产量为200kgh的卡车变速器零件双排渗碳自动线之回火炉设计 毕业设计.doc

安 徽 工 程 大 学材料成型及控制工程毕业设计论文 专 业： 材料成型与控制工程 题 目：产量为200kg/h的卡车变速器零件双排渗碳自动线之回火炉设计作 者 姓 名： 导师及职称： 副教授 导师所在单位： 机械与汽车工程学院 - 11 -目录一、炉型的选择1二、确定炉体结构和尺寸1三、砌体平均表面积计算2四、计算炉子功率2五、炉子热效率计算5六、炉子空载功率计算5七、空炉升温时间计算5八、功率的分配与接线5九、电热元件材料选择及计算6十、电阻炉技术指标7参考文献7设计任务：按工作要求可设计一台低温热处理箱式回火炉，其技术要求为：(1)用途：中低碳钢、合金钢毛坯或零件的回火、正火处理，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为少品种，少批量；(2)生产率：200kg/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、炉型的选择根据设计任务给出的技术要求和生产特点，本设计宜选用箱式热处理电阻回火炉。通可控气氛。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定根据所学知识炉底面积用炉底强度来计算。生产率为200kg/h，即可选择箱式炉用于淬火和正火时的单位面积炉底强度h为100kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积 f1 = p/h = 200/100 = 2m2k为有效面积与炉底总面积的比例系数，k=f/f1=0.750.85，我们取上限系数为0.85，则炉底实际面积： f = f1/0.85 =2/0.85 =2.35m22炉底长度和宽度的确定考虑到工作时的状态，长度与宽度之比l/b=2：1，因此可知b =1084.mm，l =2168m。又因为要考虑便于砌砖(230 113 65)，根据标准砖尺寸，取l =(230+2)*8+(230/2+2)=2205mm，b =(40+2)*2+(113+2+65+2)=994mm。3炉膛高度的确定炉膛高度可根据经验总结来计算，炉膛高度h与炉底宽度b之比h/b大约在0.8左右，本设计根据炉子工作条件并考虑利于辐射散热与对流传热等因素，这里取h/b = 0.85，再根据标准砖尺寸，最终选定炉膛高度h = 774mm。因此，确定炉膛尺寸如下：长 l =2205 mm， 宽 b = 994mm， 高 h = (65+2)*11+37 =780mm。为使工件在炉内正确安置，应保证工件与炉膛内壁之间有一定的距离，确定工作室有效尺寸大约为 l效 = 1800mm，b效 = 860mm，h效 = 640mm。4炉衬材料及厚度的确定分析箱式电阻炉内部环境，可知侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作环境类似，可采用相同的二层炉衬结构，即115mm耐火的轻质粘土砖加上150mm保温的膨胀蛭石。轻质粘土砖使用牌号为qz-13，密度为1.3 g/cm3的。膨胀蛭石的密度为0.2g/cm3。炉底采用厚为115mm的搁砖和厚为65mm的轻质粘土砖以及保温填料砌成。三、砌体平均表面积计算根据公式可知， l外= l+2(115+150) = 2735mm，b外= b+2(115+150) = 1524mm，h外= h+(115+150) +65+230+115+f = 1562mm。式中 f - 拱顶矢高，采用60标准拱顶，拱弧半径r = b，则f = r(1-cos30) = 113mm。1炉顶平均面积炉顶外面积：f顶外 = b外l 外=4.168m2炉顶内面积：f顶内 = (2r/6)l = 2.295m2 炉顶平均面积：f顶均= 3.093m22炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙面积及前后墙面积，为简化计算将炉门包括在前墙内，则：炉墙外面积：f墙外= 2h外(l外+b外)= 21.562(2.735+1.524) = 13.305m2炉墙内面积：f墙内 = 2lh+2bh = 22.2050.774+20.9940.774=4.952m2炉墙平均面积：f墙均= = 8.117m23炉底平均面积同理，可把底面近似实体，求出面积。炉底外面积：f底外=b外l外=1.5242.735 = 4.168m2炉底内面积：f底内=bl=0.9942.205=2.192 m2炉底平均面积：f底均= 3.022m2.四、计算炉子功率炉子的功率本设计可采用热平衡法来计算。1 加热工件所需的热量q件查阅相关文献可知工件在600及20时比热容分别为c件2=0.682kj/(kg)， c件1=0.494kj/(kg)，得：q件=g(c件2t1 - c件lt0) =200(0.682600-0.49420) = 62080 kj/h2加热辅助夹具所需的热量q辅根据公式q辅=5q件=0.0562080=3104 kj/3通过炉衬的散热损失q散求炉墙散热损失，需假设炉壳内外温度和两层材料在界面上的温度，t1=600，t2 = 60, t界= 520。耐火层s1的平均温度：t1均=(600+520)/2=560，保温层s2的平均温度：t2均=(520+60)/2=290轻质粘土砖的热导率1为 1=0.407+0.34910-3t1均=0.407+0.34910-3560=0.60244w/(m)膨胀蛭石的热导率，由t2均=290得2 =0.07+0.00025t3均= 0.07+0.00025290 = 0.1425 w/(m)当炉壳温度为60，室温为20时，可近似计算得 =12.7w/(m2)a) 计算热流q墙 =(600-60)/(s1/1+ s2/2 +1/)=(600-60)/(0.115/0.60244+0.15/0.1425+0.06)=414w/ m2b) 计算交界面上的温度t界t界 =600-4140.115/0.60244=521，求证中间温度是否合理，由于(521-520)/521=0.2%5%，说明假设温度合理，不需要重新设定。c) 计算炉墙散热损失炉墙散热损失：q墙散= q墙f墙均 =4148.117=3360.44 w炉顶散热损失：q顶散= q墙f顶均=4143.093=1280.50 w炉底散热损失：q底散= q墙f底均=4143.022=1251.11 w则：整个炉体散热损失q散= q墙散+q顶散+ q底散=5892.05w=21211.38kj/h4计算开启炉门的辐射热损失根据公式：q辐=3.6 5.675ft-其中tg=600+273=873 k，ta=20+273=293 k，炉门开启率t=0.1；炉子正常工作时炉门全开，根据实际情况和工作要求可设炉门宽b=320mm，高h=0.85b=272mm，则炉门开启面积：f=bh=0.3200.272=0.08704 m2由于炉门开启后，辐射口为矩形，炉门高度与炉墙厚度之比为0.272/0.265=1.03，经文献可查得：=0.72则： q辐=3.65.675ft-=3.65.6750.087040.720.1(5808.41-73.70)=733.58kj/h5计算开启炉门溢气热损失计算溢气热损失的公式为：q溢=vc (ta-tb) 其中 v为进入炉内的冷空气量，根据公式可近似v=2200 bhh =99.8679m3/h，c为空气在温度ta tb之间的平均比热，即c=(1.181+0.435)/2=0.808。ta=600，tb=20。q溢= vc (ta-tb) =99.86790.808 (600-20)0.1=4680.21kj/h6其它热量损失其他热量损失约为散热损失的50%，故q它=0.5q散=0.521211.38=10605.69kj/h7计算热量总输出因为q控=0，则q总=q件+q辅+q控+q散+q辐+q溢+q它 =62080+3104+0+21211.38+733.58+4680.21+10605.69 =102414.86 kj/h8炉子额定功率的计算p额=其中 k为功率储备系数，本炉设计中k取1.5，则p额=(1.5102414.86)/3600=42.673kw，与标准炉子相比较，取炉子功率为45kw。五、炉子热效率计算1正常工作时的效率=62080/102414.86100%=60.6%2在保温阶段，关闭炉门时的效率=q件 / q总 -(q辐+q溢) =62080/102414.86-(733.58+4680.21)=64% 六、炉子空载功率计算p空= =(21211.38+10605.69)/3600=8.8kw七、空炉升温时间计算本设计炉子的耐火层，保温层结构相似，采用粗略计算，将其看作箱体。1蓄热量的计算v膛=7749942205+(994 2-9942 /2)/4=2.348 m3v总=152415622735=6.51 m3v膛+耐=(774+115)(994+2*115)(2205+2*115)+(1109 2-11092 /2)/4=3.462 m3v1= v膛+耐- v膛=3.462-2.348=1.114 m3v2= v总- v膛+耐=6.51-3.462=3.048 m3查阅资料可知耐火材料的重度1=1.3103kg/ m3，保温材料的重度2=0.2103kg/ m3。设t耐 ，t保是耐火层和保温层在炉子工作时的平均温度。c1，c2为耐火材料和保温材料在t耐 ，t保时的比热。c01，c02为耐火材料和保温材料在室温下的比热。可求得q蓄= v1 1 (c1t耐 c01 t0) + v2 2 (c2t保 c02t0)=1.1141.3 103(0.836560) -(0.23620) +3.0480.21030.6573(290-20)=779340.1kj进而可得空炉升温时间升=779340.1/(360045)=4.8h-对于一般周期作业炉，其升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时按稳定态计算的，所以误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应该在4小时内。八、功率的分配与接线根据设定的要求，45w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1535kw之间。炉膛电热元件内壁表面负荷为：f电=2f电侧+f电底=21.800.640+1.800.860=3.852m2 w=p安/f电=45/3.852=11.84kw/m2对于周期作业电阻炉，内壁表面负击应在15-35kw/ m2之间。但是该炉子生产率较高，功率较小导致内壁负击较小，所以符合条件。 九、电热元件材料选择及计算因热处理回火炉的最高使用温度600，应选用0cr25al5合金作电热元件。1计算600时电热元件的电阻率当炉温为600时，电热元件温度取700，查阅热处理手册可知0cr25al5在20时电阻率20 =1.40mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则700下的电热元件电阻率:t =20（1+t）=1.439mm2/m2确定电热元件表面功率由炉子的使用温度可取w允=3.3w/cm2。3每组电热元件功率采用y接法，每组元件功率:p组=45/n=45/3=15kw4每组电热元件端电压y接法，动力电压为380v，故每组电热元件端电压为u组=220 v5电热元件直径线状电热元件直径：d=34.3=4.3mm 取d=5mm6每组电热元件长度和重量每组电热元件长度为：l组=0.785l0-3(u组2d2/p组t)=44m 每组电热元件重量：g组=(/4)d2l组m式中-m由热处理工艺手册查得m=7.1g/cm2，所以可得：g组=(/4d2)l组m=6.13kg7电热元件的总长度和总重量电热元件总长度由公式可得 l总=3l组=344=132m电热元件总重量由公式可得 g总=3g组=36.13=18.39kg8校核电热元件表面负荷w实= p组/dl组=2.17w/cm2w实 w允，结果满足设计要求。9电热元件在炉膛内的布置依炉膛尺寸确定在炉子侧墙和炉底各安置一组电热体，每个电热体来回四折安装，因此l折=d/4=44/4=11ml=l-50=2205-50=2155mm螺旋节径d=(6-8)d，本设计取d=6d=65=30mm 取d=30mm。n= l折/d=11/(3.1430)=117圈h= l/n=2155/117=18.4根据要求h/d=3.68，符合设计要求。因此选用y方式接线，采用d=5mm所用电热原件。电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率。十、电阻炉技术指标额定功率：45kw 额定电压：380 v 最高使用温度：600 生产率：200kg/h 相数：3 接线方法：y型 工作室有效尺寸：1800mm860mm640mm 外形尺寸：2735mm1524mm1562mm 参考文献1. 夏立方主编，金属热处理工艺学，哈尔滨工业大学出版社，1986年9月第一版。2. 刘永铨主编，钢的热处理，冶金工业出版社，1987年11月第二版。3.