105KW中温箱式电阻炉设计

1、佳木斯大学工学硕士学位论文佳木斯大学热处理设备设计说明书PAGE II DATE yy-M-d 12-11-19 DATE yy-M-d 12-11-19热处理设备设计说明书设计题目105KW中温箱式电阻炉设计学 院材料科学与工程年 级2003级专 业金属材料工程学生姓名金鑫学 号0307024411指导教师李洪波佳木斯大学佳木斯大学工学硕士学位论文佳木斯大学热处理设备设计说明书PAGE II DATE yy-M-d 12-11-19 DATE yy-M-d 12-11-19目 录 TOC o h z HYPERLINK l _Toc165100641 1 前 言 PAGEREF _Toc16

2、5100641 h 1 HYPERLINK l _Toc165100642 1.1 本设计的目的、意义 PAGEREF _Toc165100642 h 1 HYPERLINK l _Toc165100643 1.1.1 本设计的目的 PAGEREF _Toc165100643 h 1 HYPERLINK l _Toc165100644 1.1.2 本设计的意义 PAGEREF _Toc165100644 h 1 HYPERLINK l _Toc165100645 1.2 本设计的技术要求 PAGEREF _Toc165100645 h 1 HYPERLINK l _Toc165100646 1

3、.2.1 技术要求 PAGEREF _Toc165100646 h 1 HYPERLINK l _Toc165100647 1.3 国外热处理行业的能源利用情况 PAGEREF _Toc165100647 h 1 HYPERLINK l _Toc165100648 1.4 我国热处理行业存在的问题 PAGEREF _Toc165100648 h 2 HYPERLINK l _Toc165100649 2 设计说明 PAGEREF _Toc165100649 h 3 HYPERLINK l _Toc165100650 2.1 炉型选择 PAGEREF _Toc165100650 h 3 HYPE

4、RLINK l _Toc165100651 2.2 确定炉体结构和尺寸 PAGEREF _Toc165100651 h 3 HYPERLINK l _Toc165100652 2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸L*B*H PAGEREF _Toc165100652 h 3 HYPERLINK l _Toc165100653 2.2.2 确定工作室有效尺寸 L效 B效 H效 PAGEREF _Toc165100653 h 4 HYPERLINK l _Toc165100654 2.2.3 炉衬材料及厚度的确定 PAGEREF _Toc165100654 h 4 HYPERL

5、INK l _Toc165100655 2.2.4 砌体平均表面积计算 PAGEREF _Toc165100655 h 4 HYPERLINK l _Toc165100656 2.2.5 炉顶平均面积 PAGEREF _Toc165100656 h 4 HYPERLINK l _Toc165100657 2.2.6 炉墙平均面积 PAGEREF _Toc165100657 h 5 HYPERLINK l _Toc165100658 2.2.7 炉底平均面积 PAGEREF _Toc165100658 h 5 HYPERLINK l _Toc165100659 2.3 计算炉体的热散失 PAGE

6、REF _Toc165100659 h 5 HYPERLINK l _Toc165100660 2.3.1 求热流量 PAGEREF _Toc165100660 h 6 HYPERLINK l _Toc165100661 2.3.2 验算交界面上的温度t2墙 t3墙 PAGEREF _Toc165100661 h 6 HYPERLINK l _Toc165100662 2.3.3 验算炉壳温度t4墙 PAGEREF _Toc165100662 h 6 HYPERLINK l _Toc165100663 2.4 计算炉墙散热损失Q墙散 PAGEREF _Toc165100663 h 7 HYPE

7、RLINK l _Toc165100664 2.4.1计算炉墙散热损失 PAGEREF _Toc165100664 h 7 HYPERLINK l _Toc165100665 2.4.2开启炉门的辐射热损失Q辐 PAGEREF _Toc165100665 h 7 HYPERLINK l _Toc165100666 2.4.3开启炉门溢气热损失Q溢 PAGEREF _Toc165100666 h 8 HYPERLINK l _Toc165100667 2.4.4 其它热损失Q它 PAGEREF _Toc165100667 h 8 HYPERLINK l _Toc165100668 2.4.5 工

8、件吸收的热量 PAGEREF _Toc165100668 h 8 HYPERLINK l _Toc165100669 2.5 炉子生产率的计算 PAGEREF _Toc165100669 h 9 HYPERLINK l _Toc165100670 2.5.1 炉子生产率计算 PAGEREF _Toc165100670 h 9 HYPERLINK l _Toc165100671 2.5.2 正常工作时的效率 PAGEREF _Toc165100671 h 9 HYPERLINK l _Toc165100672 2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率 PAGEREF _Toc165100672 h

9、9 HYPERLINK l _Toc165100673 2.6 炉子空载功率计算 PAGEREF _Toc165100673 h 9 HYPERLINK l _Toc165100674 2.7 空炉升温时间计算 PAGEREF _Toc165100674 h 9 HYPERLINK l _Toc165100675 2.7.1炉墙及炉顶蓄热 PAGEREF _Toc165100675 h 9 HYPERLINK l _Toc165100676 2.7.2炉底蓄热计算 PAGEREF _Toc165100676 h 10 HYPERLINK l _Toc165100677 2.7.3炉底板蓄热 P

10、AGEREF _Toc165100677 h 11 HYPERLINK l _Toc165100678 2.8 功率的分配与接线 PAGEREF _Toc165100678 h 11 HYPERLINK l _Toc165100679 2.9 电热元件材料选择及计算 PAGEREF _Toc165100679 h 12 HYPERLINK l _Toc165100680 2.9.1 求950时电热元件的电阻率pt PAGEREF _Toc165100680 h 12 HYPERLINK l _Toc165100681 2.9.2 确定电热元件表面功率 PAGEREF _Toc165100681

11、 h 12 HYPERLINK l _Toc165100682 2.9.3 每组电热元件功率 PAGEREF _Toc165100682 h 12 HYPERLINK l _Toc165100683 2.9.4 每组电热元件端电压 PAGEREF _Toc165100683 h 12 HYPERLINK l _Toc165100684 2.9.5 电热元件直径 PAGEREF _Toc165100684 h 13 HYPERLINK l _Toc165100685 2.9.6 每组电热元件长度和重量 PAGEREF _Toc165100685 h 13 HYPERLINK l _Toc1651

12、00686 2.9.7 电热元件的总长度和总重量 PAGEREF _Toc165100686 h 13 HYPERLINK l _Toc165100687 2.9.8 校核电热元件表面负荷 PAGEREF _Toc165100687 h 13 HYPERLINK l _Toc165100688 2.9.9电热元件在炉膛内的布置 PAGEREF _Toc165100688 h 13 HYPERLINK l _Toc165100689 2.10 炉子技术指标 PAGEREF _Toc165100689 h 14 HYPERLINK l _Toc165100690 参 考 文 献 PAGEREF _

13、Toc165100690 h 15不要删除行尾的分节符，此行不会被打印附录 第 PAGE 15 页前 言本设计的目的、意义1.1.1 本设计的目的设计一台电阻加热炉，额定功率为105KW，使其加热温度在6501000之间，周期式成批装料，长时间连续生产。 用于中碳钢，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。1.1.2 本设计的意义通过本次热处理炉设计，了解中温热处理炉的基本结构，掌握热处理炉设计的基本方法，熟悉热处理炉在工厂中的实际应用以及进一步熟练工程制图的方法，为以后的工厂实际奠定基础。 本设计的技术要求1.2.1 技术要求(1

14、)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)额定功率：105KW。(3)工作温度：中温（650-1000）。(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。 国外热处理行业的能源利用情况在国外推出的热处理节能措施中，主要考虑的就是改进设备和革新工艺的技术措施，主要措施有以下几个方面：加强合理利用热能的理论研究和实际应用。采用直接控制炉内气氛碳势、氮势、氧势的传感器和执行机构，可以获得一定的节能效果。采用新型的保温材料，可减少20%以上的热损失。采用直接加热工件的方法，可减少蓄热损失和辐射损失，也可有效的节约能源。改

15、进料盘、夹具的结构，减轻耐热钢构件的重量，增加强度，减少料盘夹具的无效加热损失。 我国热处理行业存在的问题由于我国工业起步较晚，现行的热处理装备水平普遍落后，主要有以下几个方面：设备负荷率低，装炉量不足。设备的利用率低。加热设备落后。无效热消耗多。工艺落后。目前，我国的热处理工艺普遍落后，过于保守。设计说明炉型选择根据设计任务给出的生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。确定炉体结构和尺寸2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸L*B*H经验公式： P安=Ct升0.5F0.9（T/1000）1.55由于炉门为开启式，故散热量较大，取C=30(kw*h0.5)/(m1

16、.8*1.55),空炉升温时间假定为4h，炉温为T=1000，故 105=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55 计算得 F=8.69m2 根据炉膛面积计算公式 F=2*B*H+2*L*H+B*L+2*B*L* (1)根据经验一般有 L=2B H=0.7B (2)根据(1)、(2)式计算得 L=2.05m B=1.03m H=0.72m根据标准热处理炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm）及在各方向上砖缝不能重合，以保持其强度，必须用半块砖，故取 L=1.96m B=0.9m H=0.68m考虑每块砖之间的缝隙2mm,确定最后尺寸 L=(230+2)*8+(230*0.

17、5+2)=1973mm B=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=967mm H=(65+2)*10+37=707mm 2.2.2 确定工作室有效尺寸 L效 B效 H效为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，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=1700mm B效=700mm H效=500mm。2.2.3 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 113mmQN-1.0轻质黏土转+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113mmQN-1.0轻质黏土砖+80

18、mm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QN-1.0轻质黏土砖（67*3）mm+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门用65mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。 炉底隔砖采用重质黏土砖，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，分三块或四块，厚20mm。2.2.4 砌体平均表面积计算L外=L+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2483mmB外=

19、B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=1527mmH外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182=707+130+310+268+50+182=1647 式中： f-拱顶高度，此炉采用60标准拱顶，取拱弧半径R=B，则 f可由f=R(1-cos30)求得。2.2.5 炉顶平均面积F顶内=2R/6*L=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025m2 F顶外=B外*L外=2.483*1.527=3.903 m2F顶均=F顶内* F顶外=2.025*3.903=2.82 m22.2.6 炉墙平均面积炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将

20、炉门包括在前墙。F墙内=2LH+2BH=2H（L+B）=2*0.707（1.973+0.967） =4.150m2F墙外=2H外（L外+B外）=2*1.647（2.483+1.527） =13.39 m2F墙均=F墙内* F墙外=4.15*13.39=7.45 m22.2.7 炉底平均面积F底内=B*L=0.967*1.973=1.93 m2F底外= B外*L外=2.483*1.527=3.90 m2F底均=F底内F底外=1.93*3.9=2.74 m2 计算炉体的热散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。根据公式 Q散=t1-tn+1/Si/入

21、iFi对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙=780，t3墙=485，t4墙=60则耐火层S1的平均温度ts1均=（950+780）/2=865硅酸铝纤维层S2的平均温度 ts2均=（780+485）/2=632.5 硅酸土砖层S3的平均温度 ts3均=（485+60）/2=272.5S2 、S3 层炉衬的热导率由附表3查得1=0.29+0.256*10-3ts1均=0.29+0.256*10-3*865=0.511W/（m）3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*272.5=0.194 W/（m）普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温

22、度相差较小范围内近似认为其热导率与温度呈线形关系由 ts2均=632.5 得 2=0.129 W/（m）当炉壳温度为60 室温为20 由附表2经近似计算得a=12.11 W/（m）2.3.1 求热流量q墙=（tg-ta）/（s1/1+s2/2+s3/3+1/a）=（950-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=730.4W/2.3.2 验算交界面上的温度t2墙 t3墙t2墙 =t1-q墙*（s1/1 ）=950-730.4*（0.115/0.511）=788.6= （t2墙 - t2墙 ）/ t2墙 =（788.6-780）/780=1

23、.1% 5% 满足设计要求 不需要重算。t3墙 = t2墙 -q墙*（s2/2） =788.6-730.4*（0.05/0.129）=497.8= （t3墙- t3墙 ）/ t3墙 =（497.8-485）/485=2.64% 5% 满足设计要求 不需要重算。2.3.3 验算炉壳温度t4墙t4墙= t3墙-q墙*（s3/3）=497.8-730.4*（0.115/0.194）=64.9 70满足一般热处理电阻炉表面升温小于50的要求。计算炉墙散热损失Q墙散2.4.1计算炉墙散热损失Q墙散=q墙*F墙均 =730.4*7.45=5441.48 W同理可以求得 t2顶=844.3 t3顶=562.

24、6 t4顶=53 q顶=485.4 W/t2底=782.2 t3底=568.5 t4底=53.7q底=572.2 W/炉顶通过炉衬散热 Q顶散= q顶*F顶均=485.4*2.82=1368.83 W炉底通过炉衬散热 Q底散= q底*F底均=572.2*2.74=1567.83 W则整个炉体散热损失 （其中1W=3.6 KJ/h）Q散= Q墙散+Q底散+Q顶散 =5441.48+1368.83+1567.82 =8378.13=30161.32KJ/h2.4.2开启炉门的辐射热损失Q辐设装出料所需时间为每小时6分钟Q辐=3.6*5.765Ft（Tg/100）4-（Ta/100）4Tg=950+

25、273=1223K 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，故炉门开启面积 F=B*（H/2）=0.967*0.707/2=0.343m2炉门开启率t=6/60=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.351/0.978=0.36，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.351/0.28=1.25，由图1-14第一条线查得 =0.7 故Q辐=5.675*3.6Ft（Tg/100）4-（Ta/100）4 =5.675*3.6*0.343*0.1*0.7*（22372-73.7） =11406.62KJ/h2.4.3开启炉门溢气热损失Q溢Q溢=qvaa

26、ca（tg-ta）t近似认为qva=1997B*H/2=1997*0.978*0.351*0.351=406.14冷空气密度a=1.29/ 有附表得Ca=1.342 KJ/（）ta =20 tg为溢气温度，近似认为tg= ta +2/3（tg - ta）=20+2/3（950-20）=640 Q溢=qvaaca（tg-ta）t=406.14*1.29*1.342*（640-20）*0.1 =43592.29 KJ/h2.4.4 其它热损失Q它一般其它热损失为上述热损失的10%20% 则Q它=0.13（Q件+ Q散+ Q辐+ Q溢） =0.13（Q件+30161.32+11406.62+4359

27、2.29） =0.13Q件+11070.83 KJ/h2.4.5 工件吸收的热量因为炉子安装功率为105KW，又P安=KQ总/3600 其中K为功率储备系数，本炉子设计中取K=1.4 则P安=1.4Q总/3600=75KWQ总=105*3600/1.4=270000 KJ/h 得 Q件=153777.82 KJ/h Q它=31061.95 KJ/h 炉子生产率的计算2.5.1 炉子生产率计算低合金钢工件在650和20的比热容为C件2=0.770 KJ/（）C件1=0.486 KJ/（） 由Q件=P （C件2 t1- C件1 t0）得P=Q件/（ C件2 t1- C件1 t0）=153777.8

28、2/（0.77*650-0.486*20）=313.37 Kg/h2.5.2 正常工作时的效率= Q件/ Q总= 153777.82/270000=56.95%2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率= Q件/ Q总-Q辐-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%炉子空载功率计算P空= Q散+ Q它/3600=（30161.32+31061.95）/3600=17KW空炉升温时间计算由于所设计的炉子的耐火层相似，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。2.7.1炉墙及炉顶蓄热

29、V粘侧=2*1.973*（13*0.067+0.135）*0.115=0.458m3 V粘前后=2*（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05=0.354 m3 V粘顶=0.97*（1.973+0.276）*0.05=0.251 m3 V纤侧=2*（1.973+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05=0.187 m3 V纤前后=2*（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05=0.154 m3 V纤顶=1.071*（1.973+0.276）*0.08=0.193 m3 V硅侧=2*（13*0.067+0.135）*

30、（1.973+0.115）*0.115=0.484 m3 V硅前后=2*1.43*（17*0.067+0.135）*0.115=0.419 m3 V硅顶=2.3*1.43*0.115=0.378 m3由式 Q蓄=V粘p粘c粘（t粘-t0）+V纤p纤c纤（t纤-t0）+V硅p硅c硅（t硅-t0）其中 t粘=（t1+t2墙）/2=（950+788.6）/2=869.3 t纤=（t2墙+t3墙）/2=（788.6+497.8）/2=643.2 t硅=（t3墙+t4墙）/2=（497.8+64）/2=281.3查附表3得 C粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.066 KJ/（）C纤=0.81+

31、0.28*10-3 t纤=0.99KJ/（）C硅=0.84+0.25*10-3 t硅=0.91 KJ/（）所以得Q蓄1= （V粘侧+ V粘前后+ V粘顶）p粘c粘（t粘-t0）+( V纤侧+ V纤前后+ V纤顶) p纤c纤（t纤-t0）+( V硅侧+ V硅前后+ V硅顶) p硅c硅（t硅-t0） =962391+82365+152300=1044908.3KJ2.7.2炉底蓄热计算V粘底=4*（0.02*0.12+0.133*0.065）+（0.04*2+0.065）*0.113+（0.113*0.12）*2*1.973+（1.43-0.115*2）*（2.3-0.115）*0.065 = 0

32、.324 m3V纤底=2.538*1.527*0.05=0.164 m3V硅底=2.538*1.527*0.128=0.600 m3由于t粘=（t1+t2底）/2=（950+782.2）/2=866.1t纤=（t2底+t3底）/2=（788.2+568.5）/2=675t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311查表得 C粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.065 KJ/（）C纤=0.81+0.28*10-3 t纤=0.999 KJ/（）C硅=0.84+0.25*10-3 t硅0.918 KJ/（）所以得Q蓄底=V粘底粘C粘（t粘-t0）+V纤底纤C纤（t纤-t0

33、）+V硅底硅C硅（t硅-t0）=399880KJ2.7.3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0.670和0.473，经计算炉底板重量为242Kg，所以有Q蓄板=G（c板2t1-c板1t0）=242(636.5-9.46)=151743.6KJ得 Q蓄= Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板 =1044908.3+399880+151743.6 =1596531.9KJ得升温时间 升=Q蓄/3600P安=4.22h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。功率的分配与接线105KW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，对于周期作业炉，内壁表面负荷应在15-35kW/m2之间，常用为20-25 kW/m2之间。F电=2F电侧+F电底=2*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71 m2W= P安/F电=105/4.71=22.29KW/表面负荷在常用的范围20-25 kW/m2之内，故符合设计要求。电热元件材料选择及计算由最高使用温度1000，选用线状0Cr25Al5合金电热元件。接线方式采用YY理论计算。2.9.1 求950时电热元件的电阻率pt当炉