毕业论文-中温箱式电阻炉设计.docx

本科毕业设计题目：中温箱式电阻炉设计学 院:材料与冶金学院专 业:热能与动力工程学 号:200902129014学生姓名:韩 琦指导教师:高 标日 期:二一三年六月武汉科技大学本科毕业设计摘 要电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。按炉型可分为：箱式炉，台车炉，井式炉，罩式炉，输送式炉，推送式炉，滚筒式炉，转底式炉，辊底式炉等。箱式炉主要由炉壳、炉衬、炉门、传动机构、电热元件及电气控制装置组成。本设计以毛坯及零部件加热能力为150 kg/h的中温箱式电阻炉为基础，介绍了箱式电阻炉的生产工艺流程、技术特点和相关的技术性能。利用所学加热炉设计的知识，并通过查阅专业学术期刊4、工程设计手册和专业工程技术资料150 kg/h的中温箱式电阻炉的热工部分进行了详细计算，主要包括用热平衡法计算电阻炉功率、电热元件的计算及加热炉主要尺寸、砌体结构和空炉升温时间校核以及电热元件的选取及安装的技术参数，从而确定了加热炉的主要尺寸、操作参数和主要工作指标。通过本设计，作者对中温箱式电阻炉的性能及工艺流程有了深刻的认识，对在校期间所学习的一些知识有了更多的了解，特别是加热炉设计过程及应用有了较多的了解，为以后的工作奠定了基础。关键字： 中温箱式加热炉； 电热元件； 热平衡； 空炉升温时间IAbstractResistance furnace is to use the current so that the furnace heating element or heating medium heat, thereby heating the workpiece or material for industrial furnaces. The furnace can be divided into box-type furnace, trolley furnace, pit furnace, bell furnace, conveyor furnace, push-type furnace, roller hearth, rotary hearth furnace and roller hearth furnace. Box furnace consists of furnace shell, lining, door, transmission, electric components and electrical control device component. In this project, the production process, technical characteristics and related technical performance is introduced on base of box-type resistance furnace with the capacity of 150 Kg/h. Meanwhile, the introduction of the furnace body structure as well as the configuration of the main properties of mechanical equipment and structural characteristics.The heat calculations during the heat transfer process of box resistance furnace was conducted by using of the basic heat transfer theory and consulting professional and academic journals, engineering design manual and professional engineering and technical data. The main characters containing the power of the furnace, selection electric heating element, the size of three dimensions as well as the masonry structures was calculated according to the principle heating balance. At last, the operational efficiency and empty furnace heating time was checked to evaluate the comprehensive performance of box furnace. The author has a deeper understanding of basic knowledge learned in school after the process of the designing, especially furnace design process and its application which is benefit for future work.Through this design, the author of the temperature box resistance furnace performance and process have a deeper understanding of the learning during the school learned more about some knowledge, has been more more understanding for future work laid the foundation.Keywords: box furnace; heating element; thermal equilibrium; empty furnace heating timeII目 录第一章 绪论11.1 概述11.2 热处理电阻炉的基本类型21.2.1 箱式炉21.2.2 台车炉21.2.3 井式炉31.2.4 井式气体渗碳炉31.2.5 热处理盐浴炉31.3 电阻炉工作原理31.4 加热元件41.4.1 电热丝41.4.2 PTC电热元件51.4.3 导电涂料51.4.4 电热膜51.5 耐火材料51.5.1 分类61.5.2 性能指标6第二章 设计计算72.1 设计任务72.2 炉型的选择72.3 确定炉体结构及尺寸72.3.1 炉底面积的确定72.3.2 炉底长度和宽度的确定82.3.3 炉膛高度的确定82.3.4 炉衬材料及厚度的确定102.4 砌体平均表面积计算102.4.1 炉顶平均面积112.4.2 炉墙平均面积112.4.3 炉底平均面积12III2.5 计算炉子功率122.5.1 根据经验公式法计算炉子功率122.5.2 根据热平衡计算炉子功率132.6 炉子热效率计算252.6.1 正常工作时的效率252.6.2 在保温阶段，关闭炉门时的效率252.7 炉子空载功率计算252.8 空炉升温时间计算262.8.1 炉墙及炉顶蓄热262.8.3 炉底板蓄热计算292.9 功率的分配与接线302.10 电热元件材料选择及计算302.10.1 求1000时电热元件的电阻率302.10.2 确定电热元件表面功率312.10.3 每组电热元件功率312.10.4 每组电热元件端电压312.10.5 电热元件直径322.10.6 每组电热元件长度和质量322.10.7 电热元件总长度和总质量332.10.8 校核电热元件表面负荷332.10.9 电热元件在炉膛内的布置332.11 炉子构架、炉门启闭机构352.12 炉子总图、主要零部件图及外部接线图35第三章 总结373.1 结论373.2 收获37参考文献38致 谢39IV第一章 绪论1.1 概述电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。 自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在 650以下的为低温炉；6501000为中温炉; 1000以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。工业电阻炉分二类，周期式作业炉和连续式作业炉。周期式作业炉分为箱式炉、密封箱式炉，井式炉，钟罩炉，台车炉，倾倒式滚筒炉。连续式作业炉分为窑车式炉，推杆式炉，辊底炉，振底炉，转底炉，步进式炉，牵引式炉，连续式滚筒炉，传送带式炉等。其中传送带式炉可分为：有网带式炉、冲压链板式炉。 电阻炉的加热机理：电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50-80%，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。 电阻炉的功率：电阻炉的功率是根据电阻炉的热平衡原则确定的，通过热平衡计算，可以比较精确地算出电阻炉的功率。电炉所需的功率应包括炉子蓄热，工件加热需要热量、工件保温需要的热量、气氛裂解所需的热量，热损失等。其中炉子蓄热由电炉的规格、构造和主要尺寸、炉衬厚度，材料导热系数决定。一般地说，炉子越大，炉子蓄热越大，反之亦然。工件加热需要热量、工件保温需要的热量由炉子的产量、工件的性质和规格尺寸、工作温度、时间决定。炉子的产量越大，功率越大，反之亦然。气氛裂解所需的热量，由气氛的性质决定。热损失的热量，包括进料口部位、落料口部位的散热和其它部位的辐射损失等。炉子功率计算有利用热平衡原则确下的理论计算法、经验计算法。理论计算法，主要参数是产量、温度、升温时间。经验计算法常用三种：根据炉膛容积和工作温度计算功率或根据炉膛内表面积和工作温度计算功率或根据相同品种的炉子产量的类比推算功率。一般计算功率，经一种方法为主，以另一种或二种方法验算并进行修正。功率确定之后，根据电阻炉的分区情况，进行功率分配，选定加热元件的形式，选用材料，计算其参数，包括冷态电阻、电源电压、线径、长度。具体选材料要考虑材料的抗氧化性、抗高温性、抗渗碳性、加工艺性，表面负荷等。带状加热元件承受的表面负荷比丝状加热元件大一点，最高可增加50%。电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、操作方便，便于控制、工作温度范围宽，容易准确控制温度，加热质量好、无烟尘、无噪声，便于使用可控气氛。容易实现机械化和自动化等优点，但使用费较高。1.2 热处理电阻炉的基本类型热处理电阻炉应用非常广泛，结构、类型也是最多的。1、按作业方式可分为：周期作业式热处理电阻炉和连续作业式电阻炉。2、按使用温度可分为：高温热处理炉、中温热处理炉和低温热处理炉。3、按炉型可分为：箱式炉，台车炉，井式炉，罩式炉，密封箱式炉，输送式炉，推送式炉，振底式炉，滚筒式炉，转底式炉，转筒式炉，辊底式炉等。1.2.1 箱式炉 箱式炉可分为高温箱式炉、中温箱式炉、低温箱式炉三种类型及圆体箱式电阻炉，主要由炉壳、炉衬、炉门、传动机构、电热元件及电气控制装置组成。炉壳由钢板及型钢焊接而成，炉衬一般由轻质高铝砖、轻质黏土砖、耐火纤维、保温砖以及填料组成。电热元件多为铁铬铝、镍铬合金丝绕成的螺旋体，分别安装在炉膛侧壁搁砖和炉底上。大型箱式炉还在炉膛后壁和炉门上安装电热元件，使炉膛温度保持均匀。高中温炉底部电热元件用耐热钢炉底板覆盖，工件置于炉底板上进行加热。 1.2.2 台车炉 台车炉是中温箱式炉的一种改进型，主要用于大型工件的正火、退火及回火处理。主要特点是炉底采用电力驱动，靠机械结构拉出炉外，便于工人使用吊车装卸工件，减轻劳动强度。与箱式炉相比增加了台车电热元件通电装置、台车与炉体间密封装置及台车行走驱动装置。大型台车炉在炉门和后炉墙装电阻丝，有的还在炉顶设置风扇，使炉温均匀。1.2.3 井式炉 适用于需垂直悬挂加热的细长工件。此类设备外形为圆形，一般置于地坑中，炉膛较深，上下散热不一样，为使炉膛温度均匀，长分区布置电热元件，各区单独供电并控制温度，密封性较好，热损失小，所以应用极为广泛。我国生产的井式炉有高温井式炉、中温井式炉、低温井式炉和井式气体渗碳炉四种。1.2.4 井式气体渗碳炉 主要用于钢的气体渗碳、氮化和碳氮共渗与重要零件的淬火和退火加热等。其结构与低温井式炉相近。不同之处是井式气体渗碳炉中设置有耐热钢炉罐，并用炉盖密封，将电热元件与炉内气氛隔开。工作时，渗碳剂从炉盖上的滴量器滴入炉中，热裂后经风扇搅动循环，均匀接触工件，废气从炉盖上的排气孔排出。 1.2.5 热处理盐浴炉 盐浴炉是采用熔盐作为加热介质的热处理设备，特点是结构简单，制造容易，加热速度快且均匀，工件氧化脱碳少，便于细长工件悬挂加热和局部加热。盐浴炉广泛用于工件的淬火、正火加热、局部加热淬火、化学热处理、分级淬火和等温淬火、回火等。 盐浴炉按热源方式可分为内热式盐浴炉和外热式盐浴炉两种。内热式盐浴炉以电极式盐浴炉应用最普遍；外热式盐浴炉按热源种类不同有电热式盐浴炉和燃料加热式盐浴炉两种，以电热式坩锅盐浴炉应用为多。1.3 电阻炉工作原理电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50-80，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过2500 oC。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：为使物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（12h40-6035-5040-60100-1206h60-8050-70锻件（合金钢）40-6050-70钢铸件35-5040-60可锻化20-3025-30淬火、正火一般100-12090-140100-12080-120150-180150-200130-160180-200180-220锻件正火110-120150-200铸件正火80-140100-160120-180合金钢淬火80-100120-140回火500-60070-10060-9080-100100-120150-20080-100150-180160-200渗透固体10-1210-20 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，确定工作室有效尺寸为：2.3.4 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-0.6轻质粘土砖+80mm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-0.8轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+115 mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN-0.8轻质粘土砖密度为250kg/m3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65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmB级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖(NZ-35)，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，分三块或者四块，厚20mm。2.4 砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如砌体图所示：试中 f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径H=B，则f可由求得。2.4.1 炉顶平均面积2.4.2 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。2.4.3 炉底平均面积2.5 计算炉子功率2.5.1 根据经验公式法计算炉子功率取式中系数，空炉升温时间定为，炉温t=1000oC炉膛内壁面积：所以得;由经验公式法计算得。2.5.2 根据热平衡计算炉子功率2.5.2.1 加热工件所需的热量由表2.2得，工件1000oC及20oC时比热容分别为，。根据式2.5.2.2 通过炉衬的散热损失的热量2.5.2.2.1 炉墙的散热损失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。表2.2 钢的平均比热容种类在不同温度下的平均比热容/kj/(kg)50-100250-300350-400 450-500 550-600 650-700 750-800 850-900 低合金钢0.4860.5770.6070.6700.7701.0510.6360.636高合金钢0.4730.5330.6070.6820.7790.8750.6910.670根据式对于炉墙散热，如图所示首先假定界面上的温度及炉壳温度，则耐火层s1的平均温度，硅酸铝纤维层s2的平均温度，硅藻土砖层s3的平均温度。表2.3 热处理炉常用耐火材料和保温材料材料和牌号密度热导率/( Wm-1-1)比热容/(kjkg-1-1)黏土砖(NZ-35)2.1-2.20.698+0.6410-3t0.88+0.2310-3t轻质黏土砖(QN-1.0)1.00.290+0.25610-3t0.84+0.2610-3t轻质黏土砖(QN-0.8)0.80.294+0.21210-3t0.84+0.2610-3t轻质黏土砖(QN-0.6)0.60.165+019410-3t0.84+0.2610-3t硅藻土砖 B级0.550.131+0.2310-3t膨胀珍珠岩0.31-0.1350.04+0.2210-3tS1,S2层炉衬的导热率由表2.3得：普通硅酸铝纤维的热导率由表2.4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直线关系，表2.4 普通硅酸铝耐火纤维板热导率 密度/(kgm-3)温度/10040070010001000.0580.1160.210.3372500.0640.0930.140.2093500.0700.0810.1210.122由得 当炉壳温度为70，室温为20是，由表2.5可得炉墙外表面对车间的综合传热系数求热流 验算交界面上的温度和：误差，满足设计要求，不需要重新估算。误差，同样满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度满足一般热处理电阻炉表面升温70的要求。计算炉墙通过炉衬的散热损失2.5.2.2.2 炉顶的散热损失和炉墙散热损失同理，首先假定界面上的温度及炉顶壳的温度，则：耐火层的平均温度 ，硅酸铝纤维层的平均温度，膨胀珍珠岩层的平均温度。层炉衬的热导率由表3得：普通硅酸铝纤维的热导率由表4查得，时，当炉壳温度为60，室温为20是，由表5可查得炉壳表面对空气的综合传热系数。表2.5 炉墙外表面对车间的综合传热系数(车间温度20)炉墙外表面温度/侧墙水平面钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面炉顶架空炉底钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面309.487.2610.728.517.825.613510.097.8211.479.208.265.994010.598.2712.079.758.636.304511.048.6512.6010.218.966.575011.448.9913.0810.639.266.815511.819.3013.5211.009.557.046012.179.5913.9311.359.837.256512.509.8614.3211.6810.097.457012.8310.1214.6911.9810.357.657513.1410.3715.0512.2710.617.848013.4510.6115.4012.5510.868.028513.7510.8415.7412.8211.118.029014.0411.0616.0713.0811.358.379514.3411.2816.4013.3411.608.5410014.6211.4916.7213.5911.848.7110514.9111.7017.0413.8312.098.8811015.2011.9117.3514.0712.339.0511515.4812.1117.6614.3012.589.2112015.7612.3217.9714.5312.829.3812516.0412.5218.2814,7613.079.5413016.3312.7118.5914.9813.319.70求热流验算交界面上的温度和，满足设计要求，不需要重新估算。，满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度满足一般热处理电阻炉表面升温要求。计算炉顶通过炉衬的散热损失2.5.2.2.3 炉底的散热损失假定各层界面的温度及炉底温度，则耐火层的平均温度，硅酸铝纤维层的平均温度，硅藻土砖层的平均温度。和层炉衬的热导率同样可由表3得普通硅酸铝纤维的热导率同样可由表2.4由插入法得当炉壳温度为70，室