热处理电阻炉设计计算举例.pptx
2023/3/191电阻炉是最主要的、应用最广的热处理设备电阻炉是最主要的、应用最广的热处理设备优点：优点：1)控温精度和自动化程度很高，准确度可达控温精度和自动化程度很高，准确度可达15；2)炉温均匀性好，波动范围小，可控制在炉温均匀性好，波动范围小，可控制在35；3)热效率高，可达热效率高，可达45%80%(煤气炉煤气炉25%)；4)便于采用可控气氛；便于采用可控气氛；5)结构简单紧凑，体积小，便于组成流水线生产；结构简单紧凑，体积小，便于组成流水线生产；6)其生产和热处理工艺的机械化、自动化、生产效率其生产和热处理工艺的机械化、自动化、生产效率和生产质量高，劳动条件好，对环境污染较小。和生产质量高，劳动条件好，对环境污染较小。第1页/共68页2023/3/192箱式电阻炉第2页/共68页2023/3/193箱式电阻炉la、高温箱式电阻炉：最高温度1300，SiC棒作电热元件。特点：l电热元件直接布置在炉膛两侧，且不遮蔽，极少布置于炉顶和炉底，工件加热依靠热辐射。l砌筑材料要求高，高铝砖或SiC制品。第3页/共68页2023/3/194第4页/共68页2023/3/195lb、中温箱式电阻炉：额定温度950，合金电热元件Ni-Cr。特点：l1）电热元件布置在炉子侧壁和炉顶，依靠辐射加热工件。l2）炉衬采用密度不超过1.0g/cm3的轻质耐火粘土砖砌成，保温层采用珍珠岩保温砖并填以蛭石粉、膨胀珍珠岩颗粒等材料。第5页/共68页2023/3/196lb、中温箱式电阻炉：额定温度950，合金电热元件Ni-Cr。特点：3）在耐火层和保温层间夹以硅酸铝耐火纤维作为炉衬。l作用：炉衬变薄、重量减轻、炉衬蓄热量减少、热损失减少、降低炉子空载功率并缩短升温时间。4）较大的炉子采用温度分区控制，增进温度均匀性，还可设置风扇，以加快传热速度。5）炉底电热元件上方敷盖耐热钢制炉底板，其材料以铬锰氮居多。第6页/共68页2023/3/197第7页/共68页2023/3/198lc、低温箱式电阻炉：、低温箱式电阻炉：650 l有强制气流循环和远红外辐射加热炉，前有强制气流循环和远红外辐射加热炉，前者靠对流传热。者靠对流传热。第8页/共68页2023/3/199热处理电阻炉的设计是一项综合性的技术工作：热处理电阻炉的设计是一项综合性的技术工作：所所需需知知识识：炉炉子子知知识识；热热处处理理工工艺艺；机机械械设设计计；电电工及温度控制等有关内容；工及温度控制等有关内容；设计原则：密切结合生产实际，综合运用有关知识。设计原则：密切结合生产实际，综合运用有关知识。设计准备：详尽收集有关原始资料：设计准备：详尽收集有关原始资料：包包括括：生生产产任任务务(公公斤斤或或件件/小小时时或或年年)及及作作业业制制度度(一一、二二班班或或连连续续生生产产)；加加热热工工件件的的材材料料、形形状状、尺尺寸寸和和重重量量；工工件件的的热热处处理理工工艺艺规规程程和和质质量量要要求求；电电源源及及车车间间厂厂房房等等条条件件；炉炉子子的的制制造造维维修修能能力力和和投资金额等。投资金额等。第9页/共68页2023/3/1910热处理电阻炉的设计内容热处理电阻炉的设计内容(1)(1)炉型的选择；炉型的选择；(2)(2)炉膛尺寸的确定；炉膛尺寸的确定；(3)(3)炉体结构设计炉体结构设计(包括炉衬、构架、炉门等包括炉衬、构架、炉门等)；(4)(4)电阻炉功率的计算及功率分配；电阻炉功率的计算及功率分配；(5)(5)电热元件材料的选择；电热元件材料的选择；(6)(6)电热元件材料的设计计算；电热元件材料的设计计算；(7)(7)炉用机械设备和电气、控温仪表的设计与选用；炉用机械设备和电气、控温仪表的设计与选用；(8)(8)技术经济指标的核算；技术经济指标的核算；(9)(9)绘制炉子总图、砌体图、零部件图、安装图和绘制炉子总图、砌体图、零部件图、安装图和编制电炉使用说明书等随机技术文件。编制电炉使用说明书等随机技术文件。第10页/共68页 热处理电阻炉设计计算举例热处理电阻炉设计计算举例一、设计任务一、设计任务 为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)(1)用途：用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理。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)(2)生产率生产率：160kg/h；(3)(3)工作温度工作温度：最高使用温度950；(4)(4)生产特点生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。第11页/共68页 1 1炉底面积的确定炉底面积的确定 因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。已知生产率p为160kg/h，按表51选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积二、炉型的选择二、炉型的选择 根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻加热炉，不通保护气氛。三、确定炉体结构和尺寸三、确定炉体结构和尺寸第12页/共68页第13页/共68页2023/3/1914第14页/共68页 有效面积与炉底总面积存在关系式F1/F=0.750.85，取系数上限，得炉底实际面积 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741m，B=0.869m。由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2：1，而F=LB=0.5L2，因此，可求得 2 2炉底长度和宽度的确定炉底长度和宽度的确定第15页/共68页 3 3炉膛高度的确定炉膛高度的确定 按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.640m。因此，确定炉膛尺寸如下：炉底支撑砖厚度拱角砖矮边高度炉底搁砖宽度砖 缝长度砖长砖长第16页/共68页 为避免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，确定工作室有效尺寸为：L效=1500mm；B效=700 mm；H效=500mm第17页/共68页第18页/共68页 4 4炉衬材料及厚度的确定炉衬材料及厚度的确定 由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mrnB级硅藻土砖。炉顶 采用113mmQN 1.0轻质粘土砖十80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。炉底 采用三层QN1.0轻质粘土砖(67 3)mm+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门 用65mmQN1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）第19页/共68页2023/3/1920第20页/共68页四、砌体平均表面积计算四、砌体平均表面积计算炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。砌体外廓尺寸如图515所示（教材图5-9）。L外=L+2(115+50+115)=2360mm B外=B+2(115+50+115)=1490mm H外=H+f+(115+80+115)+674+50+182 炉 顶 厚 4 块粘土砖高 炉 底保温层厚 =640+116+310+268+50+182 =1566 mm 式中：f 拱顶高度，此炉子采用600标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f=R(1-co300)求得。第21页/共68页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十2BH=2H(L十B)=20.640(1.741+0.869)=3.341m2 F墙外=2H外(L外+B外)=21.566 (2.360+1.490)=12.058m21.炉顶平均面积炉顶平均面积 2炉墙平均面积炉墙平均面积第22页/共68页五、计算炉子功率五、计算炉子功率 1 1根据经验公式法计算炉子功率根据经验公式法计算炉子功率 由式(514)第23页/共68页2023/3/1924式中：空炉升温时间(h)；F炉膛内壁面积(m2)t炉温()；C系数，热损失大的炉子，C3035；热损失小的炉子，C2025，单位为(kwh0.5)(m1.81.55)。这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉，使用时需注意使用条件并参考有关文献。第24页/共68页取式中系数C=30(kWWh0.5)/(m1.8 8C1.55)，空炉升温时间假定为升=4h，炉温t=950，炉膛内壁面积F壁 由经验公式法计算得P安75(kW)第25页/共68页 (1)(1)加热工件所需的热量加热工件所需的热量Q Q件件 由附表6得，工件在950及20时比热容分别为 C件2=0.63kJ/(kg)，C件1=0.486kJ/(kg)，根据式(51)Q件=P(C件2 t1C件1to)=160 (0.63950-0.486 20)=95117kJ/h （p每小时装炉量）(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。2根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率第26页/共68页 根据式(115）对于炉墙散热，如图516所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2 墙=7800，t3 墙=485，t t4 墙=60则第27页/共68页 耐火层S1的平均温度 ts1均=（950+780）/2=865，硅酸铝纤维层S2的平均温度 ts2均=（780+485）/2=632.5,硅藻土砖层S3的平均温度 ts3均=（485+60）/2=272.5，S1、S3层炉衬的热导率由附表3得 1=0.29+0.256 10-3 ts1均 =0.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m)3=0.131+0.23 10-3 ts3均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(m)。普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由tS2均=632.5，得 2=0.129W/(m)第28页/共68页当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2经近似计算得=12.17W/(m2 2)（综合传热系数）求热流求热流第29页/共68页验算交界面上的温度验算交界面上的温度t t2 2墙墙、t t3 3墙第30页/共68页满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。室温20 验算炉壳温度验算炉壳温度t t4 4墙墙计算炉墙散热损失计算炉墙散热损失 Q墙散=q墙F墙均=730.4 6.25=4562.5W同理可以求得 t2顶=844.39；t3顶=562.6；t4顶=53；q 顶=485.4 W/m2第31页/共68页 t2底=782.2，t3底568.54，t4底=53.7，q底=572.2 W/m2 炉顶通过炉衬散热 Q顶散=q顶F顶均=485.42.29=1111.6 W 炉底通过护衬散热 Q底散=q底.F底均=572.2 2.23=1276 W整个炉体散热损失 Q散=Q墙散+Q顶散十Q底散 =4562.5+1111.6+1276 =6950.1w （因为1W=3.6kJ/h）所以 Q散 =3.6 6950.1=25020.4kJ/h第32页/共68页=0.1炉门开启率 t=(3)(3)开启炉门的辐射热损失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)式中：C黑体辐射系数；F炉门开启面积或缝隙面积（m）；3.6系数；炉口遮蔽系数；t炉门开启率(即平均1小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁缝隙而言t=1。因为Tg=950+273=1223K，T=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 炉门开启面积 F=B =0.869=0.278m2第33页/共68页由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为 0.32/0.869=0.37，（可看出此为一拉长的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为H/S=0.32/0.28=1.14，由图114第1条线查得=0.7，故 0.28=(0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m)第34页/共68页(4)(4)开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式(57 Q吸)得 Q溢=qVC(ttg t)t其中，qV由式（58 qva=1997BH ）得 第35页/共68页(5)(5)其它热损失其它热损失其它热损失其它热损失 其它热损失约为上述热损失之和的其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故，故 Q它它=0.13(Q件件+Q散散+Q辐辐+Q溢溢)=0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713)=23346.1 kJ/h第36页/共68页(6)(6)(6)(6)热量总支出热量总支出热量总支出热量总支出其中其中Q辅辅=0，Q控控=0，由式，由式(5l0)得得 Q总总=Q件件+Q辅辅+Q控控+Q散散+Q辐辐+Q溢溢+Q它它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则 P安=78.9 Kw与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。(7)(7)(7)(7)炉子安装功率炉子安装功率炉子安装功率炉子安装功率 第37页/共68页1 1正常工作时的效率正常工作时的效率正常工作时的效率正常工作时的效率 由式由式(5(512)12)2.2.在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率 六、炉子热效率计算六、炉子热效率计算第38页/共68页 七、炉子空载功率计算七、炉子空载功率计算八、空炉升温时间计算八、空炉升温时间计算 由于所设计炉子的耐火层结构相似，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，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。第39页/共68页1.炉墙及炉顶蓄热 0.97(1.741+0.276)0.115=0.225m32(0.869+0.1152)(160.067+0.135)=0.305m3 21.741(120.067+0.135)0.115=0.376m3拱角砖的厚度第40页/共68页 2.31.430.115=0.378 m321.43(160.067+0.135)0.115=0.397 m32(120.067+0.135)(1.741+0.115)0.115=0.401 m31.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m3 2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05=0.133 m32(1.741+0.115)(120.067+0.135)0.05=0.174 m3第41页/共68页由式（59）得：蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（kJ）（59）第42页/共68页第43页/共68页第44页/共68页1.炉底蓄热计算第45页/共68页查附表3得第46页/共68页3 3炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表6查得950和20时高合金钢的比热容分别为C板2=0.670kJ/(kg)和C板1=0.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=242kg，所以有Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJ第47页/共68页 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。由式式(5(513)13)得空炉升温时间得空炉升温时间Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板 =1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ第48页/共68页 75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、或YY,、接线。供电电压为车间动力电网380 V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kw/m2之间，常用为20 25kw/m2之间。表面负荷在20 25kW/m2常用的范围之内，故符合设计要求。九、功率的分配与接线九、功率的分配与接线第49页/共68页 1 1图表法图表法 由附表15查得0Cr25A15电热元件75kW箱式炉YY接线，直径d=5mm时，其表面负荷为1.58W/cm2。每组元件长度L组=50.5m，总长度L总=303.0m,元件总重量G总=42.3kg,2 2、理论计算法、理论计算法 (1)求950时电热元件的电阻率t 当炉温为950时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25A15在20时电阻率20=1.40mm2/m，由最高使用温度950，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用YY。十、电热元件材料选择及计算十、电热元件材料选择及计算第50页/共68页2023/3/1951第51页/共68页2023/3/1952第52页/共68页(4)(4)每组电热元件端电压每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压(3)(3)(3)(3)每组电热元件功率每组电热元件功率每组电热元件功率每组电热元件功率 由于采用由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率接法，即三相双星形接法，每组元件功率 (2)(2)确定电热元件表面功率确定电热元件表面功率 由图53，根据本炉子电热元件工作条件取 W允 =1.6W/Cm电阻温度系数=410-5-1，则1100下的电热元件电阻率为t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m第53页/共68页(5)(5)电热元件直径电热元件直径 线状电热元件直径由式(524)得取d=5mm(6)(6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由式(525)得每组电热元件重量由式(526)得第54页/共68页（7)7)7)7)电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度由式电热元件总长度由式(527)得得 L总总=6L组组=652.07=312.44m 电热元件总重量由式电热元件总重量由式(528)得得 G总总=6 G组组=67.26 =43.56kg 式中，M由附表12查得M=7.1g/cm2 所以得w实W允，结果满足设计要求。(8)(8)(8)(8)校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷 所需电热元件总长度和总重量为需电热元件总长度和总重量为 L总=nL （m）（5-27）G总=nG （kg）（5-28）第55页/共68页2023/3/1956第56页/共68页2023/3/1957常用元件的表面允许负荷第57页/共68页(9)(9)(9)(9)电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置 将将6组电热元件每组分为组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有底上，则有 布置电热元件的炉壁长度 LL=L50=1741-50=1691 mm 丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000，由表55可知，螺旋节径D=(46)d，取D=6d=65=30mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为第58页/共68页 h=L/N=1691/138=12.3mm h/d=12.3/5=2.46按规定，按规定，h/d在在24范围内满足设计要求。范围内满足设计要求。根据计算，选用根据计算，选用YY方式接线，采用方式接线，采用d=5mm所用电所用电热元件重量最小，成本最低。热元件重量最小，成本最低。电热元件节距电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功在安装时适当调整，炉口部分增大功率。率。电热元件引出棒材料选用电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti,=12mm,L=500mm。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图。十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图，砌体图十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图，砌体图十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图，砌体图十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图，砌体图第59页/共68页重量：出厂日期：重量：出厂日期：十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书(略略略略)思考题：思考题：思考题：思考题：为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计和和和和使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题?十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标(标牌标牌标牌标牌)额定功率：额定功率：75kW 额定电压：额定电压：380V最高使用温度：最高使用温度：950 生产率：生产率：160kg/h相数：相数：3 接线方法：接线方法：YY工作室有效尺寸：工作室有效尺寸：1500 700 500外形尺寸：外形尺寸：L=2300mm，B=1430mm，H=1566mm结束第60页/共68页为：L效=1500mm；B效=700 mm；H效=500mm返回第61页/共68页第62页/共68页第63页/共68页第64页/共68页第65页/共68页第66页/共68页第67页/共68页2023/3/1968感谢您的观看！第68页/共68页
