箱式电阻炉课程设计

一、设计任务书题目：设计一台中温箱式热处理电阻炉；炉子用途：中小型零件的热处理；材料及热处理工艺：中碳钢毛坯或零件的淬火、正火及调制处理；生产率：160 kg/h；生产要求：无定型产品，小批量多品种，周期式成批装料，长时间连续生产；要求：完整的设计计算书一份和炉子总图一张。二、炉型的选择根据生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，最高使用温度950，不通保护气氛。三、确定炉体结构及尺寸1.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160 kg/h，按照教材表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120 kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积：F1=PP0=160120=1.33 m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1F=0.750.85，取系数上限，得炉底实际面积：F=F10.85=1.330.85=1.57 m22.炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便，取LB=2，因此，可求得：L=F0.5=1.570.5=1.772 mB=L2=1.7722=0.886 m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741 m，B=0.869 m，如总图所示。3.炉膛高度的确定按照统计资料，炉膛高度H与宽度B之比HB通常在0.50.9之间，根据炉子工作条件，取HB=0.64Om。因此，确定炉膛尺寸如下：长 L=230+27+23012+2=1741 m宽 B=120+24+65+2+40+22+113+22=869 mm高 H=65+29+37=640 mm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=1500 mmB效=700 mmH效=500 mm4.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113mm QN-0.8轻质粘土砖，+80 mm 密度为250 kgm3的普通硅酸铝纤维毡，+113mm B级硅藻土砖。炉顶采用113 mmQN-1.0轻质粘土砖，+80 mm密度为250 kgm3的普通硅酸铝纤维毡，+115 mm膨胀珍珠岩 。炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖673mm，+50 mm密度为250 kgm3的普通硅酸铝纤维毡，+182 mm B 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65 mmQN-1.0轻质粘土砖，+80 mm密度为250 kgm3的普通硅酸铝纤维毡，+65 mm A级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖（NZ-35），电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr-Mn-N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或者四块，厚20mm。四、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如下： L外=L+2115+80+115=2360 mm B外=B+2115+80+115=1490 mm H外=H+f+115+80+115+674+50+182=1566 mm试中 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。1.炉顶平均面积 F顶内=2R6L=23.140.86961.741=1.585 m2 F顶外=B外L外=1.4902.360=3.516 m2 F顶内=F顶内F顶外=1.5853.516=2.360 m22.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=2HL+B =20.640(1.741+0.869) =3.341 m2 F墙外=2H外L外+B外 =21.5662.360+1.490 =12.058 m2 F墙均=F墙内F墙外 =3.34112.058 =6.347 m23.炉底平均面积 F底内=BL=0.8691.741=1.510 m2 F底外=B外L外=1.4902.360=3.516 m2 F底均=F底内F底外=1.5103.516=2.304 m2五、计算炉子功率1.根据经验公式法计算炉子功率由教材式（5-14）P安=C升-0.5F0.9t10001.55取式中系数C=30kWh0.5m1.81.55，空炉升温时间假定为升=4h，炉温t=950，炉膛面积 F 避=21.7410.640+20.8690.640+1.7410.869 +23.140.869603601.741 =6.440 m2所以 P安=C升-0.5F0.9t10001.55 =304-0.56.440.995010001.55 =74.1 kW由经验公式法计算得P安75 kW2.根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量Q件由教材附表6得，工件在950及20时比热容分别为c件2=0.548 kJkg，c件1=0.486 kJkg，根据式(5-1) Q件=pc件2t1-c件1t0 =1600.548950-0.48620 =81740.8 kJh（2）通过炉衬的散热损失的热量Q散I.炉墙的散热损失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。根据式（1-15）Q散=t1-tn+1i=1nsiiFi对于炉墙散热，如图1-1所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙=800，t3墙=450，t4墙=65，则耐火层s1的平均温度ts1均=950+8002=875 ，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=800+4502=625 ，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=450+652=257.5 ，s1，s3层炉衬的导热率由教材附表3得 1=0.294+0.21210-3ts1均 =0.294+0.21287510-3 =0.480 W（m） 3=0.131+0.2310-3ts3均 =0.131+0.23257.510-3 =0.190 W（m）。普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表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直线关系，由ts2均=625 ，得 2=0.128 W（m）当炉壳温度为65，室温为20是，由教材附表2可得炉墙外表面对车间的综合传热系数=12.50 W(m2)求热流 q墙=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1150.480+0.0800.128+0.1150.190+112.50 =600.06 Wm2验算交界面上的温度t2墙和t3墙t2墙=t1-q墙s11=950-600.060.1150.480=806.24=t2墙-t2墙t2墙=806.24-800800=0.78%误差5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3墙=t2墙-q墙s22=806.24-600.060.0800.128=431.2=t3墙-t3墙t3墙=431.2-450450=4.18%误差5%，同样满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙-q墙s33=431.2-600.060.1150.190=6870满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。计算炉墙散热损失Q墙散=q墙F墙均=600.066.347=3808.58 WII.炉顶的散热损失和炉墙散热损失同理，首先假定界面上的温度及炉顶壳的温度，t2顶=840，t3顶=560，t4顶=52。则：耐火层s1的平均温度 ts1均=950+8402=895 ，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=840+5602=700，膨胀珍珠岩层s3的平均温度ts3均=560+522=306。s1，s3层炉衬的热导率由教材附表3得：1=0.294+0.21210-3ts1均=0.294+0.21289510-3=0.484 W（m）1=0.040+0.22010-3ts3均=0.040+0.22030610-3=0.107 W(m)普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表4查得， ts2均=700时，2=0.140 W（m）。当炉壳温度为52，室温为20是，由教材附表2可查得炉壳表面对空气的综合传热系数=11.59 W（m）。求热流 Q顶=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1150.484+0.0800.140+0.1150.107+111.59=472.06 Wm2验算交界面上的温度t2顶和t3顶t2顶=t1-q顶s11=950-472.060.1150.484=837.9 =t2顶-t2顶t2顶=837.9-840840=0.26%5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3顶=t2顶-q顶s22=837.9-472.060.0800.140=568.15 =t3顶-t3顶t3顶=568.15-560560=1.46%验算炉壳温度t4顶t4顶=t3顶-q顶s33=568.15-472.060.1150.107=60.8 70 满足一般热处理电阻炉表面升温要求。计算炉顶的散热损失Q顶散=q顶F顶均=472.062.360=1114.06 Wm2III.炉底的散热损失假定各层界面的温度及炉底温度，t2底=750 ，t3底=550 ，t4底=53 。则耐火层s1的平均温度ts1均=950+7502=850 ，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=750+5502=650 ，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=550+532=301.5 。s1和s3层炉衬的热导率同样可由教材附表3得1=0.294+0.21210-3ts1均=0.474 Wm3=0.131+0.23010-3ts3均=0.200 W（m）普通硅酸铝纤维的热导率同样可由教材附表4由插入法得2=0.132 W（m）。当炉壳温度为53，室温为20是，由教材附表2可得=11.72 W（m）。求热流 Q底=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1950.474+0.0500.132+0.1800.200+111.72=523.8 Wm2验算交界面上的温度t2底和t3底t2底=t1-q底s11=950-523.80.1950.474=734.5 =t2底-t2底t2底=734.5-750750=2.1%5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3底=t2底-q底s22=734.5-523.80.0500.132=536.1 =t3底-t3底t3底=536.1-550550=2.5%5%，满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度t4底t4底=t3底-q底s33=536.1-523.80.1800.200=64.68 满足一般热处理电阻炉表面升温要求。计算炉底散热损失 Q底散=q底F底均=523.82.304=1206.8 Wm2整个炉体散热损失 Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散 =3808.58+1114.06+1206.8 =6129.44 W =22066kJh（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，根据教材式（5-6） Q辐=3.65.675FtTg1004-Ta1004因为Tg=950+273=1223 K，Ta=20+273=293 K，由于正常工作是，炉门开启高度为炉膛高度一半，故炉门开启面积F=BH2=0.8690.6402=0.278 m2，炉门开启率t=660=0.1。由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H2与B之比为0.3200.869=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.320.31=1.03，由教材图1-14第一条线查得孔口遮蔽系数=0.7，故 Q辐=3.65.675FtTg1004-Ta1004 =5.6753.60.2780.10.712231004-2931004 =8865.1 kJh（4）开启炉门溢气热损失溢气热损失由教材式（5-7）得Q溢=qvacatg-tat式中，qva由教材式（5-7）得qva=1997BH2H2=19970.8690.3200.320=314.1 m3h冷空气密度a=1.29 kgm3，由教材附表10得ca=1.301 kJm3，ta=20 ，tg为溢气温度，近似认为 tg=ta+23tg-ta=20+23950-20=640 Q溢=qvaacatg-tat =314.11.291.302(640-20)0.1 =32658.2 kJh(5)其他热损失其他热损失约为上述热损失之和的10%20%，故 Q他=0.13Q件+Q散+Q辐+Q溢 =0.1381740.8+22066+8865.1+32658.2 =18892.9 kJh(6)炉子热量总支出其中Q辅=0，Q控=0，由教材式（5-10）得 Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q他 =81740.8+22066+8865.1+32658.2+18892.9 =164223.02 kJh（7）炉子安装功率由教材式（5-11）P安=KQ总3600其中，K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则P安=1.4164223.023600=63.86 kW 与标准炉子相比较，取炉子功率为75 kW。六、炉子热效率计算1.正常工作时的效率由教材式（5-12）=Q件Q总=81740.8164223.02=49.77%2.在保温阶段，关闭炉门时的效率=Q件Q总-Q辐+Q溢=81740.8164223.02-8865.1-32658.2=66.6%七、炉子空载功率计算P空=Q散+Q他3600=22066+18892.93600=11.38 kW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，因为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黏侧=21.741120.067+0.1350.115=0.376 m3 V黏前。后=20.869+0.1152160.067+0.1350.115=0.305 m3 V黏顶=0.971.741+0.2760.115=0.225 m3 V纤侧=21.741+0.115120.067+0.1350.080=0.279 m3 V纤前。后=20.87+0.1152160.067+0.1350.080=0.212 m3 V纤顶=1.0711.741+0.2760.08=0.172 m3 V硅侧=2120.067+0.1351.741+0.1150.115=0.401 m3 V硅前。后=21.490160.067+0.1350.115=0.414 m3 V珍顶2.3601.4900.115=0.404 m3由教材式5-9Q蓄=V黏黏c黏t黏-t0+V纤纤c纤t纤-t0+V硅硅c硅t硅-t0因为t黏=t1+t2墙2=950+806.242=878.12 查教材附表3，经计算得c黏=0.84+0.2610-3t黏=0.84+0.2610-3878.12=1.068 kJkgt纤=t2墙+t3墙2=806.24+431.22=618.72 查教材附表3，经计算得c纤=0.81+0.2810-3t纤=0.81+0.2810-3618.72=0.983 kJkgt硅=t3墙+t4墙2=431.2+682=249.6 查教材附表3，经计算得c硅=0.84+0.2510-3t硅=0.84+0.2510-3249.6=0.90 kJkg炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得Q蓄1=V黏侧+V黏前。后+V黏顶黏c黏t黏-t0+V纤硅+V纤前。后+V纤顶纤c纤t纤-t0+V硅侧+V硅前。后+V硅顶硅c硅t硅-t0 =0.376+0.305+0.2250.81031.07878.1-20 +0.279+0.212+0.1730.251030.98618.7-20 +0.401+0.414+0.4040.551030.90249.6-20 =901441.3 kJ2.炉底蓄热计算炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质黏土砖。炉底的复合炉衬按硅藻土计算。V底=V重黏底+V轻黏底+V纤底+V硅底 V黏重底=0.1200.0204+0.0650.230+0.0400.2302+0.1130.2302 1.741 =0.165 m3 V轻黏底=0.1130.0654+0.1130.06531.741+1.490-0.1132 2.360-0.1130.065 =0.274 m3 V纤底=2.3601.4900.05=0.176 m3 V硅底=2.3601.4900.180=0.633m3由于t黏底=t1+t2底2=950+734.52=842.25 近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。差教材附表3，经计算得 c重黏底=0.88+0.2310-3t重黏底=0.88+0.2310-3842.3=1.07 kJkg c轻黏底=0.84+0.2610-3t轻黏底=0.84+0.2610-3842.3=1.06 kJkg t纤底=t2底+t3底2=734.5+536.12=635.3 查教材附表3，经计算得c纤底=0.81+0.2810-3t纤底=0.81+0.2810-3635.3=0.99 kJkg t硅底=t3底+t4底2=536.1+64.682=300.4 查教材附表3，经计算得c硅底=0.84+0.2510-3t硅底=0.84+0.2510-3300.4=0.92 kJkg所以得 Q蓄底=0.1652.11031.07842.3-20 +0.2741.01031.06842.3-20 +0.1760.251030.99635.3-20 +0.6330.51030.92300.4-20 =652117 kJ3.炉底板蓄热计算根据教材附表6查得950和20时高合金钢的比热容分别为c板2=0.670 kJkg和c板1=0.473 kJkg。经计算炉底板质量G=238 kg，所以有Q蓄板=Gc板2t1-c板1t0=2380.670950-0.47320=149235.5 kJ因此，综上可得炉子蓄热Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板=910441.3+652117+149235.5=1734240.8 kJ由教材式5-13得空炉升温时间升=Q蓄3600P安=1734240.8360075=6.3h对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38 h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 h以内。九、功率的分配与接线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，内壁表面负荷应在1535kWm2之间，常用为2025 kWm2之间。F电=2F电侧+F电底=21.7410.640+1.7410.869=3.74 m2W=P安F电=753.74=20.05 kWm2表面负荷在常用的范围2025 kWm2之内，故符合设计要求。十、电热元件材料选择及计算由最高使用温度950 ，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用YY。1.图表法有教材附表15查得0Cr25Al5电热元件，75 kW箱式电阻炉YY接线，直径d=5 mm时，其表面负荷为1.58 Wcm2。每组元件长度L组=50.5 m，总长度L总=303.0 m，元件总质量G总=42.3 kg。2.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 ，由教材附表12查得0Cr25Al5在20 时电阻率20=1.40 mm2m，电阻温度系数=410-5 -1，则1100下的电热元件电阻率为t=201+t=1.401+410-51100=1.46 mm2m（2）确定电热元件表面功率由教材图5-3，根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6 Wcm2。(3)每组电热元件功率由于采用YY接法，即两组电热元件并联后再接成Y的三相双星形接法，每组电热元件功率P组=75n=7532=12.5 kW（4）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380 V，故每组电热元件端电压即为每相电压U组=3803=220 V（5）电热元件直径线状电热元件直径由教材式（5-24）得d=34.33P组2t（U组2W允）=34.3312.521.4622021.6=4.9 mm取d=5 mm。（6）每组电热元件长度和质量每组电热元件长度由教材式（5-25）得L组=0.78510-3U组2d2P组t=0.78510-322025212.51.46=52.07 m每组电热元件质量由教材式（5-26）得G组=4d2L组M=3.1445252.077.110-5=7.26 kg其中M由教材附表12查得M=7.1 gcm3（7）电热元件总长度和总质量电热元件总长度由教材式（5-27）得L总=6L组=652.07=312.42 m电热元件总质量由教材式（5-28）得G总=6G组=67.26=43.56 kg（8）校核电热元件表面负荷W实=P组dL组=12.53.140.0552.07=1.53 Wcm2W实W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=52.074=13.02 m布置电热元件的炉壁长度L=L-50=1741-50=1691 mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000，由教材表5-5可知，螺旋节径D=46d，取D=6d=30mm。螺旋体圈数N和螺距h分别为N=L折D=13.023.1430103=138圈h=LN=1691138=12.3 mmhd=12.35=2.46按规定，hd在24范围内满足设计要求。根据计算，选用YY方式接线，采用d=5 mm所用电热元件质量最小，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1Cr18Ni9Ti，=12 mm，l=500 mm。电热元件图（略）。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略）。十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图（略），砌体图（略）十三、炉子技术指标（标牌）额定功率：75kW额定电压：380V最高使用温度：950 生产率：160 kgh相数：3接线方法：YY工作室有效尺寸：1500700500外形尺寸：质量：出厂日期：十四、编制使用说明书（略）