电阻炉设计举例[1]

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,热处理设备,主讲,教师：,范涛,北华航天工业学院,金属材料工程教研室,9/13/2024,1,重 点：,设计方法与步骤,教学要求,：,了解箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。,热处理电阻炉设计计算举例,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),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),生产率,：,160kg/h,；,(3),工作温度,：,最高使用温度,950,；,(4),生产特点,：,周期式成批装料，长时间连续生产。,9/13/2024,2,1,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,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,p,0,为,120kg/(m,2,h),，,故可求得炉底有效面积,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,9/13/2024,3,9/13/2024,4,有效面积与炉底总面积存在关系式,F,1,/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=0.5L,2,，,因此，可求得,见图示,2,炉底长度和宽度的确定,9/13/2024,5,3,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,9/13/2024,6,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,9/13/2024,7,9/13/2024,8,4,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/m,3,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/m,3,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/m,3,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/m,3,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。）,9/13/2024,9,四、砌体平均表面积计算,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) = 2300mm,B,外,=B+2(115+50+115)=1430mm,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,60,0,标准拱顶，取拱弧半径,R=B,，则,f,可由,f =R(1- co30,0,),求得。,9/13/2024,10,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 .341m,2,F,墙外,=2H,外,(L,外,+B,外,)=21.566 (2.300+1.430),=11 .68m,2,炉顶平均面积,2,炉墙平均面积,9/13/2024,11,五、计算炉子功率,1,根据经验公式法计算炉子功率,由式,(514),9/13/2024,12,取式中系数,C=30(k,W,h,0.5,)/(m,1.,8,C,1.55,),，,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),9/13/2024,13,(1),加热工件所需的热量,Q,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,t,1,C,件,1,t,o,),=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,9/13/2024,14,根据式,(1,15,）,对于炉墙散热，如图,5,16,所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，,t,2,墙,= 78,0,，,t,3,墙,= 485,，,t,4,墙,=60,则,9/13/2024,15,耐火层,S,1,的平均温度,t,s1,均,=,（,950+780,）,/2=865,，,硅酸铝纤维层,S,2,的平均温度,t,s2,均,=,（,780+485,）,/2=632.5,硅藻土砖层,S,3,的平均温度,t,s3,均,=,（,485+60,）,/2=272.5,，,S,1,、,S,3,层炉衬的热导率由附表,3,得,1,=0 .29+0.256 10,-3,t,s1,均,=0.29+0.256 10,-3,865=0.511W/(m),3,=0.131+0.23 10,-3,t,s3,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,t,S2,均,= 632.5 ,，得,2=0 .129W/ ( m),9/13/2024,16,当炉壳温度为,60,，室温为,20,时，由附表,2,经近似计算得,=12. 17W /(m,2,),（,综合传热系数）,求热流,9/13/2024,17,验算交界面上的温度,t,2,墙,、,t,3,墙,9/13/2024,18,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,t,4,墙,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,t,2,顶,=844 .39,；,t,3,顶,=562 .6,；,t,4,顶,=53,；,q,顶,= 485 .4 W/m,2,9/13/2024,19,t,2,底,=782 .2,，,t,3,底,568 .54,，,t,4,底,=53.7,，,q,底,=572 . 2 W/m,2,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,9/13/2024,20,=0.1,炉门开启率,t =,(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,(5,6,),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,T,g,=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,=0.278m,2,9/13/2024,21,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,1,14,第,1,条线查得,=0.7,，,故,0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m),图1-14,9/13/2024,22,(4),开启炉门溢气热损失,溢气热损失由式,(57,Q,吸,),得,Q,溢,=,q,V,C,(,t,g,t,),t,其中，,q,V,由式（,5,8,q,va,=1997BH,）,得,9/13/2024,23,(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,+Q,辐,+Q,溢,),=0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713),=23346 .1 kJ/h,9/13/2024,24,(6),热量总支出,其中,Q,辅,=0,，,Q,控,=0,，由式,(5,l0),得,Q,总,=Q,件,+Q,辅,+Q,控,+Q,散,+Q,辐,+Q,溢,+Q,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),炉子安装功率,9/13/2024,25,1,正常工作时的效率,由式,(5,12),2.,在保温阶段，关闭炉门时的效率,六、炉子热效率计算,9/13/2024,26,七、炉子空载功率计算,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。,9/13/2024,27,1.,炉墙及炉顶蓄热,0.97,(1.741+0.276),0.115=0.225m,3,2,(0.869+0.115,2),(16,0.067+0.135)=0.305m,3,21.741,(12,0.067+0.135),0.115=0.376m,3,拱角砖的厚度,9/13/2024,28,2.31.430.115=0.378 m,3,21.43(160.067+0.135) 0.115=0.397 m,3,2(120.067+0.135) (1.741+0.115) 0.115=0.401 m,3,1.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m,3,2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05,=0.133 m,3,2(1.741+0.115) (120.067+0.135) 0.05=0.174 m,3,9/13/2024,29,由式（,59,）,得：,蓄,=V,1,1,(C,1,t,1,-C,1,t,0,)+V,2,2,（,C,2,t,2,-C,2,t,0,）（,kJ,） （,59,）,9/13/2024,30,9/13/2024,31,9/13/2024,32,炉底蓄热计算,9/13/2024,33,查附表,3,得,9/13/2024,34,3,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,2,t,1,-C,板,1,t,0,)=242,（,636.5-9.46,）,=151743.6kJ,9/13/2024,35,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,(5,13),得空炉升温时间,Q,蓄,=Q,蓄,1,+Q,蓄底,+Q,蓄板,=1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ,9/13/2024,36,75kW,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/m,2,之间，常用为,20 25kw/m,2,之间。,表面负荷在,20 25kW/m,2,常用的范围之内，故符合设计要求。,九、功率的分配与接线,9/13/2024,37,1,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/cm,2,。,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,、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,9/13/2024,38,(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,380V,，,故每组电热元件端电压即为每相电压,(3),每组电热元件功率,由于采用,YY,接法，即三相双星形接法，每组元件功率,(2),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)=1.46mm,2,/m,9/13/2024,39,(5),电热元件直径,线状电热元件直径由式,(524),得,取,d=5mm,(6),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,9/13/2024,40,（,7),电热元件的总长度和总重量,电热元件总长度由式,(527),得,L,总,=6L,组,=652.07=312.44m,电热元件总重量由式,(528),得,G,总,= 6 G,组,=67 .26 = 43 .56kg,式中，,M,由附表,12,查得,M =7. 1g/cm,2,所以得,w,实,W,允，结果满足设计要求。,(8),校核电热元件表面负荷,所,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,）,9/13/2024,41,(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,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,，由表,5,5,可知，螺旋节径,D=(4,6)d,，,取,D=6d=6,5=30mm,螺旋体圈数,N,和螺距,h,分别为,9/13/2024,42,h=L/N=1691/138=12.3mm,h/d=12.3/5=2.46,按规定，,h/d,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 = 5mm,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,1Cr18Ni9Ti, =12mm, L= 500mm,。,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,),9/13/2024,43,重量：出厂日期：,十四、编制使用说明书,(,略,),思考题：,为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计和,使用上需注意哪些问题,?,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：,160kg/h,相数：,3,接线方法：,YY,工作室有效尺寸：,1500 700 500,外形尺寸：,L=2300mm,，,B=1430mm,，,H=1566mm,结束,9/13/2024,44,为：,L,效,=1500mm,；,B,效,=700 mm,；,H,效,=500mm,返回,9/13/2024,45,9/13/2024,46,9/13/2024,47,9/13/2024,48,9/13/2024,49,9/13/2024,50,9/13/2024,51,