计说明书，3天；4设计验收及答辩，1天。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日专心-专注-专业目 录一、炉型的选择2二、确定炉体结构和尺寸2三、砌体平均表面积设计4四、计算炉子功率5五、炉子热效率计算7六、炉子空载功率计算7七、空炉升温时间计算7八、功率分配与接线9九、电热元件材料选择与计算9十、电热体元件图11十一、电阻炉装配图11十二、炉子技术指标11参考文献12设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；(2)生产率：150kg/ h； (3)工作温度：最高使用温度600；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。由于小批量生产，品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定炉底面积的计算方法有两种。一种是根据一次装料量计算，另一种是根据炉底强度指标计算1。因工件的加热周期和装炉量不明确，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。已知生产率为150kg/h，按表511选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2·h)，故可求得炉底有效面积F=p/p0=150/120=1.25m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.750.85，取系数上限0.85，得到炉底实际面积： F=F/0.85= 1.25/0.85=1.47m22炉底长度和宽度的确定对于热处理箱式电阻炉，设计时考虑装出料的方便，根据长度与宽度之比，取L/B=2:1，因此，可求得炉底宽度 L=2.059m B=L2=2.0592=1.030m 为方便砌砖L=2205mm B=1048mm3炉膛高度的确定根据统计的资料，炉膛高度（H）对炉底宽度（B）之比HB通常在05209之间，大多数在0.8左右，根据炉子工作条件，取HB=0.7左右，选定炉膛高度H=707mm。因此，确定炉膛尺寸如下长 L=(230+2)×9+(230/2+2)=2205mm宽 B=(120+2)×5+(50+2)×4+(113+2)×2=1048mm高 H=(65+2)×10+37=707mm为防止工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，在一般情况下，要保证炉料上部有200300mm的空间，有利于辐射与对流传热，由此确定工作室有效尺寸为L效=2000mmB效=950mmH效=500mm砌体结构如图1所示： 轻质粘土砖 硅藻土砖 重质粘土砖 耐热钢图1砌体结构示意图4炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即两层：113mmQN1.0轻质粘土砖和180mmB级硅藻土砖。 炉底采用耐火层314mm，材料为113mmQN1.0轻质粘土砖,绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚180mm。 炉门用65mmQN1.0轻质粘土砖+65mmA级硅藻土砖。 炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。炉底隔砖采用重质粘土砖2。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图1所示。L外=L+2×(113+180)=2791mmB外=B+2×(113+180)=1634mmH外=H+f+(115+180)+（65+2）×3+180=1523mm式中：f拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R(1-cos30°)=140mm求得。1.炉顶平均面积F顶内=（2R/6）×L=2.42m2F顶外=B外×L 外=4.56m2 F顶均= =3.320m22.炉墙平均面积 炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。F墙内=2LH+2BH=5.109m2F墙外=2H外（L外+B外）=13.479m2F墙均= =8.298m23.炉底平均面积F底内=B×L=2.311m2F底外=B外×L外=4.560m2F底均= =3.246m2四、计算炉子功率1据热平衡计算炉子功率(1) 加热工件所需的热量Q件由附表61得，工件在600及20时比热容分别为C件2=0.741KJ/(kg·)，C件1=0.486KJ(kg·)，根据 Q件=p(C件2t1-C件lt0)=150×(0.574×600-0.486×20)=50202.0KJ/h(2) 通过炉衬的散热损失Q散由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内3。根据式(115)2对于炉墙散热，如图594所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，炉内温度t1=600 界面温度为t2=500 炉壳温度t3=60耐火层S1的平均温度t1均=（600+500）/2=550保温层S2的平均温度t2均=（500+60）/2=280炉衬的热导率由附表31得1=0.29+0.×t1均=0.29+0.×550=3.113W/(m·)2=0.13+0.00023×ts3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/(m·)。当炉壳温度为60，室温为20时，由附表21经近似计算可得=12.17W/(m2·)a)求热流q墙 =（600-20）/（S1/1+ S2/2 +1/） =（600-20）/（0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17） =682.4w/m2b)计算交界面上的温度t2墙、t2墙=600-682.4×（0.115/3.113）=574.8验算界面温度（t2墙t2）/t2墙=4.5%<5% 该假设结果满足设计要求，不需要重算.c)验算炉壳温度t3墙t3墙=574.8-682.4（S2/2）=58该结果满足一般热处理电阻炉表面温度<60的要求。d).计算炉墙散热损失Q墙散= q墙·F墙均=682.4×8.298=5662.6W同理可以求得Q顶散= q墙·F顶均=682.4×3.32=2265.6WQ底散= q墙·F底均=682.4×3.246=2215.1W整个炉体散热损失Q散= Q墙散+Q顶散+ Q底散=10143.3W=2819.8kj/h(3) 开启炉门的辐射热损失 设装出料所需时间为每小时6分钟，根据式(56)2Q辐=3.6×5.675Ft-因为Tg=600+273=873K，Ta=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积F=B×=1.048×=0.370 m2炉门开启率t=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.35/1.048=0.34，炉门高度与炉墙厚度之比为0.35/0.29=1.21，由图1-144第一条线图1-144查得=0.7故Q辐=3.6×5.675Ft-=3034.0kJ/h（4）开启炉门溢气热损失溢气热损失 Q溢=qvaaCa（tg-ta）t其中qva=1997·B·=439.9m3/h空气密度a=1.29 kg/m3由附表103得Ca=1.358KJ/（m3·）ta=20 ，tg为溢气温度，tg=20+ （600-20）=406.7Q溢=qvaaCa（tg-ta）t=29800.1 KJ/h（5）其它热量损失其他热量损失越为上述热损失之和的1020故Q它=0.12（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=10302.7KJ/h（6）热量总输出其中Q辅=0，Q控=0，Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q损+Q溢+Q它=96158.6KJ/h（7）炉子的安装功率P安=其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则P安=（1.4×）/3600=37.4kw为减少加热时间，与标准炉子相比较，取炉子功率为39kW。五、炉子热效率计算1正常工作时的效率4由式(512)1=50202.0/96158.6=52.22在保温阶段，关闭炉门时的效率=Q件/Q总-（Q辐+Q溢）=79.3六、炉子空载功率计算P空=3.65kW七、空炉升温时间计算由于所设计的箱式电阻炉的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算5，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。1.炉墙及炉顶蓄热V侧粘=2×(2.205+2×0.115)×0.115×（0.707+0.115）=0.451m3V前·后粘=2×1.048×0.115×(0.707+0.115)=0.198m3V顶粘=2.205×1.048×0.115=0.266m3V侧硅=2×2.205+2×(0.115+0.232)×0.232×（0.707+0.115+0.232）=1.444m3V前·后硅=2×（1.048+0.115×2）×0.232×（0.707+0.115+0.232）=0.625m3V顶硅=（2.205+2×0.115）×0.232×（1.048+2×0.115）=0.722m3由式(59)因为t粘=(t1+t2墙)2=(600+574.8)/2=587.4Q蓄=V粘粘C粘(t粘-to)+V硅硅C硅(t硅-t0)查附表33得C粘=0.84+0.26×10-3t粘=0.990kJ/(kg·)t硅=(t2墙+t3墙)/2=（574.8+58）/2=316.4查附表33得C硅=0.84十0.25×10-3t硅=0.919kJ(kg·)所以得Q蓄1=（V侧粘+ V前·后粘+ V顶粘）粘C粘（t粘-t0）+（V侧硅+ V前·后硅+ V顶硅）硅C硅（t硅 -t0） =（0.451+0.198+0.266）×1000×0.990×(587.4-20)+（1.144+0.625+0.722）×500×0.919×(316.4-20)=.0kJ2.炉底蓄热计算V底硅=0.018×2.205+2×（0.113+0.232）×1.048+2×(0.113+0.232）=0.09m3V底粘=0.067×22.205+2×(0.113+0.232）×1.048+2×(0.232+0.113）=0.67m3查附表33得C底粘=0.84+0.25×10-3t底粘=0.990kJ(kg·)t底硅=397查附表33得C底硅=0.84+0.25×10-3 t底=0.919kJ/(kg·)所以得Q底蓄=0.67×0.990×1000×567.4+0.09×0.919×500×296.4=.0kJ3. 炉底板蓄热根据附表61查得600和20时高合金钢的比热容分别为：C板2=0.779kJ/(kg·)和C板1=0.473kJ/(kg·)。经计算炉底板重量G=119kg，所以有Q板蓄=G(C板2t1-C板1t0)=54494.9kJQ蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=+54495=kJ由式(513)2式得空炉升温时间 升=/（3600×60）=6h 对于一般 周期作业炉升温时间在3-8小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。由于蓄热是按稳态传导计算的，误差大，实际升温时间应该是4小时左右。八、功率的分配与接线639kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y接线。供电电压为车间动力电网380V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负击应在1535kwm2之间。 F电=2F电侧+F电底=2×2.205×0.707+2.205×1.048=5.43m2 W=P安/F电=37.4/5.43=6.9kW/m2对于周期作业电阻炉，内壁表面负击应在1535kwm2之间，但本炉子的生产率很高，功率很小，导致内壁表面负击很小，所以符合条件。九、电热元件材料选择及计算由最高使用温度600，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用Y。71理论计算法(1)求600时电热元件的电阻率当炉温为600时，电热元件温度取700，由附表123查得0Cr25Al5在20时电阻率20=1.40·mm2/m，电阻温度系数=4×10-5-1，则1000下的电热元件电阻率为t = 20(1+t)=1.40×(1+4×10-5×700)=1.439·mm2/m(2)确定电热元件表面功率由图534，根据本炉子电热元件工作条件取W允=3.3W/cm2。(3)每组电热元件功率 由于采用Y接法，即三相星形接法，每组元件功率 P组=39/n=39/3=13kW(4)每组电热元件端电压由于采用Y接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端为每相电压U组=220V电压即为每相电压U组=220V(5)电热元件直径由式(524)2得线状电热元件直径d=34.3=3.5mm 取d=4mm(6)每组电热元件长度和重量由式(525)2得每组电热元件长度L组=0.785×l0-3(U组2d2/P组t)=32.5m 取33m每组电热元件重量由式(528)2得 G组=（/4）d2L组m式中，m=7.1g/cm2所以得 G组=（/4）d2L组m=2.9kg(7)电热元件的总长度和总重量由式(527)2得电热元件总长度 L总=3L组=3×33=99m电热元件总重量由式(528) 2得 G总=3G组=3×2.9=8.7kg(8)校核电热元件表面负荷 W实=P组/dL组=3.1W/cm2 W实<W允，结果满足设计要求。(9)电热元件在炉膛内的布置按规定，h/d在24范围内满足设计要求，取3 h=3d=3×4=12mm布置电热元件的炉壁长度 L=L-50=2025-50=1975mm螺旋体圈数N =L/h =1975/12=165圈丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于700，螺旋节径D=(68)d，取D=6d=6×4=24mm L折=ND=165×3.14×24×10-3=12.4mL组/L折=33/12.4=3根据计算，选用Y方式接线，采用d=4mm所用电热元件重量最小，成本最低。电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率。电热元件引出棒材料选用1Crl8Ni9Ti，=12mm，L=500mm.电热元件图如图2、3、4所示。十、电热体元件图见附图一十一、电阻炉装配图见附图二十二、电阻炉技术指标（标牌）额定功率：39kw，额定电压：380V;最高使用温度：600，生产率150kg/h;相数3，接线方法Y;工作有效尺寸2000mm×950mm×500mm，外形尺寸：2791mm×1634mm×1523mm.参考文献1 刘人达.冶金炉热工手册.北京：冶金工业出版社，2002.2 编委会.热处理手册第三卷.北京：机械工业出版社，1992.3 吴德荣.工业炉及其节能.北京：机械工业出版社，1995.4 刘孝曾.热处理炉及车间设备.北京：机械出版社，1985.5 陈先咏.热处理车间设计.武汉：华中理工大学出版社，1989.6 陈天民.热处理设计简明手册.北京：机械工业出版社，1999.7 臧尔寿.热处理车间设备与设计.北京：机械工业出版社，1989. h=12mm附图一d=4mmD=24mmm图2 螺旋状电热体结构图3 丝状电热体在炉墙上图4 丝状电热体在炉底的安装 附图二图5 箱式炉结构图1 炉门 2热电偶 3炉壳 4炉衬5 罩壳 6炉底板 7加热元件 8 炉门升降机