刘东辉--热处理设备--课程设计报告.doc

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 650 90kg 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 作者所在班级 B08821 作 者 姓 名 刘 东 辉 作 者 学 号 20084082104 指导教师姓名 范 涛 陈志勇 完 成 时 间 2011 10 20 热处理设备 课程设计任务书 课题名称课题名称 650 90 kg h 的箱式电阻炉设计 完成时间完成时间2011 10 20 指导教师指导教师 陈志勇 范涛陈志勇 范涛 职称职称 高工 讲师高工 讲师 学生姓名学生姓名刘东辉刘东辉班班 级级 B08821B08821 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 650 750 850 950 1100 1200 选一个温度 4 生产率 60 120kg h 分 7 份 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 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 电阻炉的技术规范及注意事项等 内内 容容 摘摘 要要 650 90kg h 的箱式电阻炉的设计 包括炉型的选择 选择炉体材料 箱式电阻炉结构尺寸设计计算 计算分配电阻炉加热功率 计算电热元件尺 寸 核算设备技术经济指标 绘图 电阻炉总图一张 电热元件零件图 炉 门图 炉衬图 关键词 关键词 箱式电阻炉 炉衬材料 砌体结构 电热元件 热处理炉 技术经济指 标 目目 录录 1 1 前前 言言 1 1 1 本设计的目的 1 1 2 本设计的技术要求 1 2 设计说明设计说明 2 2 1 确定炉体结构和尺寸 2 2 1 1 炉底面积的确定 2 2 1 2 确定炉膛尺寸 2 2 1 3 炉衬材料及厚度的确定 3 2 2 砌体平均表面积计算 3 2 2 1 炉顶平均面积 3 2 2 2 炉墙平均面积 4 2 2 3 炉底平均面积 4 2 3 根据热平衡计算炉子功率 4 2 3 1 加热工件所需的热量 Q件 4 2 3 2 通过炉衬的散热损失 Q散 4 2 3 3 开启炉门的辐射热损失 6 2 3 4 开启炉门溢气热损失 6 2 3 5 其它热损失 6 2 3 6 热量总支出 7 2 3 7 炉子安装功率 7 2 4 炉子热效率计算 7 2 4 1 正常工作时的效率 7 2 4 2 在保温阶段 关闭时的效率 7 2 5 炉子空载功率计算 7 2 6 空炉升温时间计算 7 2 6 1 炉墙及炉顶蓄热 8 2 6 2 炉底蓄热计算 8 2 6 3 炉底板蓄热 9 2 7 功率的分配与接线 9 2 8 电热元件材料选择及计算 10 2 8 1 图表法 10 2 8 2 理论计算法 10 2 9 炉子技术指标 标牌 11 3 参考文参考文献献 前 言 本设计的目的 设计 650 90kg h 的箱式电阻炉 本设计的技术要求 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 650 4 生产率 90kg 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 2 1 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸 2 1 1 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 90 按表 5 1 选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 P0为 120kg m2 h 故可求的炉底的有效面积 F1 P P0 0 75 m2 由于有效面积与炉底总面积存在关系式 F F0 0 78 0 85 取系数上限 得炉底实际 面积 F F1 0 85 0 88m2 2 1 2 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 因此 可求的 L 1 328 m5 0 F B L 2 0 664 m 根据标准砖尺寸 为便于砌砖 取 L 1 392 m B 0 680 m 按统计资料 炉膛高度 H 与宽度 B 之比 H B 通常在 0 5 0 9 之间 根据炉子的工作 条件 取 H B 0 7 左右 则 H 0 490 m 可以确定炉膛尺寸如下 L 230 2 6 1392 mm B 120 2 3 40 2 2 113 2 2 680 mm H 65 2 7 21 490 mm 确定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 空间 确定工作室有效尺寸为 L效 1200 mm B效 500 mm H效 350 mm F壁 2 L H L B 2 B H 2 3 14 B 1 6 L 3 97m2 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 kM h0 5 m1 8 1 55 空炉升温时间假定为 升 4h 炉温 t 650 所以 P安 30 4 0 5 3 970 9 650 1000 1 55 26 61 kW 暂取 P安 30kW 2 1 3 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 113mmQN 1 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 113mmQN 1 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 QN 1 0 轻质粘土砖 67 3 mm 50mm 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 QN 1 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 Cr Mn N 耐热钢 根据炉底实际尺寸给出 分三块或四块 厚 20mm 2 2 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 1950 mm B外 B 2 115 50 115 1240 mm H外 H f 115 80 115 67 4 50 182 1390 mm 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 可由 f R 1 cos30 求得 2 2 1 炉顶平均面积炉顶平均面积 F顶内 L 1 392 0 991m2 R 6 680 014 32 F顶外 B外 L外 1 724 m2 F顶均 1 31 m2件件件件F F 2 2 2 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 2LH 2BH 2H L B 2 0 490 1 392 0 680 2 031 m2 F墙外 2H外 L外 B外 2 1 390 1 950 1 240 8 868 m2 F墙均 4 24 m2件件件件F F 2 2 3 炉底平均面积炉底平均面积 F底内 B L 0 680 1 392 0 947 m2 F底外 B外 L外 1 240 1 950 2 418 m2 F底均 1 51 m2件件件件F F 2 3 根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率 2 3 1 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 2 1 051kJ kg c件 1 0 486kJ kg Q件 p c件 2t1 c件 1t0 90 1 051 650 0 486 20 60609 kJ h 2 3 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墙炉衬结构相似 故作统一数据处理 为简化计算 将炉门也包 括在前墙内 根据式 Q散 n i ii i F s 1 1n1t t 对于炉墙散热 首先假定界面上的温度及炉壳温度 t 2 墙 540 t 3 墙 320 t 4 墙 60 则 耐火层 s1的平均温度 ts1 均 595 硅酸铝纤维层 s2的平均温度 ts2 均 2 540650 430 硅藻土砖层 s3的平均温度 ts3 均 190 s1 s3层炉 2 320540 2 60320 衬的热导率由附表 3 得 1 0 29 0 256 10 3ts1 均 0 442W m 3 0 131 0 23 10 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 2 0 098W 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 0 098 0 05 0 442 0 115 0 20650 417 3W m2 2 验算交界面上的温度 t2 墙 t3 墙 t2 墙 t1 q墙 541 4 s 0 26 t tt 2 2 件 件件件 540 5404 541 5 满足设计要求 不需重算 t3 墙 t2 墙 q墙 328 2 s 2 6 t tt 3 3 件 件件件 320 3202 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 0 70 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 3 4 24 1769 4 W 同理可以求得 t2 顶 583 9 t3 顶 374 2 t4 顶 38 5 q顶 256 9 W m2 t2 底 508 8 t3 底 356 7 t4 底 50 3 q底 298 1 W m2 炉顶通过炉衬散热 Q顶散 q顶 F顶均 336 5 W 炉底通过炉衬散热 Q底散 q底 F底均 450 1 W 整个炉体散热损失 Q散 Q墙散 Q顶散 Q底散 2556 W 2 3 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 Q辐 3 6 5 675F t 4 4 Tg Ta 因为 Tg 650 273 923K 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 B 0 680 0 167 m2 H 2 490 0 炉门开启率 t 0 1 由于炉门开启后 辐射口为矩形 且与 B 之比为 0 36 炉门开启高度与炉墙厚度之比 H 为 0 88 由图 1 14 第 1 条线查得 0 66 故 28 0 245 0 Q辐 3 6 5 675F t 4 4 Tg Ta 3 6 5 675 0 167 0 1 0 66 4 4 100 923 1617 7kJ h 2 3 4 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 qva aca t g ta t 其中 qva 1997B 1997 0 680 0 245 164 7m3 h H H 245 0 冷空气密度 a 1 29kg m3 由附表 10 得 ca 1 342kJ m3 ta 20 t g为溢气温度 近 似认为 t g ta tg ta 20 650 20 440 Q溢 qva aca t g ta t 164 7 1 29 1 342 440 20 0 1 11975 3 kJ h 2 3 5 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 13 Q件 Q散 Q辐 Q溢 9939 5 kJ h 2 3 6 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 86397 5 kJ h 2 3 7 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 5 则 P安 36 0kW 3600 86397 55 1 与标准炉子相比较 取炉子功率为 35kW 2 4 炉子热效率计算 2 4 1 正常工作时的效率正常工作时的效率 60609 86397 5 70 2 件 件 Q Q 2 4 2 在保温阶段 关闭时的效率在保温阶段 关闭时的效率 83 2 溢辐总 件 QQQ Q 2 5 炉子空载功率计算 P空 3 5 kW 件件QQ 3600 9939 52556 2 6 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 2 6 1 炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 V 侧粘 2 1 392 10 0 067 0 135 0 115 0 258m3 V 前 后粘 2 0 680 0 115 2 15 0 067 0 135 0 115 0 239m3 V 顶粘 0 97 1 392 0 276 0 115 0 186m3 V 侧纤 2 1 392 0 115 10 0 067 0 135 0 05 0 121m3 V 前 后纤 2 0 680 0 115 2 15 0 067 0 135 0 05 0 104m3 V 顶纤 1 071 1 392 0 276 0 08 0 143m3 V 侧硅 2 10 0 067 0 135 1 392 0 115 0 115 0 279m3 V 前 后硅 2 1 240 15 0 067 0 135 0 115 0 325m3 V 顶珍 1 950 1 240 0 115 0 278 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 因为 t粘 t1 t2墙 2 595 7 2 4 541650 查附表 3 得 c粘 0 84 0 26 10 3t粘 0 84 0 26 10 3 595 7 0 995 kJ kg t纤 t2 墙 t3 墙 2 434 8 2 2 3284 415 查附表 3 得 c纤 0 81 0 28 10 3t纤 0 81 0 28 10 3 434 8 0 932 kJ kg t硅 t3 墙 t4 墙 2 191 1 2 0 542 328 查附表 3 得 c硅 0 84 0 25 10 3t硅 0 84 0 25 10 3 191 1 0 888 kJ 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 493808 kJ h 2 6 2 炉底蓄热计算炉底蓄热计算 V 底粘 4 0 02 0 12 0 113 0 065 0 04 2 0 113 0 113 0 120 2 1 392 1 240 0 115 2 1 950 0 115 0 065 0 225m3 V 底纤 1 950 1 240 0 05 0 121m3 V 底硅 1 950 1 240 0 182 0 440m3 由于 t 底粘 t1 t2 底 2 650 508 8 2 579 4 查附表 3 得 c 底粘 0 84 0 26 10 3t 底粘 0 991 kJ kg t 底纤 t2 底 t3 底 2 508 8 356 7 2 432 8 查附表 3 得 c 底纤 0 81 0 28 10 3t 底纤 0 931 kJ kg t 底硅 t3 底 t4 底 2 356 7 50 3 2 203 5 查附表 3 得 c 底硅 0 84 0 25 10 3t 底硅 0 891 kJ kg 所以得 Q 底蓄 0 225 1 0 103 0 991 579 4 20 0 121 0 25 103 0 931 432 8 20 0 440 0 5 103 0 891 203 5 20 172327 kJ h 2 6 3 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 2 0 875kJ kg 和 c 板 1 0 473kJ kg 经计算炉底板重量 G 180kg 所以有 Q 板蓄 G c板 2t1 c板 1t0 180 0 875 650 9 46 100672 2 kJ h Q蓄 Q蓄 1 Q 底蓄 Q 板蓄 766807 kJ h 空炉升温时间 升 6 1h 件 件 P Q 对于一般周期作业炉 其空炉升温时间在 3 8 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 2 7 功率的分配与接线 35kW 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 15 35kW m2 之间 常用为 20 25 kW m2 之间 F电 2F电侧 F电底 2 1 392 0 490 1 392 0 680 2 31 m2 W P安 F电 35 2 31 15 2kW m2 故符合设计要求 2 8 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 Y 2 8 1 图表法图表法 由附表 15 查得 0Cr25Al1 电热元件 35kW 箱式炉 Y 接线 直径 d 4 8mm 时 其表 面负荷为 1 56W cm2 每组元件长度 L组 49 6m 总长度 L总 148 8m 元件总重量 G总 19 1kg 2 8 2 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 20 1 40 mm2 m 电阻温度系数 4 10 5 1 则 1100 下的电热元件电阻 率为 t 20 1 t 1 40 1 4 10 5 1100 1 46 mm2 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工作条件取 W允 1 6W cm2 3 每组电热元件功率 由于采用 Y 接法 即三相双星形接法 每组元件功率 P组 35 n 35 3 11 7 kW 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