箱式电阻炉设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 热工过程与设备 课程设计（论文）题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率40kg/h，功率45kw，工作温度1200）院（系）：材料科学与工程学院专业班级：材料092学号：090208039学生姓名：刘鑫指导教师：于景媛起止时间：2012-12-292013-1-11课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院 教研室：材料教研室学 号090208039学生姓名刘鑫专业班级材料092课程设计（论 文）题 目热处理箱式电阻炉的设计生产率40kg/h，功率45kw，工作温度1200课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。二、课设任务设计任务：设计热处理箱式电阻炉，生产率40kg/h，功率45kw，工作温度1200。1、炉型选择；2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计；4、计算炉子功率；5、炉子热效率计算；6、炉子空载功率计算；7、空炉升温时间计算8、功率分配与接线；9、电热元件材料选择与计算；10、电热体元件图；11、电阻炉装配图；12、炉子技术指标；13、参考文献。三、设计说明书要求设计说明书结构见设备设计模板。工作计划1设计方案确定，1天；2确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算，5天；3绘制电热元件图和电阻炉草图，书写整理打印设计说明书，3天；4设计验收及答辩，1天。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）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3四、计算炉子功率4五、炉子热效率计算8六、炉子空载功率计算8七、空炉升温时间计算8八、功率的分配与接线11九、电热元件材料选择及计算11十、电热体元件图13十一、电阻炉结构示意图13十二、电阻炉技术指标（标牌）13参考文献141设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；(2)生产率：40kg/ h； (3)工作温度：最高使用温度1200；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择选择炉型必须考虑以下问题：1.工件的特点：对于小型零件形状简单产量不大的采用箱式炉处理。2.技术要求：然后加热温度炉膛介质冷却速度和方式表面状态允许变形程度等3.产量大小：产量小品种多工艺不稳定者采用容易改变工艺规程的箱式炉作业处理本设计任务的处理对象为小型零件且多品种、小批量，因此拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定采用加热能力指标法是较为符合生产实际的。已知生产率为40kg/ h，按教材表45 1选择箱式炉用于正火时的单位面积生产率p0为120kg(m2h) ，故可求得炉底有效面积根据实际情况，这里取0.85炉底实际面积： 式中K为炉底面积的利用系数，K=0.80.85之间。所以 F=2炉底长度和宽度的确定对于箱式炉来说炉底的长宽之比2:1，因此，可求得 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.392m，B=0.680m。3炉膛高度的确定炉膛高度还没有严格的计算方法，但根据资料统计，炉膛高度H与宽度B之比HB通常在05209之间，一般小炉子的比值取大些，大炉子的取小些，这里取HB=0.8左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.573m。因此，确定炉膛尺寸如下： 长 L=(230+2)6=1392mm 宽 B=(120+2)3+（40+2）2+（113+2）2=680mm高 H=(65+2)8+37=573mm为了利于辐射和对流传热，也为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，在一般情况下，要保证炉料和炉壁之间有200300 mm的空间，因此确定工作室有效尺寸为L效=1100mmB效=550mmH效=300mm 炉底板 高铝砖 轻质粘土砖 硅藻土砖 硅藻土粉 膨胀珍珠岩 4炉衬材料及厚度的确定本炉最高加热温度为1200，一般要用三层炉衬，分别为高铝砖、轻质粘土砖和保温粉料，在保温层和炉壳之间通常还有一层厚度为10mm左右的石棉板。考虑到侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用炉衬结构相同，本设计采用3层结构即耐火层为113mm LZ48高铝砖+中间层为230mmQN1.0轻质粘土砖+保温层为300mm硅藻土粉+10 mm石棉板。炉顶采用113mm LZ48高铝砖+（653）mmQN1.0轻质粘土砖+230mm硅藻土粉。炉门用113mmQN10轻质粘土砖做耐火层+200mm硅藻土砖为保温层。炉底采用四层，即2层65mmLZ48高铝砖+2层65mmQN1.0轻质粘土砖+113mmB级硅藻土砖和200mm膨胀珍珠岩复合炉衬。炉底隔砖采用重质高铝砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。 炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸： L外 =L+2(115+232+300+10)=1392+1314=2706mm B外 =B+2(115+232+300+10)=680+1314=1994mmH外 =H+f+(115+673+230)+674+113+200+20+10=573+91+1127=1821mm式中：f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R(1-cos30)=91mm求得。1.炉顶平均面积F顶内=（2R/6）L=23.140.6861.392=0.99m2F顶外=B外L 外=1.9942.706=5.40m2 F顶均= =2.31m22.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=2LH+2BH=2H（B+L）=20.573(1.392+0.680)=2.375m2F墙外=2H外（L外+B外）=21.822（2.706+1.994）=16.835m23.炉底平均面积F底内=BL=1.3920.680=0.947 m2F底外=B外L外=1.9942.706=5.40 m2四、计算炉子功率1根据经验公式法计算炉子功率式中系数C=30(kWh0.5)/(m1.8C1.55)，空炉升温时间假定为升= 10h，炉温t =1200，炉膛内壁面积F壁与标准炉相比较，这里取P安45 (kW)2.根据热平衡计算炉子功率(1) 加热工件所需的热量Q件由中国干燥技术网查得表1： 表1钢与铸铁的平均比热容cp值kJ/(kg)温度,钢的含碳量,%铸铁0.0900.2240.3000.5400.6100.7950.9501.4101000.4650.4650.4690.4730.4770.4820.4940.4860.5282000.4770.4770.4820.4820.4860.4860.5020.4940.5443000.4940.4980.5020.5070.5110.5150.5190.5150.5654000.5150.5150.5150.5230.5230.5280.5360.5280.5745000.5320.5320.5360.5360.5400.5440.5530.5440.5866000.5650.5650.5650.5730.5740.5740.5820.5780.6037000.5990.5990.6030.6030.6070.6070.6150.6070.6538000.6660.6780.6910.6910.6870.6780.6870.6820.6879000.7080.7030.6990.6910.6870.6780.6700.6740.71210000.7080.7030.6990.6910.6870.6780.6530.6740.71611000.7080.7030.6990.6910.6910.6820.6620.6780.72012000.7080.7080.7030.6950.6910.6870.6620.6780.72412500.7080.7080.6990.6950.6950.6870.6620.678-由表1 得，工件在1200及20时比热容分别为C件2=0.678 KJ(kg)，C件1=0.486KJ(kg)，根据教材式(48) 1Q件=g(C件2t2-C件lt1) =45(0.6781200-0.48620) =36174KJh(2) 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。根据教材式(17) 1Q散=对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度， 设=1180，=950，=90，=60则有耐火层S1的平均温度 ts1均= =1190 轻质粘土砖层S2的平均温度 ts2均= =1065硅藻土粉S3的平均温度 ts3均= =520石棉板S4的平均温度 ts5均= =75 S1、S2 、S3 、S4层炉衬的热导率由附表3 3得 图11=2.09+1.8610-3ts1均 =2.09+1.8610-31190=4.303 W(m)2=0.29+0.25610-3ts2均 =0.29+0.25610-31065=0.563W(m)3=0.07+0.210-3ts3均=0.07+0.210-3520 =0.174W(m)。4=0.163+0.17410-3ts4均=0.163+0.17410-375 =0.176W(m)。当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2 1经近似计算得。=12.17W(m2)a)求热流q墙 = =512.6 W/ m2b)计算交界面上的温度t2墙、t3墙、t4墙t2墙=1200-=1186 =100%=0.33% 5%，满足计算要求，不需要重算。t3墙=1186-=974=100%=2.52%5%，满足计算要求，不需要重算。T4墙=974-=905%，满足计算要求，不需要重算。c)验算炉壳温度t5墙t5墙=90-=59小于60满足一般热处理电阻炉表面温度40-60。同理可求得炉底t2底=1183 t3底=1059 t4底=897 t5底=55 q底 =627 W/ m2d)计算炉墙散热损失Q墙散= q墙F墙均=512.66.323=3239W同理可以求得Q顶散= q墙F顶均=512.62.31=1184 WQ底散= q墙F底均=512.62.261=1159W整个炉体散热损失Q散= Q墙散+Q顶散+ Q底散=3239+1184+1159 W=5582W又因为1W=3.6 KJ/h，所以Q散=55823.6=20095KJ/h(3)开启炉门的辐射热损失根据式（4-16）1 Q辐= 5.67 -At3.6因为Tg=1200+273=1473 K，Ta=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积A=B=0.680=0.1948m2设炉子平均每小时开启时间为0.1小时（6分钟），则=0.1由于炉门开启后，辐射口为被拉长的矩形，且与B之比为/0.680=0.42，炉门高度与炉墙厚度之比为/0.647=0.44由教材图1-13 1第一条线查得=0.52故Q辐=3.65.675At-=3.65.670.19480.520.1=9722KJ/h(4)开启炉门溢气热损失溢气热损失,根据式(4-17) 1 =qvaaCa（tg-ta）t,其中qva=1997B=19970.680=208.2m3/h空气密度a=1.29 kg/m3由附表10 3得Ca=1.434KJ/（m3）ta=20 ，tg为溢气温度，tg=20+ （1200-20）=807Q溢=qvaaCa（tg-ta）t=208.21.29 1.434（807-20）0.1=30310.6KJ/h(5)其它热量损失其他热量损失约为上述热损失之和的1020故Q它=0.15（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=0.15(36174+20095+9722+30310)=14445KJ/h(6)热量总输出其中Q辅=0，Q控=0，Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它=110746KJ/h(7)炉子的安装功率P安=其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.5，则P安=（1.5110746）/3600=44kw为增加加热时间，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=36174/110746100=32.62在保温阶段，关闭炉门时的效率=Q件/Q总-（Q辐+Q溢）=36174/110746-(9722+30310)100=51.2六、炉子空载功率计算P空=9.43kW七、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、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。1.炉墙及炉顶蓄热V=2 0.115（0.1152+1.392）(0.573+0.115)=0.257m3V=20.6800.115（0.573+0.115）=0.108m3V=0.6801.3920.115=0.109m3V=2(1.392+0.1152+0.2302)0.23（0.573+0.115+0.0653）=0.846m3V=2（0.680+0.1152）0.23(0.573+0.115+0.0653)=0.370m3V=（0.680+0.1152）0.0653（1.392+0.1152）=0.288m3V侧硅=2(1.392+0.1152+0.2302+0.3)0.3（0.573+0.115+0.0653+0.23）=1.590m3V前后硅=2（0.680+0.1152+0.232）0.3（0.573+0.115+0.0653+0.23）=0.915m3V顶硅=（0.680+0.1152+0.232）0.23（1.392+0.1152+0.232）=0.656m3Q蓄= V高高C高(t高-to)+V轻轻C轻(t轻-to)+V硅硅C硅(t硅-t0)+ V棉棉C棉(t棉-t0)t高=(t1+t2墙)2=(1200+1186)/2=1193查附表3 3得C高=0.92+0.2510-3t高=0.92+0.2510-31193=1.218KJ/(kg)高 =2.3 g/cmT轻=(t2墙+t3墙)/2=(1186+974)/2=1080C轻=0.84+0.2610-3t轻=0.84+0.2610-31080=1.121KJ/(kg)轻=1.0 g/cmt硅=(t3墙+t4)/2=（974+90）/2=532查教材表3-7 1得C硅=0.23+0.0710-3 t硅=0.23+0.0710-3532=0.267 KJ/(kg)硅=0.55 g/cmT棉=(t4墙+t5)/2=（90+59）/2=74.5查教材表3-7 1得C棉=0所以得Q蓄1=（V+ V+ V）高C高（t高-t0）+（V+ V+ V）轻C轻（t轻-t0）+（V+ V+ V）硅C硅（t硅-t0）=（0.257+0.108+0.109）2.31031.218（1193-20）+（0.846+0.370+0.288）11031.121（1080-20）+（1.590+0.915+0.656）0.551030.267（74.5-20）=3370025KJ2.炉底蓄热计算=0.06521.392+2（0.115+0.230）0.680+2(0.115+0.230）=0.37 m3=0.06521.392+2(0.115+0.230）0.680+2(0.230+0.115）=0.37 m3=0.1151.392+2(0.115+0.230）0.680+2(0.230+0.115）=0.37 m3而又求得t2底=1183 t3底=1059 t4底=897 t5底=55 q底 =627 W/ m2= (t2底+t3底)/2=1121查附表3 3得=0.92+0.2510-3 =1.20kJ(kg)=(t3底+t4底)/2=978查附表3 3得=0.84+0.2510-3 =1.085kJ(kg)查附表3 3得C底硅=0.75kJ/(kg)所以得Q底蓄=0.371.202.31000（1121-20）+0.371.08511000（978-20）+0.370.750.551000（476-20）=1578527kJ3. 炉底板蓄热由附表2 3查得1200和20时高合金钢的比热容分别为： C板2=0.695kJ/(kg)和C板1=0.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=236kg，所以有Q板蓄=G(C板2t1-C板1t0)=236（0.6951200-0.47320）= 194591kJQ蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=3370025+1578527+194591=5143143kJ空炉升温时间 升=5143143/（360045）=31h 因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，而且所设计的炉子功率低所以升温时间比较长。八、功率的分配与接线45kW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，内壁表面负荷应在1535kwm2之间。 F电=2F电侧+F电底=21.3920.573+0.6801.392=2.542m2 W=P安/F电=45/2.542=17.70kW/m2对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kwm2之间，所以符合条件。九、电热元件材料选择及计算由最高使用温度1200，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用Y。1理论计算法(1)求1200时电热元件的电阻率当炉温为1200时，电热元件温度取1300，由附表12查得0Cr25Al5在20时电阻率20=1.40mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则1300下的电热元件电阻率为t = 20(1+t)=1.40(1+410-51300)=1.473mm2/m(2)确定电热元件表面功率由教材表416，根据本炉子电热元件工作条件取W允=0.7 W/cm2。(3)每组电热元件功率由于采用Y接法，即三相星形接法，每组元件功率 P组=45/n=45/3=15kW(4)每组电热元件端电压由于采用Y接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端为每相电压U组=220V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d=34.3 =34.3 7.33mm 取d=7.5mm(6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度 L组=RA/t =d2/t =96.7m 取97m每组电热元件重