2023年-刘东辉热处理设备课程设计报告.docx

北华航天工 业学院热处理设备课程设计课程设计报告报告题目：650 90kg/h的箱式电阻炉设计作者所在系部：材料工程系作者所在专业：金属材料作者所在班级：B08821作者姓名：刘东辉作者学号：作0840学104指导教师姓名：范涛、陈志勇完成时间：2011-10-200 245%今=0.88,由图1 14第1条线查得(p=0.66,故0. 28Q 辐= (pbt(需)4一= 3.6x5.675x0.167x0.1x0.66x(923、4/ 293)一(100100)4= 1617.7kJ/h2.3.4 开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得Q 溢一QvaPaCa(t g - ta) 5tTT /H/其中,qva=1997B-y Jy = 1997xQ.680x0.245x VO. 245 =164.7m3/h冷空气密度Pa=l.29kg/m3,由附表10得Ca=l.342kJ/(m3.),ta=2(),t，g为溢气温度，近似 29认为 fg=ta+-(tg-ta) =20+-(650-20)=440Q 溢 = qvapaCa(t'gta) 6t= 164.7x 1.29x 1.342x(440-20)x0.1 = 11975.3 kJ/h2.3.5 其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%20%,故Q 它=0.13(Q 件+Q 散+(福+(溢)=9939.5 kJ/h2.3.6 热量总支出其中Q辅=0，Q控=0，由下式得Q 总=Q 件+Q 辅+Q 控+Q 散+Q 辐+Q 溢 + Q 它=86397.5 kJ/h2.3.7 炉子安装功率p KQ 总 r安3600其中K为功率储备系数，本炉设计中K取L5,则£5 x 86397 =36Qkw3600与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW。2.4炉子热效率计算1.1.1 正常工作时的效率n= 21=60609/86397.5 =70.2%Q总242在保温阶段，关闭时的效率n=。件Q总一（。辐+。溢）= 83.2%2.5 炉子空载功率计算_ Q散+ Q它F空36002556 + 9939. 5 =3.5 kW36002.6 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 和前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌石专方法不同，进行单独计算，因升温时炉底 板也随炉升温，也要计算在内。2.6.1 炉墙及炉顶蓄热V = 2x1.392x(10x0.067+0.135)x0.115=0.258m3V = 2x(0.680+0.115x2)x(15x0.067+0J35)x0.115=0.239m3V *=0.97x(1.392+0.276)x0.115=0.186m3V = 2x(1392+0.115)x(10x().067+0.135)x0.05=0.121m3V1后= 2x(0.680+0.115x2)x(15x0.067+0,135)x0.05=0.104m3V ，= 1.071 x( 1.392+0.276)x0.08=0.143m3vS = 2x (10x0.067+0.135)x(1.392+0.115)xO.115=O.279m3V 后= 2xl.240x(15x0.067+0.135)x0.115=0.325m3Vj 工1.950x1.240x0.115=0.278 m3Q蓄=V粘p粘c粘(t粘to)+V纤p纤c纤(t纤to)+ V硅p硅c硅(t硅to)因为 1粘=(tl+t2 墙)12= 650 + 541,4 =595.72查附表3得c 粘=0.84+0.26xl0-3t 粘=0.84+0.26x10-3x595.7=0.995 kJ/(kg-)_ z ,、八_ 541. 4 + 328. 2 一(纤=(t2墙+t3墙)12=434.8 C2查附表3得c 纤=O.81+O.28xlO-3t 纤=0.81+0.28x10-3x434.8=0.932 kJ/(kg-)t_ z328.2 + 54.0 _t 硅 (t3墙十t4增)/2191 1 C2查附表3得c 硅= 0.84+0.25xl()-3t 硅= O.84+O.25x1O-3x191.1=0.888 kJ/(kg-)所以得Q 蓄 1 = (4+ V/ + V&p 粘 c 粘(t 粘一to)+(V，+ V磐+ V)p 纤 c 纤(t 纤-to)+(#+丫，后+丫%加硅©硅。硅一1。)=493808 kJ/h2.6.2 炉底蓄热计算=4x(0.02x0.12+0.113x0.065)+(0.04x2)x0.113+(0.113x0.120)x2 x 1.392+(1.240-0.115x2)x(1.950-0.115)x0.065=0.225m3V=1.950xl.240x0.05=0.121m3Vj= 1.950x1.240x0.182=0.440m3由于琮=(ti+t2底)/2=(650+508.8)/2 = 579.4查附表3得谥=0.84+0.26x 10-34=0.991 kJ/(kg-)0= (t2底+t3底)/2=(508.8+356.7)/2=432.8查附表3得cJ=0.81 +0.28x1。之争=o.931 kJ/(kg)瑶=(t3底+t4底)/2=(356.7+50.3)/2=203.5查附表3得cj=0.84+0.25X10-3岸=0.891 kJ/(kg-)所以得33x0.931x(432.8-20)+3x0.891x(203.5-20)= 172327 kJ/h263炉底板蓄热根据附表6查得650°。和20时高合金钢的比热容分别为c板2=0.875kJ/(kg.)和c 板i=0.473kJ/(kg,)。经计算炉底板重量G=180kg,所以有Q： = G(c 板2ti- c 板 ito)=18Ox(O.875x65O9.46)= 100672.2 kJ/hQ 蓄=( 蓄 i+Q+Q： = 766807 kJ/h空炉升温时间Q蓄 於人t升=6.1h3600P安对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38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。2.7 功率的分配与接线35kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成丫、或YY、接线。供电电压为车 间动力380Vo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/ n?之间,常用为2025 kW/ m2之间。F 电=2F 电侧+F 电底=2x1.392x0.490+1.392x0.680=2.31 mW=P 安/F 电= 35/2. 31 = 15.2kW/ m 故符合设计要求。2.8 电热元件材料选择及计算由最高使用温度650C,选用线状OCr25Ali5合金电热元件，接线方式采用丫。2.8.1 图表法由附表15查得OCr25Ali电热元件35kW箱式炉Y接线，直径d=4.8mm时，其表 面负荷为1.56W7 cm2o每组兀件长度L组=49.6m,总长度L总=148.8m,兀件总重量G总= 19.1kgo2.8.2 理论计算法1、求650时电热元件的电阻率pt当炉温为650时，电热元件温度取1100,由附表12查得0Cr25A15在20时 电阻率p2o=1.4OQmm2/m,电阻温度系数01=4x10-5。-1则1100下的电热元件电阻率 为 pt=p2o(l+at)= 1.40x(1+4x10-5x1100)= 1.46Q-mm2/m2、确定电热元件表面功率由图5 3,根据本炉子电热元件工作条件取W允=L6W/cn?。3、每组电热元件功率由于采用Y接法，即三相双星形接法，每组元件功率P 组=35/n=35/3 = l L7 kW4、每组电热元件端电压由于采用YY接法，车间动力电网电压为380V,故每组电热元件端电压即为每项 电压U 组=380/用220V5、电热元件直径线状电热元件直接由下式得1 = 34.3正8/（。2.%）=4.7 mm取 d=4.8 mm6、每组电热元件长度和重量每组电热元件长度由下式得T 1222220 x4 8L 组=0.785x10-3 口 0 =0.785xlQ-3x2_= 51.25mP组Pt11.7 x 1.46每组电热元件重量由下式得G,M=-d2L组pM4式中，pM由附表12查得pM = 7.1g/ cm2 所以得G 组=d2 L 组 pM = 6.58kg47、电热元件的总长度和总重量电热元件总长度L 总=3L 组=3x51.25 = 153.75m电热元件总重量G 总=3G 组=19.74kg8、校核电热元件表面负荷W实=P组兀dL组11.7 x 10003. 14 x 0.48 x 5125=1.51W/ cm2W实vW允，结果满足设计要求。9、电热元件在炉膛内的布置将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有L 折=L 组/4=51.25/4 = 12.81 m布置电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000o由表5-5可知，螺旋节径 D=(46)d,取 D=5d = 5x4.8 = 24mm螺旋体圈数N和螺距h分别为N=L 折/兀D= 12.81/(3.14x24) xlO3=17O 圈h = L7N= (1392-50) /170=7.9mmh/d=7.9/3=2.6按规定，h/d在24范围内满足设计要求。根据计算，选用Y方式接线，采用d=4.8mm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，炉口增大功率。电热元件引出棒材料选用lCrl8Ni9Ti,(p= 12mm, 1 = 500mm。2.9 炉子技术指标(标牌)1200x500x350额定功率：35kW 使用温度：650 相数：3工作室有效尺寸: 重量：额定电压：380V 生产率：90 kg/h 接线方法：Y外型尺寸：出厂日期：1、热处理炉2、工程制图参考文献吉泽升、张雪龙、武云启编著，哈尔滨工程大学出版社 大连理工大学出版社组编3、热处理炉设计手册机械工业出版社组指 导 教 师 评 语 及 设 计 成 绩课程设计成绩：指导教师：日期：年月日热处理设备课程设计任务书课题名称650 90 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间 2011-10-20指导教师陈志勇、范涛 职称 高工、讲师 学生姓名.刘东辉 班级 B08821总体设计要求和技术要点总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力, 了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、结构尺寸 设计计算、绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握设计热处理设 备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学生对工程技术问题 的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要点为：1.用途：中碳钢、 低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。2 .工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3 .最高工作温度：W650、750、850、95。、1100> 1200 （选一个温度）；4 .生产率：60-120kg/h （分7份）；5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作内容及时间进度安排1 .热处理设备设计准备02 .箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、计算分配电阻炉加热功率 0.53 .计算电热元件尺寸、进行结构设计0.54 .核算设备技术经济指标0. 55 .绘制电阻炉总图、电热元件零件图1. 06 .编写设计说明书、使用说明书0.57 .设计总结0. 58 .答辨1. 0课程设计成果1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下： （1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析; （b）、设计计算过程；（c）、炉子技术指标；（d）、参考文献。2、设计图纸：（1）电阻炉总图一张（A3）,要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（b）、尺 寸及其标注方法正确；（c）、视图、剖视图完整正确；（d）、注出必要的技术条件。（2）零 件图3张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（A4）。3、使用说明书：电阻炉的技术规范及注意事项等。内容摘要650 90kg/h的箱式电阻炉的设计。包括炉型的选择、选择炉体材料、箱 式电阻炉结构尺寸设计计算、计算分配电阻炉加热功率、计算电热元件尺寸、 核算设备技术经济指标、绘图（电阻炉总图一张，电热元件零件图，炉门图, 炉衬图）。关键词:箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指标1前言51.1 本设计的目的51.2 本设计的技术要求52设计说明62.1 确定炉体结构和尺寸62.1.1 炉底面积的确定62.1.2 确定炉膛尺寸62.1.3 炉衬材料及厚度的确定62.2 砌体平均表面积计算72.2.1 炉顶平均面积72.2.2 炉墙平均面积72.2.3 炉底平均面积72.3 根据热平衡计算炉子功率72.3.1 加热工件所需的热量Q件72.3.2 通过炉衬的散热损失Q散82.3.3 开启炉门的辐射热损失92.3.4 开启炉门溢气热损失102.3.5 其它热损失102.3.6 热量总支出102.3.7 炉子安装功率102.4 炉子热效率计算112.4.1 正常工作时的效率112.4.2 在保温阶段，关闭时的效率112.5 炉子空载功率计算112.6 空炉升温时间计算112.6.1 炉墙及炉顶蓄热112.6.2 炉底蓄热计算122.6.3 炉底板蓄热132.7 功率的分配与接线132.8 电热元件材料选择及计算132.8.1 图表法132.8.2 理论计算法132.9 炉子技术指标（标牌）153参考文献本设计的目的设计650 90kg/h的箱式电阻炉本设计的技术要求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淬火、正火、调质处理及回 火。(2) .工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；(3) .最高工作温度：650；(4) .生产率：90kg/h；(5) .生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。设计说明2.1 确定炉体结构和尺寸2.1.1 炉底面积的确定因无定型产品，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子 的生产率为P=90,按表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率Po为 120kg/(m2-h)o故可求的炉底的有效面积Fi=P/Po=O.75 m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/Fo=O.780.85,取系数上限，得炉底实际面 积F=Fi/0.85=0.88m22.1.2 确定炉膛尺寸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,因此，可求的：/ 0.5 =1.328 mB=L/2=0.664 m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.392mB=0.680 m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，根据炉子的工作 条件，取H/B=0.7左右。则H=0.490m可以确定炉膛尺寸如下L=(230+2)x6=1392 mmB=(120+2)x3 +(40+2)x2+ (113+2) x2=680 mmH=(65+2)x7+21=490 mm确定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 空间，确定工作室有效尺寸为L 效=1200 mm B 效=500 mmH 效=350 mmF 壁=2x(LxH)+(LxB)+2(BxH)+2x3.14xBxl/6xL=3.97m2由经验公式可知：P 安升 F°-9(t/100O)1.55取式中系数C=30 f (kM-h°-5)/(mL8-L55)，空炉升温时间假定为t升=4h,炉温t=650。所以P 安=30x405x3.97°9x(650/1000)=26.61 kW暂取P安=30kW2.1.3 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113inmQN1.0轻 质粘土砖+ 50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB级硅藻土砖。炉顶采用113mmQNL0轻质粘土砖+ 80mm密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维 毡+ 115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN1.0轻质粘土砖(67x3) mm + 50mm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65mm QN1.0轻质粘土石专+ 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。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 o2.2 砌体平均表面积计算L 外=L+2x(H 5+50+115)=1950 mmB 外= B+2x(H5+50+115)=1240 mmH 外=1«+( 115+80+115)+67x4+50+182 =1390 mm式中：f=拱顶高度，此炉子采用60。标准拱顶，取拱弧半径R=B,则f可由f=R (1 -cos30°)求得。2.2.1 炉顶平均面积F顶内=2kR6xL=2 x 3. 14 x 0. 6806x 1.392=0.991m2F顶外=B外xL外=1.724 mF顶均=JF顶内F顶外=1.31 m2222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=2H (L+B) =2x0.490x(1.392+0.680)=2.031 m2F 墙外=2H 外(L 外+B = 2x 1.390x( 1.950+1.240)=8.868 m2F墙均= JF墙内F墙外 =4.24 m22.2.3 炉底平均面积F 底内= BxL=0.680xl.392 = 0.947 m2F 底外=B 外xL 外=1.240x 1.9502.418 m之F底均=JF底内F底外=1.51 m22.3 根据热平衡计算炉子功率2.3.1 加热工件所需的热量Q件查表得,工件在6500c及20时比热容分别为c件2=L051kJ/(kg), c件i = 0.486kJ/(kg-)Q 件=p(c 件 2ti 一c 件 ito) = 90x(1.051 x6500.486x20)=60609 kJ/h2.3.2 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，将炉门也包 括在前墙内。tl -tn + 1根据式QlF一白菽对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，已墙=540,匕墙=320,t4 墙=60 则耐火层S1的平均温度tsi均二机"；3的二度5C,硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2 乙540 ： 320 =43(rc,硅藻土砖层S3的平均温度ts3均="卫 =190, si、S3层炉衬的 乙乙热导率由附表3得Xi = 0.29+0.256X 10-3tsi 均=0.442W/(m-)入3=0.131 +0.23 x 10-3ts3 均=。. 175W/(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=430,得X2=0.098W/(m-)当炉壳温度为60,室温为20时，由附表2近似计算得ax=12.17W/(m)(1)求热流_650 - 20-0. 11507050. 115 F+0. 4420. 0980. 17512. 17=417.3W/ m2(2)验算交界面上的温度12墙，t3墙t2 墙二ti q 墙=541.4 C人t2墙一t2墙'541. 4 - 540_540t2墙' =0.26%A<5%,满足设计要求，不需重算。t3墙二12墙q 墙328.2 C九2 = = 328.2 - 320 =26% t3 墙'320A<5%,满足设计要求，不需重算。验算炉壳温度t4墙t4 墙二t3 墙q - =54.0 C<70 C九3满足一般热处理电阻炉表面升温<50的要求。(4)计算炉墙散热损失Q 墙散=q 增.F 墙均=417.3x4.24= 1769.4 W同理可以求得t2 顶=583.9, t3 顶=374.2,以顶=38.5, q 顶= 256.9 W/ m2t2底=508.8, t3底=356.7, t4底=50.3, q 底=298.1 W/ m2 炉顶通过炉衬散热Q顶散=q顶F顶均= 336.5 W炉底通过炉衬散热Q底散=q底.F底均=45。,1 W整个炉体散热损失Q散=(墙散+Q顶散+Q底散=2556 W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Q 辐= （p&（盖）4因为 Tg = 650+273=923K, Ta=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,H0 490炉门开启面积 F=Bx =0.680x-=0.167m222炉门开启率8t=0.160由于炉门开启后，辐射口为矩形，且且与B之比为0.36,炉门开启高度与炉墙厚度之比为 2