毕业设计（论文）-年产三万吨紫铜加热炉设计.doc

学 号0910121100 毕 业 设 计课 题 年产三万吨紫铜加热炉设计学生姓名 系 别 机械工程系 专业班级 09材料成型及控制工程 指导教师 二0 一三年 五 月目 录第一章 综 述- 1 -1.1铜材加工的生产现状- 1 -1.2燃料处理炉的种类和特点- 1 -1.3电加热炉的种类和特点- 1 -1.4设计方案和理由- 2 -第二章 紫铜加热炉的工艺设计- 4 -2.1紫铜(T2)的特性及化学成分- 4 -2.2热处理炉的分类和选择- 5 -2.3感应加热炉设计中的几个原则- 6 -2.4车间设计的目的和任务- 7 -第三章 主要设备的计算和选择- 9 -3.1计算的已知条件- 9 -3.2电流穿透深度与电流频率f- 9 -3.3坯料加热的有效功率P21（kW）- 10 -3.4坯料加热的辐射热损失P22（kw）与传导热损失P23（kW）- 10 -3.5坯料加热时间TS- 12 -3.6感应加热炉的主要尺寸确定- 15 -3.7磁场强度H0的计算- 15 -3.8磁通的计算- 16 -3.9感应线圈匝数W的计算- 17 -3.10感应线圈上电流的计算- 18 -3.11线圈导体截面积S的计算- 18 -3.12导磁体截面积的计算- 19 -3.13感应加热炉的电效率- 20 -3.14感应加热炉的总效率与功率- 21 -3.15感应加热炉的功率因数- 21 -3.16补偿电容的容量- 22 -第四章 车间劳动定员- 23 -4.1工作制度- 23 -4.2车间劳动定员- 23 -4.3具体劳动定员方案- 24 -第五章 车间组成和平面布置- 26 -5.1加热车间的组成- 26 -5.2车间平面布置- 26 -第六章 主要技术经济指标- 28 -6.1投资概算- 28 -6.2流动资金定额的概算- 28 -6.3产品成本- 28 -第七章 设计中遗留的问题- 30 -参考文献- 31 -致 谢- 32 -年产三万吨紫铜加热炉设计摘 要本次设计的课题为年产三万吨紫铜加热炉，由于三万吨的产量不大且为了响应国家节能减排、保护环境的号召，最终选择为卧式、全长、周期式的工频感应加热炉。在整体设计过程中，首先依据产量、坯料的形状、金属加热新趋势等方面研究说明了选择炉型的原因。其次通过大量的理论计算，分别得出了加热炉的各项尺寸、电参数以及各部分配件的材料选择。最后，根据车间设计的理论和要求，对于本次设计的加热炉车间进行了定性的分析和安排。在经过数月的设计之后，得到了一份包括前期理论研究、中期数据计算、后期车间安排的设计任务书。在对于工频感应加热炉的设计过程中，不难发现感应加热炉的效率要远远大于常见的燃料加热炉，并且易于拆卸搬迁。但是由于感应线圈需要根据坯料的形状进行设计，所以一个感应加热炉只能对形状相似相近的坯料进行加热，对于不同形状的坯料无法通过同一个感应加热炉进行加热，同时其产量没有燃料加热炉大。但是在对于产品品种数量不大，形状相对统一的工厂，使用感应加热炉不仅节能环保，且能够降低生产成本。在选择加热炉炉型的过程中，通过大量的阅读了相关的文献资料，发现目前国内的金属加热行业仍然大量的使用各种各样的燃料加热炉，不仅对环境造成了巨大污染，同时工作环境非常恶劣，对工人的身体危害非常巨大。随着社会的发展，人们对环境的重视程度的日益提高，工人整体素质水品、培养成本的增加。制造行业对于自身制造生产条件必须逐步提高，而对于本次设计中的金属坯料加热方面，感应加热炉的应用前景十分广阔。关键词：紫铜；感应加热炉；工频加热炉；车间设计AbstractThe topic of this design is copper heating furnace with an annual output of thirty thousands tons.Because of the output of thirty thousand tons is not large and in order to response to the national call of energy conservation,emissions reduction and environment protection,the final choice is horizontal full-length and periodic power frequency induction heating furnace.During the whole design,first,I explained the reason of choosing the model of furnace according to researching the output ,shapes of blanks and new tendency of metal heating and so on.Then,on the basis of a mass of theory calculation,I acquired all the sizes of heating furnace ,electrical parameter and meterical selections of all the sections of parts. Last,I analysed and arranged the heating furnace workshop in this design according to the theories and requirements of workshop design.After months of design,I acquired a design specification containing prophase theory research ,metaphase data calculation and anaphase workshop arrangement.In the design process of the power frequency induction heating furnace,it was not difficult to find that the efficiency of induction heating furnace was much larger than the common fuel heating furnace and it was easy to dismantle and remove.On the one hand ,because the induction coil needs to be designed according to the shape of the blank,an induction heating furnace can only heat blanks which are similar to the shape but different shapes of blanks can not be heated by an induction heating furnace.At the same time,the yield is smaller than fuel heating furnace.On the other hand,if the varieties of products is small quantities and the blank is similar,the use of induction heating furnace not only is energy saving and environmental protection but also can reduce the production cost.In the process of choosing heating furnace.I read a lot of literatures related to my design and found that the metal heating domestic industy still use a lots of various fuel heating fuenace at present.It not only pollute the environment seriously but also is harm to workers bodies because of the bad working conditions.With the development of society,peoples degree of attention to enviroment is incresing and the overall professionalism level of workers and educational cost are also incresing.The production conditions of manufacturing industy must be incresed gradually.So induction heating furnace has impotant application prospects in heating metal blank.Keywords:copper ;induction heating furnace;power frequency heating furnace;workshop design铜陵学院毕业设计第一章 综 述1.1铜材加工的生产现状 紫铜，是目前国内外均高度重视的有色金属。由于其广泛的通途，是发展现代工业不可或缺的基础材料。而我国目前正处于工业化高速发展的阶段，年均铜消耗量非常庞大。纵观近几十年我国铜加工的历史。我们不难发现，我们的消费量要大于生产量。由于我国在加工方面的技术局限，很多技术要求高的铜产品不得不依靠进口。所以作为铜材加工行业的一员，如何提高自身的加工技术水品，提高产品质量是我们不得不面对的问题。在我国目前的有色金属加工行业中，有不少仍然使用的是燃料加热炉。燃料加热炉不但热效率低，即使在燃料加热炉中热效率较高的两段式连续加热炉的钢坯加热的有效热也仅仅占30%。同时由于燃料的大量燃烧，所产生烟气和烟尘，对于环境的破坏时非常巨大的。同时，我国的基本国策之一便是节约资源，无论是对燃料的消耗还是对加工坯料的烧损等，火焰炉已经越来越不能满足我们的要求。现今，燃料炉已经逐步向电加热炉发展。根据电能转换成热能的方式不同，电加热炉分为感应加热炉与电阻加热炉。对于电阻加热炉，是将电源直接与导体相连接，受到导体中的电阻作用而产生热能，从而加热坯料。感应加热炉则是将加热的坯料至于感应线圈之中。当将交变电流接入感应器之后，在磁场的作用下，因交变电流而产生的热能便可以将金属坯料加热。1.2燃料处理炉的种类和特点加热炉的燃料一般分为固体、液体、气体燃料。常见的固体燃料有煤和煤粉，常见的液体燃料有重油和轻油，常见的气体燃料有高炉煤气、混合煤气等。在固体和液体燃料中的主要成分是碳，气体燃料是多种可燃气体与O2、CO2等的混合。加热炉一般由炉膛，燃料系统，供风系统，排烟系统，冷却系统，余热利用装置等几部分组成。炉膛由炉强、炉顶、炉底等组成，是加热金属的地方。冷却系统由安装在加热炉炉底冷却水管已经其他冷却构建组成，冷却方式可以分为水冷却以及气化冷却。余热利用设备最大限度的利用由加热炉排除的高温废气，是为了提高加热效率，节约燃料资源。供风系统和排烟系统根据加热炉的具体要求进行设计，提高燃料的燃烧程度，降低废气中灰分等成分对于环境的污染。1.3电加热炉的种类和特点1.3.1电阻加热炉电阻加热炉是由两个半圆形的炉体对称组成。炉体轻便，方便搬运、吊装、拆卸。整体坚固耐用，炉体保温性能好。电阻丝在布置上要注意均匀合理以保证发热的均匀。在种类上分为以辐射为主的电阻炉、以对流产热为主的电阻炉、以传导传热为主的电阻炉、电阻直接加热炉。1.3.2感应加热炉感应加热设备包括感应加热炉、水冷系统、电源及装卸料的机械等。但是设计之中最主要的是设计一个加热效率高、耗电量少并工作稳定的感应器。感应加热炉的炉型按照电源频率的不同，可以分为高频（10000Hz以上）、中频（15010000Hz）、工频（5060Hz）。由于铜、铝等有色金属的电阻率较低，所以大多采用工频感应加热炉。与高、中频感应加热炉相比较，工频感应加热炉的结构简单、制造费用低、电流透入深度大，可以对坯锭进行深层加热，能够缩短加热时间。感应加热炉根据不同的加热规范可以分为周期式、步进式和连续式。周期式的感应加热炉，在感应器内只放入一件坯料进行加热，达到要求后停止供电，取出已经加热的坯料再放入一件冷的坯料。步进式的感应加热炉，即在感应器中同时放入几件坯料，每从进料端放进一件冷坯料，从出了断就取出一件已经达到加热要求的热坯料，感应器不断电。连续式的感应加热炉，就是长的坯料连续不断的通过感应器，由出料端不断的出料。感应器不断电。感应加热炉根据坯料的分类，炉型可以分为卧式、全长、周期式的感应加热炉，立式、全长、周期式的感应加热炉，卧式、连续式感应加热炉等共计13种，根据坯料的具体性质、尺寸、加热要求已经场地情况等可以选择最合适的感应加热炉。1.2.3浴炉 浴炉广泛应用于热处理行业，其种类很多。按照熔体介质的不同，可以分为铅浴炉、盐浴炉、油浴炉等。按照加热方式的不同，可以分为内热式与外热式。按照结构不同，可以分为插入式和埋入式等。浴炉具有加热速度快、加热温度均匀、可以无氧化加热等优点。缺点有熔体飞溅或爆炸、有挥发性物质、清理工件麻烦、辐射热损失大及不利于机械化和连续作业等。1.4设计方案和理由1.4.1选题名称年产3万吨紫铜加热炉设计。本文根据实际情况，选定加热工件的材质T2紫铜。加热终温选定为920。加热径向温差：50。加热工件外形尺寸：280mm900mm.1.4.2 感应加热方式与炉型加热炉根据加热原理不同可以分为燃料加热炉以及电加热炉。电加热炉分为电阻加热炉以及感应加热炉。具体分类参见图1-1.加热炉燃料加热炉电加热炉电阻加热炉感应加热炉间接加热炉直接加热炉图 1-1燃料加热炉由于对于能源的消耗比较大、对环境污染严重、热效率不高等原因，现在已经逐步向电加热发展。且本次设计的年常量为3万吨的紫铜加热炉，要求年产量不高，所以对于年产量较高的燃料加热炉并不适合。在电加热炉之中，感应加热炉的效率较好，虽然其对于不同种类、尺寸差异较大的工件加热效果不好。但是本次设计之中坯锭尺寸为280900的铜坯料加热，其形状简单且规则，而且对于铜、铝等非磁性材料，在加热过程中的相对磁导率是不变的，只有电阻率随着温度的升高而升高，不需要考虑居里点以前与距离点以后加热的变化，综合以上情况，本次设计的加热炉非常适合感应加热炉的要求，故最终选定的加热炉种类为感应加热炉。图1-1 卧式周期式感应加热炉示意图在炉型的选择上，常见的炉型共计13种可供选择。根据本次设计的要求，最终选择为卧式、全长、周期式的感应加热炉。这种加热炉是将整个坯料装在加热炉内，为了卸料方便，在感应炉的进料端有推料装置，以便于快速的装料、卸料。当坯料达到加热所需的加热温度，感应炉停止工作，进料端推进一件冷坯料，同时将热的坯料推出。如图1-1.1.4.3频率的选择感应加热炉的设计必须要求具有较高的总效率。总效率等于热效率与电效率的乘积，即。铜坯在感应加热时，其总效率的高低基本取决于电流频率的正确选择。坯料在感应加热时，对于圆柱形的坯料。当直径d与电流穿透深度h的比例在35的范围内时，感应加热的效率达到最大值。在实际生产过程中。可以取d/h=2.55.5。对于有色金属来说，由于电阻率比较小，所以电流穿透深度不大。但是由于有色金属具有良好的导热性，对于绝大多数坯料来说，直径在125mm300mm之间的坯料，都可以使用50Hz的工频电流进行加热。本次设计中的加热对象为直径280mm的圆柱形坯料，故选择频率为50Hz的工频感应加热炉最为合适。1.4.4设计方案及主要参数综合以上数点。最终选择的加热炉为卧式、全长、周期式的工频感应加热炉。炉长：1300mm耐热层厚度：20mm隔热层厚度：20mm第二章 紫铜加热炉的工艺设计2.1紫铜(T2)的特性及化学成分2.1.1紫铜的化学成分铜在元素周期表中的原子序数是29，密度为8.92g/cm2.铜的硬度和耐磨度都较高，性质比较稳定，具有良好的导热和导电性。由于纯净的铜是紫红色的金属，所欲俗称“紫铜”。紫铜是比较纯净的一种铜。可以近似认为是纯铜。紫铜的延展性和导电性都非常好，在常见的金属之中仅次于银。但是相对于银铜却便宜得多，所以紫铜的应用非常的广。本次设计中所选用的是T2紫铜。T2紫铜的化学成分如表2-1.T2紫铜含有降低导热、导电性的杂质比较少，在加工过程中微量的氧对导电、导热和加工性能影响不大。表2-1 T2紫铜的化学成分元素符号Cu+AgBiSbAsFePbS占有比例（%）99.900.0010.0020.0020.0050.0050.005 紫铜中所含有的微量杂质对于铜的导热、导电性能有比较严重的影响。其中钛、磷、铁、硅等会使电导率降低，而锌、镉等元素的影响非常小。2.1.2紫铜的导电能力T2紫铜具有良好的导电性。金属导电性的强弱取决于金属电阻率的高低。电阻率即某种材料制成长为1m、横截面积为1mm2在20常温下导线的电阻。常用单位是欧姆米（m）和欧姆点毫米（mm）。电阻率越小导电性能越好。表2-1为常见的金属的电阻率，从表中可以看出只有银的导电能力高于铜。但是由于银的成本较高，所以在工业及生活中，紫铜由于其良好的导电性在现代工业中的应用非常广泛。银铜金铝钨铁1.65 10-81.75 10-82.4010-82.83 10-85.48 10-89.78 10-8铂锰铜汞康铜镍铬合金铁铬铝合金2.22 10-74.4 10-79.6 10-75.0 10-71.0 10-61.4 10-6表2-2 常见金属的电阻率 单位：m2.1.3紫铜的导热能力紫铜还具有良好的导热性，金属的导热性的高低取决于导热系数，导热系数是指在稳定的传热条件下，将材料制成1m厚，将两侧的表面温差设置为1,在1s的时间内内，通过1m2面积传递的热量，单位为瓦/（米度）。表2-1为常见金属的导热系数，从表中可以看出，纯铜的导热系数仅次于银达到401W/mK，在常见金属中处于前列，在给纯铜进行加热的过程中，铜良好的导热性将使热量从坯料表面快速的传递到坯料内部，可以有效的减弱感应加热中肌肤效应的影响，有利于加热的进行。材料名称金银纯铝纯铜纯锌纯钛纯锡纯铅纯镍导热系数 W/mK31742923740111214.63643590表2-3 常见金属的导热系数2.1.4紫铜感应加热流程图图2-1 加热流程图卧式、全长、周期式工频感应加热炉由液压推料装置从加热炉入料口送入280mm900mm紫铜坯料挤压设备从加热炉出料口送出，由导致送至挤压设备 根据本次设计所定的280mm900mm紫铜坯料，数个坯料同时放在感应炉中，坯料在水冷导轨上，由推料装置将冷的坯料按照一定的间隔时间送入一件坯料，同时在出料端被推出一件已经加热到所要求温度的坯料。推送式的进料方式，常见的方法有机械、气动或液压传动的方式推动坯料。现如今使用液压传动的比较多，因为液压传动可以实现低速大吨位运动，这是其他传动方式所不能比拟的。同时，在相同的功率下，液压传动装置的体积较小且结构紧凑，和同样体积小结构紧凑的感应加热炉配合使用效果较好。不过，液压装置的造价相对于其他方式要偏高。2.2热处理炉的分类和选择2.2.1加热炉的种类热处理炉的分类方法、种类很多。在不同的工业部门中所使用的炉型均不相同。冶金部门常用的有台车式炉、辊底式炉、罩式炉等。机械制造部门常使用的有箱式炉、盐浴炉、井式炉等。综合现在常用的炉型以及分类方法，可以按照表2-4进行分类。分类方法常见炉型热能来源电热炉、燃料炉工作温度低温炉（650）、中温炉（6501000）、高温炉（大于1000）炉膛介质自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉作业规程周期作业炉、步进式作业炉、连续作业炉生产用途退火炉、淬火炉、回火炉、正火炉、渗碳炉、氮化炉电源频率工频炉、中频炉、高频炉表2-4 常见加热炉分类2.2.2加热炉的选择。（1）能源的选择（2）工作温度的选择（3）炉膛介质的选择（4）作业规程的选择（5）电源频率的选择2.3感应加热炉设计中的几个原则2.3.1频率和电压的选择坯料再感应加热时，经过计算同一坯料直径可以选择的电流频率不止一种，在设计的时候应该选择低的电流频率，因为电流频率越高，电源费用越高，使用较低的频率可以降低成本投入。感应加热炉的端电压尽量选用额定电压，可以充分利用电源的容量。特别是对于工频感应加热炉，如果电源的端电压高于感应炉的端电压，需要增加更多的电容器来提高功率因数，大大增加了电源的费用。同时要注意的是，由于很多电源的电压并不稳定，从而导致感应炉的加热效果不稳定，从而影响坯料的加热质量。所以还需要设计相应的稳压设备，以确保得到合格的加热件。2.3.2控制单位面积的功率以及电阻率的选择坯料在进行感应加热时，为了降低坯料表面与中心的温差，以及满足加热时间的要求，在设计感应炉时选用坯料的单位面积功率为0.2-0.05kW/cm2.当坯料采用连续式和步进式感应加热时，在感应炉中坯料的加热温度严重轴向由低到高不断变化，在感应加热炉甲酸的时候应该找到低于加热温度100200选择坯料的电阻率，这样的计算结果会更加准确。2.3.3工频感应加热炉相数的选择工频感应加热炉可以设计为单相、二相以及三相。由于三相的工频感应加热炉的电磁力比较大，对坯料施加的力可能会把坯料直接从感应炉中退出来。单相工频感应加热炉的加热效果比较好，其加热效率和功率因素都要比两相和三相的好，所以一般都希望使用单相感应器。当单相感应加热炉的功率比较大时，如果直接接在三相电源上，会导致三相电源严重不平衡。所以需要在供电系统增设三相平衡器。即在其他两相上分别附加一个平衡电抗器和一组平衡电容器，以获得完全平衡的三相负载。2.3.4感应炉计算方法的选择 在计算过程中需要注意的是，由于感应加热炉的结构不同，在中频感应加热炉中一般是不设置导磁体的，但是在工频感应加热炉中都需要设置导磁体。所以在计算过程中，认为没有导磁体的感应加热炉应该采用电感计算法。有导磁体的工频感应加热炉应该采用磁路计算法，这样获得的结果比较准确。2.3.5节能减排目前，我国经济正处于高速发展的阶段，工业的发展对于环境的压力十分巨大，所以在设计时，应该注意对于能源的节约以及降低对环境的污染。对于感应加热炉来说，冷却水并没有受到污染，现在多数的厂家都是对冷却水循环利用，当冷却水高于额定温度就加常温水降温，但是并没有利用冷却水中的温度。为了降低对能源的消耗，可以将冷却感应加热炉后的热水重复使用，例如直接引入生产车间的生活用水，用于工人洗澡等其他方面，这在卫生安全方面都是完全可以的。2.4车间设计的目的和任务由于本次设计的主体为加热炉的设计，所以本次设计仅对与加热炉相关的部分项目进行设计，对于土建、供气等不相关项目在此不做叙述。2.4.1车间设计的目的与任务车间设计的目的就是为了建设新的企业、扩建或改建老企业。本次设计的内容为新建一条年产3万吨的紫铜加热炉生产线，目的是为了挤压提供坯料。主要设计任务有以下几点：（1）加热炉种类的确定和具体参数的设计与计算 本次设计选的的加热炉种类为卧式、全长、周期式的工频感应加热炉。在设计过程中需要设计计算感应加热炉的功率、感应线圈匝数、电源电压与频率、加热炉尺寸等数个方面。力求做到设计合理，生产率高，投资小。（2）原材料、供水、供电等供应情况和运输情况 本次设计已经确定原材料为280mm900mm紫铜坯锭，需要设计其必要的运输方式。同时感应加热炉相对于燃料加热炉没有燃料等方面的设计要求。但是作用冷却加热炉的冷却水以及电力的供应情况依旧是不可缺少的。需要设计合理的冷却机制以及为加热炉设计经济高效的电能供应。（3）需要达到的经济效益和技术水平为了工厂可以长期高效的运转，所以在设计之初就必须确保本次设计的生产线可以处于盈利的状态。必须在综合考虑原材料价格、生产成本、运输成本、工人工资等各方面因素之后，确保可以获得一个较高的利润。同时，产品的质量也必须达到要求，在生产过程中需要达到的技术水平需要提前进行规划，力求生长出高性价比、具有竞争力的产品。（4）投资以及劳动定员的控制数字在前期的设计之中，必须全盘规划厂房的费用、机器的费用、安装的费用等一系列一次性投入费用以及后期需要追加的费用，确保不因为投资问题而导致生产中断。根据产品方案和生产规模，规定必须配备具有一定质量（或等级）的各类人员的数量标准。要求在保证生产需要的前提下，合理使用劳动力。（5）环保情况处于经济高速发展中的现代中国，环境压力日益增大。相对于燃料加热炉，感应加热炉对于环境的污染几乎没有，同时车间的工作环境也更加优越。在设计过程中要注意对于环境的保护以及提高车间工人工作环境的水平。第三章 主要设备的计算和选择3.1计算的已知条件坯料材质：T2紫铜坯料尺寸：280mm900mm坯料质量： (3.1)式中 坯料的密度；坯料的直径；m坯料的长度；m生产率G：由于本次设计为年产三万吨紫铜加热炉设计，故生产率为： (3.2)加热温度：920毛坯表面与中心温差：3.2电流穿透深度与电流频率f电流穿透深度可由下式计算得出。 (3.3)表3-1 不同温度下紫铜的电流穿透深度 单位：cm温度/电阻率在50Hz时的电流穿透深度8001187.7510001227.8512501288.00从表3-1中可以看出，在920时，铜的电阻率约为12010-6，当频率为50Hz时可计算得出其电流穿透深度为：可以看出，紫铜的电流穿透深度并不小。对于有色金属（铜、铝、镁等），由于其电阻率较小，所以电流穿透深度不大。但是由于有色金属拥有较好的导热性，故对于直径在125mm300mm之间的铜坯料，可以使用50Hz的工频电流进行加热。如表3-1所示。表3-2 用于有色金属的典型电流频率坯料直径/mm电流频率/Hz012450103122510103和3103257510375503.3坯料加热的有效功率P21（kW） 紫铜的比热容是即，生产率G为，加热后的温度t2=920，加热前的温度定为室温t1=20。则有效功率可按下式计算： (3.4)式中 金属的比热容；G生产率；t1坯料加热前的温度；t2坯料加热后的温度；3.4坯料加热的辐射热损失P22（kw）与传导热损失P23（kW）坯料在感应加热时的热损失，包括辐射热损失和传导热损失，可以按照辐射热损失和传导热损失的计算公式计算。圆柱形感应器截面图如3-1.图3-1 感应器截面图辐射热损失可由式3.5计算： (3.5)取坯料即热时的黑度，由于坯料的加热温度较高，远大于，所以可以忽略不计，则辐射热为：辐射热损失可由式3.6计算 (3.6)式中 坯料的辐射面积；cm2由于坯料为卧式加热，则辐射热损失为 当通过耐热层和隔热层的热流稳定时，通过圆柱形耐热层与隔热层的传导热损失P23可按下式计算： (3.7)式中 t2耐热层的内侧温度； tw纯铜管内水的温度； R1耐热层热阻； R2隔热层热阻R3感应线圈纯铜管内热阻 R4感应线圈纯铜管对水的热阻其中， L1感应线圈长度；m d1耐热层内径；m d2耐热层外径；m d3隔热层外径；m d4d3+2；m 纯铜管的壁厚；m 各层材料的热导率 as纯铜管对水的放热系数 在实际计算中，由于R3、R4的数值可以忽略不计，则式3.7可以简化为： (3.8)式中 t1隔热层的外侧温度；在感应线圈内的耐热层，设计使用材料为密度1.8的耐火粘土砖。其导热率为0.698+0.6410-3920=1.29=1.2910-2。表3-3 几种耐火材料的物理性能隔热层设计使用材料为堆密度为168的硅酸铝纤维，其在920的热导率约为0.1210-2表3-4 硅酸铝纤维的热导率耐热层与隔热层的厚度均设计为2cm，耐热层内径为30cm。隔热层的外侧温度近似等于紧贴的线圈铜管温度，一般取t1=60。则传导热损失为：坯料加热时的热损失为：3.5坯料加热时间TS圆柱形坯料的感应加热时间TS(s)可由下式计算： (3.9)式中 D2坯料的外径；cm 坯料材质的热扩散率，可由式3.10计算；cm2/s (3.10) 热导率； 比热容； 毛坯的密度；g/cm3令F0=为傅里叶数，根据坯料加热的表面温度920和中心温度870。则：0.4R=0.414cm=5.6cm，=0.6查图3-2得，。图3-2 辅助函数S（，1）与S（，0）则傅里叶数F0的值为：F0=2.439紫铜的热导率的热导率如表3.5所示，在920是的热导率3.40。表3-5 紫铜的热导率温度/201002004006008001083热导率/（）3.993.873.793.743.633.533.21则坯料在920的热扩散率由式3.10计算为：cm2/s =0.967cm2/s则由式3.9坯料的加热时间为：s=494s=8.28min根据年生产率3万吨的要求。每年共计需要生产坯料根数为：平均每根可占用时间为：完全符合实际生产的要求。坯料加热到t2所需的表面功率密度P0（W/cm2）可由下式计算： (3.11)式中 tp R2坯料的半径；cm 金属的热导率； 则根据是3.11，将数据代入，可得：=43.75坯料所需的功率、可由下式计算： (3.12) (3.13)代入所需数据，可得：kW=346.36kW3.6感应加热炉的主要尺寸确定 感应加热炉的主要尺寸是感应线圈的内径和长度。为了使坯料在整体上加热均匀。可以按照经验公式3.14来确定线圈长度L1（cm）: (3.14) 本次设计取表3-6列出了感应线圈与坯料之间间隙的经验尺寸，可供设计时参考。表3-6 感应线圈与坯料之间间隙的经验尺寸耐热层与隔热层的厚度均设计为2cm，耐热层内径为30cm。感应线圈的长度L1=30cm+8cm=38cm.间隙尺寸10cm，基本符合经验尺寸的要求。3.7磁场强度H0的计算 坯料感应加热在螺旋形线圈中时，在一定的磁场强度H0作用下坯料所能产生的热能可以按下式计算：则 (3.15)式中 P2坯料加热所需的功率；kW f电流频率；Hz H0坯料表面的磁场强度值；A/cm L2坯料加热部分的长度；cm 坯料的相对磁导率； F2坯料的截面积；cm2 A无因次磁通函数。实心圆柱形坯料的A值见图3-3.图3-3 圆柱体的A与B函数坯料加热所需功率为有效功率P21、辐射热损失P22与传导热损失P23，即：坯料直径D为28cm，电流穿透深度为7.79cm。则： 从图3-3可以查得A=0.37，B=0.6。则由式3.15可计算出加热炉的磁场强度。3.8磁通的计算当坯料再单层螺旋线圈中感应加热时，其总磁通是空气隙中的磁通、坯料中的磁通与线圈冲的磁通的总和。式中 H0坯料表面的磁场强度值；A/cm Fg空气隙的截面积；cm2 F2坯料的截面积；cm2 坯料磁导率；H/ 真空磁导率； 线圈电阻的校正系数，一般为11.5,1.15为常用数值。 线圈的内径；cm 线圈上电流的穿透深度 (3.16)感应线圈用水冷却，纯铜管的温度为5060，电阻率，则电流穿透深度可用式3.3计算：则可根据式3.16计算出其磁通：3.9感应线圈匝数W的计算在感应加热时，为了建立相应的磁场强度H0所需要的线圈端电压E（V）为：E=4.44 (3.17)由于供电线路本身也存在电阻，所以并不是所有的外施电压都分配在感应线圈上，所以在设计时需要考虑线路自身电阻的影响，则：式中 U供电电压；V供电线路的电压降；V R供电线路的电阻； I供电线路上的电流；I在设计过程中，供电线路上的电压降可根据经验定为5%10%，则可知感应线圈匝数的计算公式为：W=感应器为单相，供电系统选用额定电压为525V，考虑到供电线路本身电阻的影响，则可计算感应线圈的匝数：W=故设计在感应线圈的匝数为58匝。3.10感应线圈上电流的计算感应线圈建立的总磁式为WI，其中的一部分消耗在感应线圈的内部，另一部分消耗在线圈外部。由于工频感应加热炉在线圈的外部还设置有导磁体，所以： (3.18)式中 W感应线圈的匝数；匝 H0坯料表面磁场强度的值； HM导磁体内的磁场强度； LM导磁体的中心线长度；cm L坯料被加热部分的长度与坯料和导磁体磁极间距离的和。由于使用硅钢片制成的导磁体的磁导率很少，故可以省略，则感应电流I的计算公式可以简化为：3.11线圈导体截面积S的计算 线圈导体的截面积S（mm2）的大小是根据截面上所允许的电流密度选择的，可以用下式计算： (3.19)式中 I线圈上感应电流；A 导体上允许的电流密度；A/mm2线圈导体选用3015/112的圆孔偏心纯铜管如图3-4，有效导电面积为1715mm2=225mm2，则导体上的电流密度可按下式计算： 将感应线圈的圆孔偏心纯铜管经绝缘带包裹后，感应线圈的长度为：L1=（15+1）（58+1）=944mm表3-7 圆孔偏心管的规格3.12导磁体截面积的计算考虑到由于存在漏磁现象，所以感应线圈中磁通不能全部通过导磁体，而只有（0.80.9），故导磁体的截面积可用下式计算： (3.20)式中 B导磁体的磁感应强度，一般情况下取0.81.2T。在设计中将磁感应强度B取为1T，则导磁体的截面积为：导磁体分为8组均匀的分布在感应线圈周围，其布置如图3-4。图3-4 导磁体在感应线圈周围的分布由于导磁体是由硅钢片组合制作的，在硅钢片之间需要进行绝缘处理，而且在硅钢片的装配时也不可能做到完全紧密，故实际的导磁体截面积可由下式计算： (3.21)每一组导磁体的截面积为： 可以取每一组导磁体截面的长90mm，宽为50mm。如图3-5.图3-5 导磁体的形状和尺寸导磁体每1m2侧表面散热量可用下式计算。 (3.22)式中 SM导磁体的侧面面积；m2 PM导磁体的功率损失；WPM=qGM q在一定的磁感应强度下每公斤硅钢片的功率损失； GM导磁体的硅钢片质量；kg每一组导磁体的质量为：GM=（130+3.62）957.810-30.9kg=43.34kg导磁体选用D310-0.35的硅钢片制成，当磁感应强度B为1T时，其单位消耗为q=1W/kg，则每一组导磁体的损耗为PM=143.34W/组=43.34W/组每一组导磁体的侧表面散热面积S1为：SM=（1.3+0.0362）0.052m2+1.30.09=0.2542m2则导磁体每1m2侧表面散热量为：由于小于750，所以在导磁体工作时，导磁体温度的升高量不会超过周围空气温度50。3.13感应加热炉的电效率在计算感应加热炉的电效率时，主要考虑到在加热时线圈引起的功率损失与导磁体引起的功率损失。由于导磁体的功率损失一般都是不大的，所以在设计时可以忽略不计，感应加热炉电效率的高低，主要取决于感应线圈上的功率损失。感应加热炉的电效率可用下式计算： (3.23)加热时线圈引起的功率损失的数值可用下式计算： (3.24)式中 I感应线圈上的电流；A Rt温度为t时纯铜导体的电阻； D1线圈的平均直径；cm W线圈的匝数；闸 K考虑线圈的进头与出头的系数，一般取1.051.10； S感应线圈的截面积；cm2在计算交流电时，由于电流在截面上的分布不均匀，其功率损失相对于直流电大，故需考虑校正系数KC，一般取11.5.则感应线圈通过4999A时的功率损失为：校正系数KC取1.25，则：导磁体所产生的功率损失为：感应加热炉的电效率用公式3.23计算：=0.653.14感应加热炉的总效率与功率感应加热炉的热效率：感应加热炉的总效率：感应加热炉的功率：3.15感应加热炉的功率因数感应加热炉的功率因数可由下式计算： (3.25)式中 Pg感应加热炉的功率，包括加热所需的功率和损失功率；kW U感应加热炉