热处理电阻炉设计.pdf

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1、-热处理电阻炉设计热处理电阻炉设计一、设计任务一、设计任务设计一箱式电阻炉，计算和确定主要工程，并绘出草图。根本技术条件：（1）用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火；（2）工作：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m；（3）最高工作温度为 950；（4）炉外壁温度小于 60.（5）生产率：105Kg/h。设计计算的主要工程：（1）确定炉膛尺寸；（2）选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸；（3）用热平衡法计算炉子功率；（4）选择和计算电热元件，确定其布置方法；（5）写出技术规。二、炉型选择二、炉型选择根据设计任务给出的生产的特点，选用中温 6501000箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气

2、氛，为空气介质。三、确定炉膛尺寸三、确定炉膛尺寸1.理论确定炉膛尺寸1确定炉底总面积炉底总面积确实定方法有两种： 实际排料法和加热能力指标法。 本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。炉子生产效率P=105Kg/h。按教材表5-1 选择适用于淬火、正火的一般2箱式炉，其单位炉底面积生产率P0=100120Kg/m h 。因此，炉子的炉底有效面积即可以摆放工件的实际面积F1可按下式计算：通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.750.85 之间选择。 炉子小取值小值； 炉子大取值大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积 F 为：2确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比计取L在 3/22 之间选择。考

3、虑到炉子使用时装、出料的方便，本设BL2,则炉子炉底长度和宽度分别为：BH在 0.50.9 之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计B3确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比取中值 0.7，则炉膛高度为：2.确定实际炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸23011365mm ，并考虑砌缝宽度砌砖时两块砖之间的宽度 2mm ，上下砖体应互相错开以及在炉底方面布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差异太大。3.确定炉膛有效尺寸为防止热处理工件与炉膛壁、 电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞

4、， 应使工件与炉壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸。炉膛有效尺寸确定如下：L效=1500mm.z.-B效=700mmH效=450mm四、炉衬材料的选择及其厚度确实定四、炉衬材料的选择及其厚度确实定炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于 60。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式， 因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三局部外壁对周围空气的综合传热系数不同见教材附表 2 ，所以三局部炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进展计算。1.炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算炉子的两边侧墙和前后墙可采用一样

5、的炉衬构造， 同时为简化计算， 将炉门看作前墙的一局部。设炉墙的炉衬构造如下图， 耐火层是 113mm 厚的轻质粘土砖 QN0.8 ， 保温层是 60mm3厚、密度为 350Kg/m 的普通硅酸盐耐火纤维毡和 230mm 厚的 A 级硅藻土砖耐火材料和保温材料的选择参照教材附表 3 和附表 4 。这种炉衬构造在稳定导热条件下，是否满足墙外壁温度小于 60，应首先求出热流密度，然后计算进展验证。在炉墙壁温度 950、 炉壳周围空气温度 20的稳定导热条件下， 通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：1）S1，S2，S3确定S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和 A 级硅藻土砖的厚度m

6、。假设考虑它们之间 2mm 的砌缝宽度，则 S1，S2，S3得厚度为：S11132 115mm；S2 60mm；S3 2302 232mm。21，2，3，确实定1，2，3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A 级硅藻土砖的平均热导率W/m ；是炉壳对周围空气的综合传热系数W/m 。要求出1，2，3和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2850C，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度t3 620C，炉墙外壳温度t4 55C 60C。如下图：求轻质粘土砖的平均热导率查教材附表 3，可得轻质粘土砖QN0.8的平均导热率为：=0.485W/m求硅酸盐

7、耐火纤维毡的平均热导率t2t3850620 735C。根据教材附表 4 查硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp22得，密度为350Kg/m 普通硅酸盐耐火纤维毡700、1000的热导率分别为0.121W/m和0.122W/m。在 7001000温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：30.1220.12120.1212 0.121W /mC1000700735700.z.-求硅藻土砖的平均导热率查教材附表 3，可得 A 级硅藻土砖的平均热导率为求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为 55，周围空气为 20时，由教材附表 2 可查得，外壳为钢板或涂灰漆外表时，对周围空气的综合

8、传热系数为：3)求热流密度将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：4）验算各界面和炉墙外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：t2t2844.3850相对误差为 0.67% 5%，满足设计要求，不必重算。t2850硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2qS22844.3445.80.060 623.2C;0.121t3t3623.2620相对误差为 0.52% 5%，满足设计要求，不必重算。t3620炉墙外壳温度为：t4 t3qS33 623.2445.80.232 58C 60C；0.183因炉墙外壳温度小于 60，故炉墙炉

9、衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设实际计算后，外壳温度大于 60，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉顶的炉衬构造为： 耐火层是 113mm 厚的轻质粘土砖 QN0.8 ， 保温层是厚度 60mm、3密度 350Kg/m 的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm 的膨胀珍珠岩。在炉顶周围壁温度为 950、 炉壳周围温度 20的稳定导热条件下， 通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：1S1，S2，S3确定S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度m 。假设考虑它们之间 2mm 的砌缝宽度，则 S1，S2，S3得厚度为：S11132

10、115mm；S2 60mm；S31132 115mm。21，2，3，确实定1，2，3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数W/m ；W/m 。 要求出1，2，3和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。 设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 580C，炉顶外壳温度t2860C，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3.z.-t4 55C 60C。1确实定查教材附表 3，可得轻质粘土砖QN0.8的平均导热率为：=0.486W/m2确实定t2t3860580硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp根据教材附表4查得， 720C。22密度为 3

11、50Kg/m 普通硅酸盐耐火纤维毡700、1000的热导率分别为 0.121W/m和0.122W/m。在 7001000温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：30.1220.12120.1212 0.121W /mC10007007207003确实定查教材附表 3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为=1.10W/m确实定当炉顶外壳温度为 55，周围空气为 20时，由教材附表 2 可查得，外壳为钢板或涂灰漆外表时，对周围空气的综合传热系数为：3)热流密度的计算将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：5）验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维

12、毡之间的界面温度t2为：t2t2831.0860 3.4% 5%，满足设计要求，不必重算。相对误差为t2860硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2qS22831.0502.20.060 582C;0.121t3t3582580 0.32% 5%，满足设计要求，不必重算。相对误差为t3580炉顶外壳温度为：t4 t3qS33 582502.20.115 57C 60C；0.110因炉墙外壳温度小于 60，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设实际计算后，外壳温度大于 60，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。3.3.炉底炉衬材料选择及其厚度的计算炉底炉衬材料选择及其厚度的

13、计算设炉底的炉衬构造为，耐火层是65+23=201mm 厚的轻质粘土砖QN0.8 ，保温.z.-层是厚度 80mm、密度 350Kg/m 的普通硅酸盐耐火纤维毡和113+2+65+22mm 的 A 级硅藻土砖。在炉底壁温度 950、 炉壳周围空气温度 20的稳定导热条件下， 通过炉底向周围空气散热的热流密度为：1S1，S2，S3确定S1，S2，S3分别是轻质粘土砖QN0.8 、普通硅酸盐耐火纤维毡和膨 A 级硅藻转的厚度m 。假设考虑它们之间 2mm 的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：3S1 (652)3 201mm：S280mm；S3 (1132)(652)2 249mm。21，2，3

14、，确实定硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻转的平均热导率 W/m ；3分别是轻质粘土砖、1，2，。要求出1，2，3和，首先必是炉炉底壳对周围空气的综合传热系数W/m须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 560C，炉底外壳温度t2810C，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3t4 55C 60C。1确实定查教材附表 3，可得轻质粘土砖QN0.8的平均导热率为：=0.481W/m2确实定t2t3810560 685C。硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp根据教材附表4查得，22密度为 350Kg/m 普通硅酸盐耐火纤维毡400、700的热导率分别为0.081W/m

15、和0.121W/m。在400700温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：30.1210.0810.12122 0.119W /mC7004007006853确实定查教材附表 3，可 A 级硅藻土砖的平均热导率为=0.176W/m确实定当炉顶低壳温度为 55，周围空气为 20时，由教材附表 2 可查得，外壳为钢板或涂灰漆外表时，对周围空气的综合传热系数为：3)热流密度的计算将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：6）验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计要求.z.-轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：t2t2801.0810相对误差为1.1% 5%，

16、满足设计要求，不必重算。t2810硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2qS22801.0356.60.080 561.3C;0.119t3t3561.3560相对误差为 0.23% 5%，满足设计要求，不必重算。t3560炉墙外壳温度为：t4 t3qS33 561.3356.60.249 56.8C 60C；0.176因炉墙外壳温度小于 60，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设实际计算后，外壳温度大于 60，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。五、炉子外形尺寸确实定1炉子外形长度炉子的外形长度为炉膛长度加上两倍炉墙厚度，其值为：L外1624+2115+60+232=

17、2438mm=2.438m2炉子外形宽度炉子的外形宽度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为：B外=793+2115+60+232=1609mm=1.607m3炉子外形高度炉子的外形高度有以下五局部组成图5-8 右图 ：炉墙高度、拱顶高度、炉顶厚度。炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。 其中炉膛高度、 炉底厚度已经求出。假设陆主席采用 60标准拱顶，取拱弧半径R=B，则拱顶高度可由下式求出：为了方便砌筑，预留安装电热组件所需要的高度及炉底板厚度可取65+2=67mm。综合以上五个局部的高度，炉子外形高度为：2.砌体平均外表积的计算炉子砌体平均外表积的计算方法有两种： 算术平均值和

18、几何平均值。 本设计采用几何平均值计算法。此方法首先需要算出壁和外壁的面积。1炉顶平均外表积确实定炉顶壁是弧面，壁面积为：炉顶外壁是平面，外壁面积为：则炉顶平均面积为：F顶均F顶内F顶外1.3483.918 2.30m22炉墙平均外表积确实定炉墙包括两侧墙和前、后墙。为简化简化计算，将炉门视为前墙，则炉墙平均面积为：2=5.92m3炉底平均外表积确实定炉底平均面积为：.z.-=0.7931.6241.6072.438 2.25m2六、炉子的主要能量消耗项六、炉子的主要能量消耗项热平衡计算法是根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则。 来确定炉子功率的方法。1.炉子的主要能量所需要的热量1

19、加热工件所需要的热量由教材附表 6 查得，低合金钢在 950和 20时的比热容分别为：C950=0.636kJ/kJ ，C20=0.486kW/kg ，热处理炉的生产率 P=105kg/h,则加工所需要的热量为；=62420.4 kJ/h2)通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失包括炉顶、炉墙和炉底三局部，有：=502.22.30+445.85.92+356.62.25=4596.5W=16547.4kJ/h3开启炉门的辐射热损失这局部热损失可由下式求得：式中 C0黑体辐射系数F炉门开启面积。炉子正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故F BH0.573 0.793 0.227m2；22H0

20、.573 0.287m，22遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为它 与 炉 墙 厚 度 之 比 为得=0.63；0.287 0.7， 查 教 材 图 1-14 曲 线 10.1150.060.232t炉门开启率。设装、出料所需时间为每小时6 分钟。则炉门开启率为 0.1；Tg炉气的热力学温度，为950+273=1223K；Ta炉外空气的热力学温度，为20+273=293K,将上述数据代入公式中，得：4开启炉门的溢气热损失对于一般的箱式电阻炉， 炉门开启后要吸入冷空气。 通常以加热吸入的冷空气所需的热量为该项热损失，即有：式中qva炉子吸入的冷空气量。对空气介质电阻炉，零压面一般位于炉膛

21、高度的一半零压面在炉门开启高度中分线 。由教材58式得：a20冷空气的密度，为 1.29kg/m3；Ca空气在TaTa即 20950温度之间的平均比热容。就本设计来说，是平均温度950+2/2=485的比热容。查附表10 可知，空气在400、500的比热33容分别为 1.33302kJ/m 和 1.3440kJ/m 。可认为空气比热容在此.z.-温度区间的变化呈线性关系，即有：t炉门开启率，0.1。，近似为：Tg溢气温度见教材 74 页将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：5其它热损失此项热损失包括未考虑的各种热损失和一些不易准确计算的各种热损失。 就箱式电阻炉来说，该项热损失可取以上

22、各项热损失之和的10%20%。本设计取 15%，该项热损失为：=0.1562420.4+16547.4+6514.90+26071.2=16733.1kJ/h2.炉子的理论输入功率根据热平衡计算法，在理论上炉子的输入功率应为上述各项能量消耗的总和，即：=62420.4+16547.4+6514.90+26071.2+16733.1=128287kw/h3.炉子的安装功率上面的炉子输入功率 即各项能量消耗总和 是维持炉子正常工作必不可少的热量支出。但在实际生产中还要考虑一些具体情况，如炉子长期使用后炉衬局部损坏会引起热损失增加，电压波动、电热组件老化会引起炉子功率下降，有时工艺制度变更要求提高炉

23、子功率。这些具体情况要求功率应有一定的储藏， 炉子的实际功率应比理论计算功率大， 因此炉子的安装功率为：式中功率储藏系数，对周期作业炉，K=1.31.5。本设计可取 1.4。将相关数据代入公式中，可得取炉子的安装功率为 54kW。七、炉子热效率的计算1.正常工作时的热效率由教材 512 式得，炉子正常工作时的热效率为：一般电阻炉的热效率在 30%80%之间。本设计的炉子热效率在此围，设计合理。2.保温时关闭炉门的热效率保温关闭炉门时，无辐射热损失和溢气热损失，此时炉子的热效率为：3.炉子空载功率的计算炉子空载时，能量消耗只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此时炉子的功率为：八、功率的分配

24、和接线方法炉子的安装功率为 54kW。电热元件采用三相星形接法，也称Y接法。即将电热元件分为 3 组，每组 18kW，炉墙两侧各布置 1 组电热元件，炉底布置 1 组电热元件。九、校核炉膛壁外表负荷选做54KW 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壁外表负荷，对于周期式作业炉，壁外表负荷在1535 之间，3常用 2025kW/m 之间。3外表负荷在常用的围 2025kW/m 之，故符合设计要求。十、电热元件材料的选择和理论计算1.电热元件材料的选择炉子的最高使用温度为 950，可选用 0Cr25Al5即 FeCrAl合金丝材，绕制成螺

25、旋管状作为电热元件。2.炉膛 950时电热元件的电阻率炉子正常使用时， 电热元件的温度比炉膛温度高100200。 当炉膛温度为 950，.z.-电热元件的温度取 1100。由教材附表 12 得，0Cr25Al5 合金 20时的电阻率201.40mm2/m，电阻温度系数 4105C1,则 1100时电热元件的电阻率为：3. 确定电热元件的外表负荷由教材图53a ，根据设计的炉子的工作条件，取电热元件的允许外表负荷W允1.6W /cm2。4.每组电热元件的功率和端电压由于采用三相星形即YY接法，即两组电热元件并联后在接成Y 的三相双星形接法，每组电热的功率为采用YY接法，车间动力网两端电压为380

26、V，故每组电热元件的端电压为5.电热元件的长度和重量1电热元件的丝材直径可由教材524 式确定，1每组电热元件的长度由教材525 式确定为：2）每组电热元件质量由式526得式中，M由附表 12 查得M 7.1g /cm3电热元件的总长度和总重量7.校核电热元件的实际外表负荷由P组W实dL组W实3P组dL组，电热元件的实际外表负荷为：满足设计要求。8.电热元件在炉膛中的布置将 3 组电热元件每组分为 6 折，布置在两侧炉墙及炉底上，每折电热元件的长度为：电热元件应该距离前、后墙各25mm，布置电热元件的炉壁长度为：9.螺旋状电热元件的两个参数螺旋状电热元件的温度为1100时，由教材表 55 得螺旋节径 D 在46d 的围选取。本设计选取的螺旋节径为而每折电热元件螺旋的圈数为则螺距为：本设计中，螺距和电热元件丝材直径的比值为：h12.6 3.15。此比值在 24 的围满d4足设计要求。10.注意两个问题1）炉门口附近热量损失较大，可适当减小该处电热元件的螺距，以增大功率。2）电热元件引出棒材选用1Cr18Ni9Ti 不锈钢，棒材直径 10mm，长度 400mm。十一、炉子技术指标十一、炉子技术指标额定功率：54kW额定电压：380V最高使用温度：950生产率：105kg/h相数：3接线方法：Y炉膛有效尺寸：1500700450mm炉子外形尺寸：243816071566m.z.