课程设计---井式热处理电阻炉.doc

目录1.摘要11. 设计任务12. 炉型的选择13. 确定炉体结构和尺寸14. 砌体平均表面积计算25. 计算炉子功率36. 炉子热效率计算87. 炉子空载功率计算88. 空炉升温时间计算89.功率的分配与接线1110.电热元件材料选择及计算1111.炉子构架、炉门启闭机构和仪表图1312.炉子总图，主要零部件图及外部接线图，砌体图1313.炉子技术指标1314.编制使用说明书13一 设计任务 设计一台年生产220吨的井式热处理电阻炉炉子用途：碳钢、低合金钢等的淬火、退火及正火。热处理工件：中小型零件，小批量多品种，零件最大长度小于0.5m。热处理炉最高工作温度：950炉外壁最高温度：60二 炉型的选择 根据设计任务给出的生产特点，拟选用中温井式电阻炉三 确定炉体结构和尺寸 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由已知年生产400吨，作业制度为二班制生产则生产率: 按表5-1选择井式炉用于淬火时的单位面积生产率故可求得炉底有效面积 由于有效面积与炉底总面积存在关系式取系数上限 得炉底实际面积 2.炉底直径的确定 由公式3.炉膛高度的确定 由于加热式工件的最大长度小于500mm，工件距炉顶和炉底各约150mm250mm则炉深 则炉膛高度：4.炉衬材料及厚度的确定 炉衬由耐火层和保温层组成，对于950的井式炉，用一层轻质粘土砖作为耐火层，硅藻土砖及蛭石粉作保温层，在炉膛底部应干铺一层粘土砖作为炉底。 对于深度较大的炉子，在耐火层与炉口砖之间应当留1525mm膨胀缝，炉膛底部应留有清除氧化皮的扒渣口，炉衬外有炉壳保护。 综上所述，炉墙采用113 mmqn-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250mm普通硅酸铝纤维毡+113mmb级硅藻土砖。 炉顶采用113mmqn-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250的普通硅酸铝纤维毡+230mm蛭石粉。 炉底采用qn-1.0轻质粘土砖()mm+50mm密度为250的普通硅酸铝纤维毡+182mmb级硅藻土砖和蛭石粉复合炉衬。 炉壳用5mm钢板制作。4. 砌体平均表面积计算 1 炉顶平均面积 2 炉墙平均面积3 炉底平均面积五、计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量q件 由附表6得，工件在950及20时比容分别为c件2=0.636kj/(kg),c件1=0.486kj(kg),根据式（5-1） q件=p（c2t2-c1t1）= 91.67(0.636950-0.48620)=54495.98kj/h（2）q辅 = 0（3）q控 = 0（4）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。根据式（1-15） q散 = 对于炉墙散热，如旁边图所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙=850，t3墙=450，t4墙 =60，则耐火层s1的平均温度 ts1均=900，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=650,硅土砖s3的平均温度ts3均=255，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得1=0.294+0.21210-3ts1均=0.294+0.21210-3900=0.485w/(m)3=0.131+0.2310-3ts3均=0.131+0.2310-3255=0.190w/(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ts2均=650,得 2=0.132w/(m)当炉壳温度为60，室温为20，由附表2经近似计算得=12.17w/(m2)求热流 q墙= =607.6w/m2验算交界面上的温度 t2墙=t1-q墙=950-607.6=805.9 =4.7% 5%，满足设计要求，不需重算 t3墙=t2墙 - q墙=805.9607.6=437.7 = =2.7% 5%,也满足设计要求，不需重算。 验算炉壳温度t4墙 = t3墙 = 437.7 607.6=69.770满足要求。 计算炉墙散热损失 q墙散 = q墙f墙均 = 607.65.20 = 3159.52w同理可以求得 t2顶 = 847.5,t3顶 = 558.4,t4顶 = 53.8,q顶 = 476.3w/m2 t2底=784.1,t3底 = 565.5，t4底=53.2，q底 = 562.9w/m2炉顶通过炉衬散热 q顶散 = q顶f顶均 = 476.32.07 = 985.94w q底散 = q底f底均 = 562.91.11 = 624.82w 整个炉体散热损失 q散 = q墙散 + q顶散 + q底散 = 3159.52 + 985.94 + 624.82 = 4770.28 = 17173.01kj/h (5)开启炉门的辐射损失 设装出料所需时间为每小时6分钟，根据式子（5-6） q辐 = 3.65.67f()4 ()4 因为tg = 950 + 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 = r=3.14= 0.95 m炉门开启率为 t = 0.1 由于炉门开启后，辐射口为圆形，且与r之比为= 0.78，炉门开启高度与炉墙厚度之比为= 0.79，由图1-14第1条线查得 = 0.7，故 q辐 = 5.675 3.6ft()4 ()4 = 5.675 3.60.950.10.7()4 ()4 = 30294.43kj / h（6）开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式（5- 7）得 q溢 = qvaaca（tg ta）t 其中，q va由式（5 8）得qva = 1997 b = 19970.869=365.5m3/h 冷空气密度 a = 1.29kg/m3,由附表10得ca = 1.342 kj/(m3) ta = 20，tg 为溢气温度，近似认为tg = ta +（tg ta） = 20 + (950 20)= 640 q溢=qvaaca（tg tg）t = 365.51.291.342（640 20）0.1 = 39230.3kj / h （7）其他热损失 其他热损失为上诉热损失之和的10%20%，故 q它 0.13（q件+q散+q辅+溢） 0.13（54495.98+ 17173.01+ 30294.43 +39230.3） 18355.18 kj / h （8）热量总支出 由式子（5 10）得 q总 q件 + q辅 + q控 + q散 + q辐 + q溢 + q它 54495.98 + 17173.01+ 30294.43 + 39230.3 + 16294.95 157488.67 kj/h (9) 炉子安装功率 由式（5 11） p安 其中k为功率储备系数，本炉设计中k取1.4，则 p安61.2kw 与标准炉子相比较，取炉子功率为kw。六、炉子热效率计算5. 正常工作时的效率由式（5 12） 54495.98/157488.67 51.3%6. 在保温阶段，关闭炉门时的效率 = 64.7%七、炉子空载功率计算 p空9.87kw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。1 炉墙及炉顶蓄热2 1.509（150.067 + 0.135）0.1150.326m3（0.869 + 0.1152）（160.067+0.135）0.1150.305m30.97(1.509+0.276)0.1150.199m32(1.509+0.115)(150.067+0.135)0.0800.244m3(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.0800.212m31.071(1.509 +0.276)0.080.153m32(150.067+0.135)(1.509+0.115)0.1150.351m321.490(160.067+0.135)0.1150.414m32.3601.4900.1150.404m3由式（5 9）得 q蓄v粘粘c粘（t粘 t0）+ v纤纤c纤（t纤 t0）+ v硅硅c硅（t硅 t0）因为t粘（t1 + t2墙）/2878.0查附表3得c黏0.84 + 0.2610-3t黏0.84 + 0.2610-3878.0 1.07kj/(kg)t纤（t2墙+t3墙）/2621.8查附表3得c纤0.81+0.2810-3t纤0.81+0.2810-3621.8 0.98 kj/(kg)t硅（t3墙+t4墙）/2253.8查附表3得c硅0.84+0.2510-3t硅0.84 + 0.2510-3253.8 0.90kj/(kg)所以得q蓄1（ + + ）黏c黏（t黏 t0） + （ + + ）纤c纤（t纤 t0） + （ + + ）硅c硅（t硅 t0） （0.326+ 0.305 + 0.199）0.81031.07(878.0 20) + (0.244 + 0.212 + 0.153)0.251030.98（621.8 20） +（0.351+ 0.414+ 0.404）0.551030.90(253.8 20) 834672.9kj2.炉底蓄热计算 2(0.020.12+0.1130.065)+(0.04 + 0.0650.113+(0.1130.12)1.045+(1.045 0.1152)（1.601 0.115）0.065 0.143m3 1.6011.0790.050.086m3 1.6011.0790.1820.314m3 由于(t1 + t2底)/2867.1 查附表3得 0.84+0.2610-30.84+0.2610-3815.352.15 kj/(kg) 674.8 查附表3得 0.81+0.2810-30.81+0.2810-3674.81.00 kj/(kg) 309.4 查附表3得 0.84+0.2510-30.84+0.2510-3309.40.92 kj/(kg) 所以得 0.1432.11031.08(867.1 20)+0.2621.01031.07(867.1 20)+0.1760.251031.00(674.8 20)0.6330.51030.918(309.420)625106.4 kj4、炉底板蓄热根据附表6查得950和20时低合金钢的比热容分别为c板20.670 kj/(kg)和c板10.473 kj/(kg).经计算炉底板质量g242kg,所以有 g（c板2 t1 c板1t0）242(0.670950 0.47320) 151743.6 kj q蓄q蓄1+834672.9 + 625106.4+ 151743.61611522.9 kj由式 （5 -13）得空炉升温时间 升6.9h对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38小时均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。九、功率的分配与接线65kw的功率平均分配在炉膛两侧和炉底，组成单相接法接线。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15 35kw/m2之间，常用为20 25kw/m2之间。 f电2f电侧 + f电底 21.7140.64 + 1.7140.869 3.74m2 w17.38符合要求。十、电热元件材料选择及计算由最高使用温度950，选用02cr25al5合金作电热元件，接线方式采用380v单相接法1 图表法 由附表15查得0cr25al5电热元件24kw箱式炉接线，直径d=4.5mm时，其表面负荷为1.39w/cm2.每组元件长度l组51.0m,总长度l总153.0m，元件总质量g总17.4kg2 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0cr25al5在20时的电阻率01.40mm2/m,电阻温度系数410-5,则1100下的电热元件电阻率为 t20（1+t）1.40（1+410-51100） 1.46mm2/m(2)确定电热元件表面功率 由图5 3，根据本炉子电热元件条件取w允1.7w/cm2.(3)每组电热元件功率 由于采用三相接法，每组元件功率 p组10kw (4)每组电热元件端电压 由于采用三相接法，车间动力网端电压为380v，故每组电热元件端电压即为每相电压 u组220v (5)电热元件直径 线状电热元件直径由式（5 24）得 d34.334.34.4mm 取d7.5mm(6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度由式（5 25）得 l组51.23每组电热元件质量由式（5-26）得 g组d2l组m式中，m由附表12查得m7.1g/cm3所以得 g组d2l组m4.4251.237.110-3 5.53kg(7)电热元件的总长度和总质量电热元件总长度由式（5 27）得 l总3l组153.69m电热元件总质量由式（5 28）得 g总3g组16.58kg（8）校核电热元件表面负荷 w实1.67 w实w允，结果满足设计要求（9）电热元件在炉膛内的布置 将3组元件分成6折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 l折8.54mm 布置电热元件的炉壁长度 ll 501277 501227mm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d5d54.522.5mm螺旋体圈数n和螺距h分别为 n120圈