《热处理设备课程设计》课程设计-950℃_115Kgh箱式电阻炉设计.doc

0 北 华 航 天 工 业 学 院 热处理设备课程设计 课程设计报告 报告题目： 950115kg/h 的箱式电阻炉设计 作者所在系部： 材料工程系 作者所在专业： 金属材料工程 作者所在班级： B10821 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 20104082204 指导教师姓名： 陈志勇、范涛陈志勇、范涛 完 成 时 间 ： 2013 年 月 日 1 热处理设备课程设计任务书 课题名称课题名称950 115kg/h 的箱式电阻炉设计完成时间完成时间 指导教师指导教师 陈志勇、范陈志勇、范 涛涛 职称职称 高工、讲高工、讲 师师 学生姓名学生姓名 班班 级级 总体设计要求和技术要点总体设计要求和技术要点 总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的 能力，了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、 结构尺寸设计计算、绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握 设计热处理设备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学 生对工程技术问题的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要 点为：1.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。 2.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量； 3.最高工作温度： 950 ； 4.生产率： 115 kg/h ；5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。 工作内容及时间进度安排工作内容及时间进度安排 1.热处理设备设计准备 0.5 天 2.箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、计算分配电阻炉加热功率 0.5 天 3.计算电热元件尺寸、进行结构设计 0.5 天 3.核算设备技术经济指标 0.5 天 4.绘制电阻炉总图、电热元件零件图 1.0 天 5.编写设计说明书、使用说明书 0.5 天 6.设计总结 0.5 天 7.答辨 1.0 天 课程设计成果课程设计成果 2 1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如 下： （1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a） 、对设计课题 的分析；（b） 、设计计算过程；（c） 、炉子技术指标；（d） 、参考文献。 2、设计图纸：（1)电阻炉总图一张（A3） ，要求如下：（a） 、图面清晰，比例正确； （b） 、尺寸及其标注方法正确；（c） 、视图、剖视图完整正确；（d） 、注出必要的技 术条件。 （2）零件图 3 张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（A4） 。 3、使用说明书（封皮，任务书及指导教师评语及设计成绩页打印，其余部分手写） ， 电阻炉的技术规范及注意事项等。 内内 容容 摘摘 要要 本次课程设计的设计对象是 RX3 系列 950 115Kg/h 箱式电阻炉，以“优质、高效、 低耗、清洁、灵活”为设计指导方针。首先，根据箱式炉的生产率为 80Kg 确定炉子的炉 膛尺寸为 1277698537。进而对炉体砌体结构、总体尺寸、各部件结构及尺寸的设计。 根据经验公式及热平衡对炉子的功率进行设计，最终功率定为 30KW。最后通过图表和理 论计算将电热元件分布于炉侧壁和炉底。完成了课程设计报告书的编写、电阻炉的总体 装配图、电热元件图、炉门结构图以及砌体结构图的绘制。 关键词：热处理关键词：热处理 箱式电阻炉箱式电阻炉 结构设计结构设计 功率计算功率计算 3 目目 录录 一、一、 前前 言言.4 1.1 本设计的目的.4 1.2 本设计的技术要求.4 二二 设计说明设计说明.5 2.1 确定炉体结构和尺寸.5 2.1.1 炉底面积的确定.5 2.1.2 确定炉膛尺寸.5 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定.5 2.2 砌体平均表面积计算.6 2.2.1 炉顶平均面积.6 2.2.2 炉墙平均面积.6 2.2.3 炉底平均面积.6 2.3 根据热平衡计算炉子功率.7 2.3.1 加热工件所需的热量 Q件.7 2.3.2 通过炉衬的散热损失 Q散.7 2.3.3 开启炉门的辐射热损失.9 2.3.4 开启炉门溢气热损失.9 2.3.5 其它热损失.10 2.3.6 热量总支出.10 2.3.7 炉子安装功率.10 2.4 炉子热效率计算.10 2.4.1 正常工作时的效率.10 2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率.10 2.5 炉子空载功率计算.10 2.6 空炉升温时间计算.10 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热.11 2.6.2 炉底蓄热计算.12 2.6.3 炉底板蓄热.12 2.7 功率的分配与接线.13 2.8 电热元件材料选择及计算.13 2.8.1 图表法.13 2.8.2 理论计算法.13 2.9 炉子技术指标（标牌）.15 前 言 本设计的目的 设计650 80kg/h 的箱式电阻炉设计 本设计的技术要求 设计一台高温电阻炉，其技术条件为： （1）.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。 （2）.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量； （3）.最高工作温度：950； （4）.生产率：115kg/h； （5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。 设计设计说明说明 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸 炉底面积的确定炉底面积的确定 因无定型产品，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉 子的生产率为 P=115，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 P0为 115kg/(m2h)。 故可求的炉底的有效面积 F1=P/P0=1 m2 由于有效面积与炉底总面积存在关系式 F1/F=0.780.85，取系数上限，得炉底实际 面积 F=F1/0.85=0.88 m2 确定炉膛尺寸确定炉膛尺寸 由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取 L/B=2：1 因此，可求的： L=1.327 m5 . 0/F B=L/2=0.663 m 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 L=1. 227m B=0. 698m 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，根据炉子的工作 条件，取 H/B=0.8 左右。则 H=0.530 m 可以确定炉膛尺寸如下 L=(230+2)5+(2300.5+2)=1277mm B=(120+2)4+(40+2)5=698mm H=(65+2)8+37=573mm 确定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 空间，确定工作室有效尺寸为 L效=1000mm B效=500 mm H效=400 mm 炉衬材料及厚度的确定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 113mmQN1.0 轻 质粘土砖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 113mmQN1.0 轻质粘土砖80mm 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 QN1.0 轻质粘土砖（673）mm50mm 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 65mm QN1.0 轻质粘土砖80mm 密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 65mmA 级硅藻土砖。 炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。 炉底板材料选用 CrMnN 耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块， 厚 20mm。 砌体平均表面积计算砌体平均表面积计算 L外L+2(115+50+115)=1837mm B外B+2(115+50+115)=1258mm H外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =573+94+310+268+50+182 =1477mm 式中：f拱顶高度，此炉子采用 60标准拱顶，取拱弧半径 RB，则 f 可由 fR（1cos30）求得。 炉顶平均面积炉顶平均面积 F顶内L1.277 =0.933 m2 R 6 698 . 0 14 . 3 2 F顶外B外L外1.2581.837=2.311 m2 F顶均1.468m2件件件件F F 炉墙平均面积炉墙平均面积 炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。 F墙内2LH2BH2H（LB）20.573(1.277+0.698)=2.26m2 F墙外2H外(L外B外)21.477(1.837+1.258)=9.14m2 F墙均4.54m2件件件件F F 炉底平均面积炉底平均面积 F底内BL0.6981.2770.891m2 F底外B外L外1.2581.837=2.311m2 F底均1.435m2件件件件F F 根据经验公式法计算炉子功率根据经验公式法计算炉子功率 F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+23.14B1/6L=3.96m2 由经验公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系数 C=30(kMh0.5)/(m1.81.55),空炉生温时间假定为 升=4h，炉温 t=650。 所以 304-0.53.960.9（650/1000）1.55= P安 解得，P=26.4kW 暂取 P安=30kW 根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率 加热工件所需的热量加热工件所需的热量 Q件 件 查表得，工件在 650及 20时比热容分别为 c件 21.051kJ/(kg)，c件 10.486kJ/(kg) Q件p(c件 2t1c件 1t0)80(1.0516500.48620)53874.4kJ/h 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 Q 散 n i ii i 1n1 F s t-t 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度， t2 墙540，t3 墙320，t4 墙60则 耐火层 s1的平均温度 ts1 均595，硅酸 2 540650 铝纤维层 s2的平均温度 ts2 均430，硅藻土 2 320540 砖层 s3的平均温度 ts3 均190，s1、s3层炉衬 2 60320 的热导率由附表 3 得 10.290+0.25610-3ts1 均0.442W/(m) 30.131+0.2310-3ts3 均0.175W/(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430，得 20.099W/(m) 当炉壳温度为 60，室温为 20时，由附表 2 近似计算得 12.17 W/(m) (1)求热流 q墙 312 123 1 ga tt sss a 17.12 1 175 . 0 115 . 0 099 . 0 050 . 0 442 . 0 115 . 0 20650 417.5W/ m2 (2)验算交界面上的温度 t2 墙，t3 墙 t2 墙=t1q墙541.5 s 0.27% t tt 2 2 件 件件件 541.5 540541.5 5%，满足设计要求，不需重算。 t3 墙=t2 墙q墙328.58 s 2.61% t tt 3 3 件 件件件 58.328 32058.328 5%，满足设计要求，不需重算。 (3)验算炉壳温度 t4 墙 t4 墙=t3 墙q墙54.2570 s 满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。 (4)计算炉墙散热损失 Q墙散q墙F墙均417.54.541895.45W 同理可以求得 t2 顶=586.9, t3 顶=376.45, t4 顶=36.34, q顶257.6 W/ m2 t2 底=504.6, t3 底=357.9, t4 底=49.5, q底309.4 W/ m2 炉顶通过炉衬散热 Q顶散q顶F顶均378.16 W 炉底通过炉衬散热 Q底散q底F底均443.9W 整个炉体散热损失 Q散Q墙散Q顶散Q底散 2717.51 W 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 Q辐3.65.675Ft（）4（）4 Tg Ta 因为 Tg650273923K，Ta20273293K， 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 FB0.6980.199 m2 H 2 573 . 0 炉门开启率 t0.1 由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与 B 之比为 0.41，炉门开启高度与炉墙厚度之比 H 为1.02，由图 114 第 1 条线查得 0.7，故 28 . 0 286 . 0 Q辐3.65.675Ft（）4（）4 Tg Ta 3.65.6750.1990. 70.1（）4（）4 100 923 2044.5kJ/h 开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t 其中，qva1997B19970.6980.286=206.4 m3/h H H 286 . 0 冷空气密度 a1.29kg/ m3,由附表 10 得 ca1.302kJ/( m3),ta=20, tg为溢气温度，近 似认为 tgta(tg-ta) 20(650-20)=440 Q溢qvaaca(tgta) t206.41.291.302(44020)0.114537.5 kJ/h 其它热损失其它热损失 其它热损失约为上述热损失之和的 10%20%，故 Q它0.12(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=8780.8kJ/h 热量总支出热量总支出 其中 Q辅0，Q控0，由下式得 Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它 =81954.7kJ/h 炉子安装功率炉子安装功率 P安 件KQ 其中 K 为功率储备系数，本炉设计中 K 取 1.2，则 P安27.2kW 3600 7 .819542 . 1 与标准炉子相比较，取炉子功率为 30kW。 炉子热效率计算 正常工作时的效率正常工作时的效率 =65.7% 件 件 Q Q 在保温阶段，关闭时的效率在保温阶段，关闭时的效率 80.4% )(溢辐总 件 QQQ Q 炉子空载功率计算 P空3.19kW 件件QQ 3600 8 . 878051.2717 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，将炉子侧墙 和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。 炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 V 侧粘21.277(110.067+0.135)0.115=0.256m3 V 前后粘2(0.698+0.1152)(120.067+0.135)0.115=0.20m3 V 顶粘0.97(1.277+0.276)0.115=0.233m3 V 侧纤2(1.277+0.115)(110.067+0.135)0.05=0.121m3 V 前后纤2(0.698+0.1152)(120.067+0.135)0.05=0.087m3 V 顶纤1.071(1.277+0.276)0.08=0.133m3 V 侧硅2 (120.067+0.135)(1.277+0.115)0.115=0.3m3 V 前后硅21.258(120.067+0.135)0.115=0.272m3 V 顶硅2.31.2580.115=0.333 m3 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) 查附表 3 得因为 t粘（t1t2墙）/2595.75 2 5 . 541650 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3595.75=0.996kJ/(kg) t纤（t2 墙t3 墙）/2435.05 2 6 . 328 5 . 541 查附表 3 得 c纤0.81+0.2810-3t纤0.84+0.2610-3435.05=0.953 kJ/(kg) t硅（t3 墙t4 墙）/2191.4 2 25.54 6 . 328 查附表 3 得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2610-3191.4=0.890kJ/(kg) 所以得 Q蓄 1(V 侧粘+ V 前后粘+ V 顶粘)粘c粘(t粘t0) +(V 侧纤+ V 前后纤+ V 顶纤)纤c纤(t纤t0) +( V 侧硅+ V 前后硅+ V 顶硅)硅c硅(t硅t0) 425729.6 kJ/h 炉底蓄热计算炉底蓄热计算 V 底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042+0.065)0.113+(0.1130.120)2 1.277+(1.258-0.1152)(1.837-0.115)0.065 0.317m3 V 底纤1.8371.2770.050.117 m3 V 底硅1.8371.2770.1820.427m3 由于 t 底粘（t1t2 底）/2(650+504.6)/2577.3 查附表 3 得 c 底粘0.84+0.2610-3t 底粘0.99 kJ/(kg) t 底纤（t2 底t3 底）/2(504.6+357.9)/2431.3 查附表 3 得 c 底纤0.81+0.2810-3t 底纤0.931 kJ/(kg) t 底硅（t3 底t4 底）/2(357.9+49.5)/2203.8 查附表 3 得 c 底硅0.84+0.2510-3t 底硅0.891 kJ/(kg) 所以得 Q 底蓄0.3141.01030.99(577.3-20)+ 0.1170.251030.931(431.3-20)+ 0.4270.51030.891(203.8-20) 219406.7 kJ/h 炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表 6 查得 650和 20时高合金钢的比热容分别为 c板 20.875kJ/(kg)和 c 板 10.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量 G=139.9 kg，所以有 Q 板蓄G(c板 2t1- c板 1t0)= 139.9(0.8756500.47320)78244.7 kJ/h Q蓄Q蓄 1Q 底蓄Q 板蓄723381 kJ/h 空炉升温时间 升6.7h 件 件 P Q 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 38 小时内均可，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 4 小时以内。 功率的分配与接线 30kW 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 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/ m2 之间，常用为 2025 kW/ m2 之间。 F电2F电侧F电底21.2770.573+1.2770.698=2.35 m2 WP安/F电30/2.3517.26 kW/ m2 表面负荷在常用范围 1525 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 650，选用线状 0Cr25Al15 合金电热元件，接线方式采用 YY。 图表法图表法 由附表 15 查得 0Cr25Al1 电热元件 30kW 箱式炉 YY 接线，直径 d4.5mm 时，其 表面负荷为 1.39W/ cm2。每组元件长度 L组51m,总长度 L总153m,元件总重量 G总 17.4kg。 理论计算法理论计算法 1、求 650时电热元件的电阻率 t 当炉温为 650时，电热元件温度取 1100，由附表 12 查得 0Cr25Al5 在 20 时电阻率 201.40mm2/m，电阻温度系数 410-5-1,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 53，根据本炉子电热元件工作条件取 W允1.6W/ cm2。 3、每组电热元件功率 由于采用 YY 接法，即三相双星形接法，每组元件功率 P组30/n=30/(31)10kW 4、每组电热元件端电压 由于采用 YY 接法，车间动力电网电压为 380V，故每组电热元件端电压即为每 项电压 U组380/=220V 5、电热元件直径 线状电热元件直接由下式得 d34.33.6mm 22 3 / t PUW 允 （） 取 d=4.5mm 6、每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由下式得 L组0.78510-3 =0.78510-3 46.1m t P dU 件 件 46 . 1 10 5 . 4220 22 每组电热元件重量由下式得 G组d2 L组M 式中，M由附表 12 查得 M7.1g/ cm2 所以得 G组d2 L组M5.24kg 7、电