热处理炉课程设计毕业设计论文.doc

热处理设备课程设计 目录 1 设计任务设计任务1 2 炉型的选择炉型的选择1 3 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸1 3.1 炉底面积的确定1 3.2 炉底长度和宽度的确定2 3.3 炉膛高度的确定2 3.4 炉衬材料及厚度的确定3 4 砌体平均表面积计算砌体平均表面积计算3 4.1 砌体外廓尺寸3 4.2 炉底的平均面积4 4.3 炉墙平均面积4 4.4 炉底平均面积4 5 计算炉子功率计算炉子功率4 5.1 根据经验公式计算炉子功率1 .4 5.2 根据热平衡计算炉子功率5 5.2.1 加热工件所需的热量 q 件5 5.2.2 通过炉衬的散热损失 q 散5 5.1 炉墙结构示意图6 5.2.3 开启炉门的辐射热损失.8 5.2.4 开启炉门溢气热损失.9 5.2.5 其他热损失.9 5.2.6 热量总支出.9 5.2.7 炉子安装功率.9 5.2.8 炉子热效率计算.10 5.2.9 炉子空载功率计算.10 6 空炉升温时间的计算空炉升温时间的计算10 6.1 炉墙及炉顶蓄热10 6.2 炉底蓄热计算11 6.3 炉底板蓄热12 6.4 升温时间12 7 电热元件的选用与功率计算电热元件的选用与功率计算13 7.1 功率计算13 7.2 电热元件材料选择及计算13 7.3 理论计算法13 7.3.1 求950时电热元件的电阻率t13 7.3.2 确定电热元件表面功率.14 7.3.3 每组电热元件功率.14 热处理设备课程设计 i 7.3.4 每组电热元件端电压.14 7.3.5 电热元件直径.14 7.3.6 每组电热元件长度和重量.15 7.3.7 电热元件的总长度和总重量.15 7.3.8 校核电热元件表面负荷.15 7.3.9 电热元件在炉膛内的布置.15 热处理设备课程设计 0 热处理箱式电阻炉课程设计 1 设计任务设计任务 设计一台箱式电阻热处理炉。其技术条件： 用途：处理对象为 20crmnmo 齿轮轴热处理淬火处理； 生产率：180 kg/h； 工作温度：最高使用温度950c； 特点：长时间连续生产； 批量：每次 5 件 2 炉型的选择炉型的选择 根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。 3 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸 3.1 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底面积，用按加热能力指标法，已 知生产率 p 为 180kg/h，从表 1 查得单位面积生产率 po 为 120kg/（m2h），故可求得 炉底有效面积 f1=p/p0=180/120=1.5m2 热处理设备课程设计 1 表 1 各种热处理炉的单位炉底面积生产率 po kg/（m2*h） 炉型 工艺类别 箱式台车式坑式罩式井式推杆式 淬火 正火 一般锻件 正火 铸件正火 合金钢淬 火 100-120 110-120 80-140 80- 100 90-140 120-150 100-160 100-12080- 20 150-180 150-200 120-180 120-140 由于有效面积与炉底面积存在关系式 f1/f=0.750.85，取 0.85，得炉实际面积: f=f1/0.85=1.67/0.85=1.76m2 3.2 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 l/b=2：1，因此，可求得 l=1.876m 5 . 0/f5 . 0/76 . 1 b=l/2=1.876/2=0.938m 根据标准砖尺寸,为便于砌砖,取 l=1.856m,b=0.936m。 3.3 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=0.707m。 因此，确定炉膛尺寸如下： 长 l=（230+2）8=1856mm 宽 b=（120+2）4+（65+2）2+（40+2）2+（114+2）2=936mm 高 h=（65+2）10+37=707mm 为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空 热处理设备课程设计 2 间，确定工件室的有效尺寸为： l 效=1600mm； b 效=700mm； h 效=500mm。 3.4 炉衬材料及厚度的确定 由于侧墙，前墙及后墙的工件条件相似，采用相同炉衬结构，即 230mm（qn-0.8 轻质粘土砖）+114mm（b 级硅藻土砖）+80mm 密度为 250kg/m3 的普 通硅酸铝纤维毡 炉顶采用 114mm（qn-1.0 轻质粘土砖）+116mm（膨胀珍珠岩）+80mm 密度 为 250kg/m3 的普通硅酸铝纤维毡 炉底采用 4 层轻质粘土砖（674）mm+80mm 密度为 250kg/m3 的普通硅酸铝 纤维毡 +183mm（a 级硅藻土砖+b 级硅藻土砖复合炉衬）。 炉门用 67mm（qn-1.0 轻质粘土砖）+80mm 密度为 250kg/m3 的普通硅酸铝 纤维毡 +65mm（a 级硅藻土砖）。 炉底搁砖采用粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。 炉底板料选用 cr-cu-n 耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分四块，厚度 20mm。 4 砌体平均表面积计算砌体平均表面积计算 4.1 砌体外廓尺寸 l 外=l+2（116+80+116）=2480mm； b 外=b+2（116+80+116）=1560mm； h 外=h+f+（116+80+116）+674+50+183=707+135+307+268+50+183=1645mm。 式中：f-拱顶高度，此炉子采用 60标准拱顶，取拱弧半径 r=b，则 f=r（1-cos30）求得 f936(1-cos30)=125。 再在炉外廓外面加一层厚为 5mm 的钢板来保护炉子，但其尺寸不包括在计算数据 热处理设备课程设计 3 之内。 4.2 炉底的平均面积 f 顶内=（2r/6）l=(23.140.936)/6 1.856=1.818； f 顶外=b 外l 外=1.562.48=3.8688； f 顶均=2.652。 顶外顶内ff8688.3*818.1 4.3 炉墙平均面积 炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前端墙内。 f 墙内=2hl+2bh=2h（l+b）=20.707(1.856+0.936)=3.948m2； f 墙外=2h 外（l 外+b 外）=21.644（2.48+1.56)=13.284m2 f 墙均= = =7.242m2。 墙外墙内ff284.13*948 . 3 4.4 炉底平均面积 f 底内=bl=0.9361.856=1.737 f 底外=b 外l 外=1.562.48=3.869； f 底均=2.592。 底外底内ff869. 3*737 . 1 5 计算炉子功率计算炉子功率 5.1 根据经验公式计算炉子功率1 p 安=c0.5 升 f0.9(t/1000)1.55 其中 c=30，空炉升温时间假定为 为 4 小时，炉温为 950 度。c系数，热损失 大的炉子，c=30-35；热损失小的炉子，c=20-25。单位为(kwh0.5)/(m1.81.55)这种 方法适用于周期作业封闭式电阻炉。 热处理设备课程设计 4 炉膛内壁面积=2（lh）（bh）+lb+2b60/360l=7.503 所以 p 安=c0.5 升 f0.9(t/1000)1.55 =156.13350.9236=84.97kw 由经验公式计算法的 p 安85kw 5.2 根据热平衡计算炉子功率 5.2.1 加热工件所需的热量加热工件所需的热量 q 件件 查表 5.1 得，工件在 950及 20时比热容分别为 c 件 2=0.636kj/（kg），c 件 1=0.486kj/（kg）。 表 5.1 低合金钢的平均比热容 q 件=p（c 件 2t1-c 件 1t2）=180（0.636950-0.48620）=107006.4kj/h 5.2.2 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失 q 散散 由于炉子侧壁和前后炉衬结构相似，故作统一数据处理，简化计算，将炉门包括 在前墙内， q 散=（t1-tn+1）/ （si/ifi）3 对于炉墙散热,如图,首先假定界面上的温度及炉壳温度, t2 墙=825,t3 墙 =560,而知 t4 墙=60,则： 化学成分 重量分数（%） 在不同温度下的平均比热容(kjkg-1-1) cmnnicr50100 250300 550600 650700 750800 850900 0.231.510.4770.5440.7410.8370.8210.536 0.340.693.530.780.4860.5570.7701.0510.6360.636 0.320.690.4940.5520.7410.8370.9340.574 热处理设备课程设计 5 耐火 纤维 硅藻土砖 轻质耐火砖 5.1 炉墙结构示意图 耐火层 s1 的平均温度 ts1 均=(950+825)/2=887.5；硅藻土砖层 s2 的平均温度 ts2 均=（820+560）/2=692.5；硅酸铝纤维层 s3 的平均温度 ts3 均=（560+60）/2=310。 s1，s2 层炉衬的热导率由 表 5.2 查得 表 5.2 热处理炉常用耐火材料和保温材料 材 料 和 牌 号 耐火度 荷 重 软 化 耐 压 强 度 kgcm-2 密 密度 gcm-3 热导率(wm-1-1) 最 高 使 用 温 度 轻 质 粘土砖 qn1 16701650301.00.29+(0.256/1000）t1300 硅藻砖 b 级 5.50.131+0.23/1000）t900 膨胀珍 珠岩 0.310.04+(0.22/1000)t1000 1=0.29+（0.256/1000）ts1 均=0.29+（0.256/1000）*887.5=0.482 w/m； 2=0.131+（0.23/1000）ts3 均=0.131+（0.23/1000）692.5=0.290w/m； 普通硅酸铝纤维的热导率由表 5.3 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=310，得 3=0.084 w/m。 热处理设备课程设计 6 表 5.3 普通硅酸铝纤维的热导率（w/m） 温 度 密 度 1004007001000 1000.0580.1160.210,337 2500.0640.0930.140.209 3500.0700.0810.1210.122 当炉壳温度为 60，室温为 20时，由表 5.4 经近似计算达 =12.17w/（.）。 表 5.4 炉墙外表面对车间的综合传热系数表 w/(m2)（车间温度 20） 侧墙综合传热系数表 w/(m2) 炉墙外表面温度（） 钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面 4010.598.27 6012.179.59 求热流： q 墙=（tg-ta）/（s1/1+s2/2+s3/3+1/） =（950-20）/（0.116/0.482+0.116/0.29+0.080/0.084+1/12.17） =556w/。 验算交界面上的温度 t2 墙，t3 墙： t2 墙=t1-q 墙 s1/1=950-5560.2407=816.2。 =（t2 墙-t2 墙）/t2 墙=（816.2-825）/825=1.1% 5%。满足设计要求。 t3 墙= t2 墙- q 墙 s2/2=816.2-(0.116/0.290) 556=583.8 =（t3 墙-t3 墙）/t3 墙=（583.8-560）/560=4.2% 5%也满足设计要求。 验算炉壳温度 t4 墙 t4 墙= t3 墙- q 墙 s3/3=583.8-(0.080/0.084) 556=54.370 满足一般热处理电阻炉表面温升70的要求。4 计算炉墙散热损失 q 墙散 =q 墙*f 墙均=5567.242=4026.5w. 同理可求得： t2 顶=817.5,t3 顶=568,t4 顶=53.5,q 顶=548.3w/； t2 底=695,t3 底=566,t4 底=50.8,q 顶=440w/ 炉顶通过炉衬散热 热处理设备课程设计 7 q 顶散=q 顶 f 顶均 =548.32.652=1454.1w； 炉底通过炉衬散热 q 底散=q 底 f 底均=4402.592=1140.48w； 整个炉体散热损失 q 散= q 墙散 +q 顶散 + q 底散 =4026.5+1454.1+1140.48 =6621.08w =23835.9kj/h 5.2.3 开启炉门的辐射热损失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 q 辐=3.65.675ft（tg/100）4-（ta/100）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=bh/2=0.331； 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 0.354/0.936=0.38，炉门开启 高度与炉墙厚度之比为 0.354/2/0.312=1.13，由图 5.2 第一条线查得 =0.7， 热处理设备课程设计 8 图 5.2 孔口的遮蔽系数 q 辅=5.6753.6ft（tg/100）4-（ta/1004 =5.6753.60.3310.10.7（1223/100）4-（293/100）4=10556kj/h。 5.2.4 开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失： q 溢qvaaca(tg-ta)t1 其中：qva=1997bh/2h1/2/2=19970.9360.3540.3541/2=393.7m3/h，冷空气密度 a=1.29kg/ m3，查表 5.5 得：ca=1.342kj/ （m3）1 表 5.5 空气和某些气体平均比热容kj/(m3) 温度（） 0100200300400500600700800 氧气1.30951.31261.33521.35611.37751.39801.41681.43451.4499 氮气1.29871.30041.30381.31091.32051.33221.34521.35861.3717 干空气1.30091.30511.30971.31811.33021.34401.35831.37251.3821 ta=20；tg:为溢出温度，近似为 tg=ta+2/3（tg-ta）=20+2/3（950-20）=640 q 溢=qvaaca（tg-ta）t=393.71.291.3426200.1=42257.1kj/h 5.2.5 其他热损失其他热损失 其他热损失约上诉损失之和的 10%20%，故取 12%， q 它=0.14（q 件+q 散+q 辐+q 溢） =0.14（107006.4+23835.9+10556+42257.1） 热处理设备课程设计 9 =25711.8kj/h。 5.2.6 热量总支出热量总支出 其中 q 辅=0，q 控=0，则： q 总= q 件+q 散+q 辐+q 溢+q 辅+ q 控+ q 它 =107006.4+23835.9+10556+42257.1+25711.8 =209367.2kj/h 5.2.7 炉子安装功率炉子安装功率 p 安=kq 总/3600，其中功率储备系数取 1.4。 p 安=kq 总/3600=(1.4209367.2)/3600=81.4kw 与标准炉子相比较，取炉子功率为 85kw。 5.2.8 炉子热效率计算炉子热效率计算 正常工作时的效率：=q 件/q 总=107006.4/209367.2=51.1% 在保温阶段，关闭炉门时的效率： =q 件/q 总-（q 辐+q 溢） =107006.4/209367.2-（10556+42257.1）=68.4% 5.2.9 炉子空载功率计算炉子空载功率计算 p 空=（q 散+q 它）/3600=（23835.9+25711.8）/3600=13.8kw 6 空炉升温时间的计算空炉升温时间的计算 由于所设计的耐火层结构相似，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。 热处理设备课程设计 10 6.1 炉墙及炉顶蓄热 3 3 3 3 v2 1.856 (0.067 120.135) 0.1160.379m v2 (0.9360.116 2) (16 0.0670.135) 0.1160.327m v0.97 (1.8560.276) 0.1160.240m v2 1.8560.11612 0.0670.1350.0800.296m v2 (0. 侧 黏 前后 黏 顶 黏 侧 纤 前后 纤 （）（） 3 3 3 9360.116 2) (16 0.0670.135) 0.0800.226m v1.0711.8560.2760.080.183m v2 (12 0.0670.135) (1.8560.116) 0.1160.430m 顶 珍 侧 硅 （） 3 3 v2 1.56 (0.1350.067 16) 0.1160.437m v2.480 1.56 0.1160.449m 前后 硅 顶 纤 根据公式得 ）（）（）（ 硅钙硅钙硅钙硅钙硅藻硅藻硅藻硅藻黏黏黏黏蓄000 ttcvttcvttcvq 因为 12 tt950816.2 t883.1 22 墙 黏 查表得kj/(kg) 33 c0.840.26 10 t0.840.26 10883.11.07 黏黏 23 tt816.2583.8 t700 22 墙墙 硅藻 查表得kj/(kg) 33 c0.81 0.26 10 t0.81 0.28 107001.01 纤 324 2 67581 2 tt t 43 墙墙 硅钙 查表得 kj/(kg) 33 c0.840.025 10 t0.840.025 103190.92 硅钙 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 100 0 3 3 qvvvcttvvvctt vvvctt (0.3790.3270.24) 0.8 101.07 (883.1 20)(0.2960.2260.183) 0.25 101.01 (70020)(0.4300.4370.44 侧前后顶侧前后顶 蓄黏黏黏黏黏黏硅板硅板硅板硅板硅板硅板 侧前后顶 硅藻硅藻硅藻硅藻硅藻硅藻 （）（）（）（） （）（） 3 9) 0.55 100.92 (31920) 1019069.07kj 热处理设备课程设计 11 6.2 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砖计 算。 3 3 3 vvvvv v0.12 0.02 40.065 0.230.04 0.23 20.114 0.23 21.8560.177m v(0114 0.065 40.114 0.065 3) 1.856 (1.560.114 2) (2.480.114) 0.0650.325m v2.48 1.56 0.050.193m v2 底底底底 硅底重黏轻黏纤 底 重黏 底 轻黏 底 纤 底 硅 （） 3 .48 1.56 0.1800.696m 由于 12 tt950695 t822.5 22 底底 黏 近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。 查表得 kj/(kg) 33 c0.880.23 10t0.880.23 10822.51.069 底底 重黏重黏 kj/(kg) 33 c0.840.26 10t0.840.26 10822.51.05 底底 轻黏轻黏 23 tt695566 t630.5 22 底底底 纤 查表得 kj/(kg) 33 c0.840.25 10t0.81 0.28 10630.50.99 底底 纤纤 34 tt56650.8 t308.4 22 底底底 硅 查表得 kj/(kg) 33 c0.840.25 10t0.840.25 10308.40.65 底底 硅板硅板 所以得 33 33 q0.177 2.1 101.08822.5200.3 1.0 101.07822.520 0.193 0.25 101.0200.696 0.5 100.91820 701344.9kj 底 蓄 （）（） （630. 5）（308. 4） 热处理设备课程设计 12 6.3 炉底板蓄热 查表得 950和 20时高合金钢的比热容分别为 kj/(kg)和 067 . 0 c 2 板 kj/(kg)，经计算炉底板质量 g=250kg,所以有， 473 . 0 c 1 板 kj 1021 qgctct242 (635.29.46)151743.6 板 蓄板板 （） kj 1 qqqq1019069.07701344.9 151743.61872157.57 底板 蓄蓄蓄蓄 6.4 升温时间 根据公式得空炉升温时间为 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 q1872157.57 6.12h 3600p3600 85 蓄 升 安 38h，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 5h 以内。 7 电热元件的选用与功率计算电热元件的选用与功率计算 7.1 功率计算 85kw 功率均匀分布在炉膛两侧几炉底，组成 yy 连线。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 1535kw/之间，常用 2025kw/之间。 f 电=2f 电侧+ f 电底=21.8560.640+1.856869=3.99； w=p 安/ f 电=85/3.99=21.30kw/， 表面负荷在常用的范围 2025kw/之内，故符合设计要求。 7.2 电热元件材料选择及计算 由最高使用温度 950，选用线状 0cr25al5 合金元件接线方式采用 yy。 热处理设备课程设计 13 7.3 理论计算法 7.3.1 求求 950时电热元件的电阻率时电热元件的电阻率 t 当炉温为 950时，电热元件温度取 1100，由表 7.3.1 查得 0cr25al5 在 20的 电阻率 20=1.40.mm2/m。电阻温度系数 =410-5-1 表 7.3.1 常用金属电热材料性能 工作温度 项目 密度 gcm-3 电阻率 mm2/m正常最高 cr15ni608.21.10100010501150 0cr25a157.11.40105012001300 则 1100下的电热元件电阻率为：t=20（1+t）=1.40(1+410-51100) =1.46.mm2/m 7.3.2 确定电热元件表面功率确定电热元件表面功率 由图 7.3.2，根据本炉子电热元件工作条件取 w 允=1.6w/cm2 图 7.3.2 合金电热元件允许表面负