热处理箱式电阻炉的设计(共16页).doc

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1、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1

2、50kg/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：

3、 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

4、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/(m2h)，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

5、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

6、+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

7、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

8、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=BL=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(0.574600-0.48620)=50202.0KJ/h(2

9、) 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+0.00023ts3均=0.13+0.00023280=0.1644W/(m)。当炉壳温度为60，室温为20时，由附表21经

10、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=682.48.298=5662.6W同理可以求

11、得Q顶散= q墙F顶均=682.43.32=2265.6WQ底散= q墙F底均=682.43.246=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=3.65.675Ft-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=

12、1.21，由图1-144第一条线图1-144查得=0.7故Q辐=3.65.675Ft-=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=1997B=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

13、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，

14、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+20.115)0.115（0.707+0.115）=0.451m3V前后粘=21.0480.115(0.707+0.115)=0.198m3V顶粘=2.2051.0480.115=0.266m3V侧硅=22.205+2(0.115+0.232)0.232（0.707+0.115+0.232）=1.444m3V前后硅=2（1.048+0.1152）0.232（0.707+0.115+0.232）=0.625m3V顶硅=（2.205+20.115）0.232（1.048+20.115）=0.722m3由式(59)因为

15、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+0.2610-3t粘=0.990kJ/(kg)t硅=(t2墙+t3墙)/2=（574.8+58）/2=316.4查附表33得C硅=0.84十0.2510-3t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）10000.990(587.4-20)+（1.144+0.625+0.722）5000.919(316.

16、4-20)=.0kJ2.炉底蓄热计算V底硅=0.0182.205+2（0.113+0.232）1.048+2(0.113+0.232）=0.09m3V底粘=0.06722.205+2(0.113+0.232）1.048+2(0.232+0.113）=0.67m3查附表33得C底粘=0.84+0.2510-3t底粘=0.990kJ(kg)t底硅=397查附表33得C底硅=0.84+0.2510-3 t底=0.919kJ/(kg)所以得Q底蓄=0.670.9901000567.4+0.090.919500296.4=.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

17、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=/（360060）=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

18、之间。 F电=2F电侧+F电底=22.2050.707+2.2051.048=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=1.40mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则1000下的电热元件电阻率为t =

19、20(1+t)=1.40(1+410-5700)=1.439mm2/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=0.785l0-3(U组2d2/P组t

20、)=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=333=99m电热元件总重量由式(528) 2得 G总=3G组=32.9=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=34=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 =

21、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=64=24mm L折=ND=1653.142410-3=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

22、方法Y;工作有效尺寸2000mm950mm500mm，外形尺寸：2791mm1634mm1523mm.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