箱式电阻炉设计说明书.doc

热处理设备设计说明书 热处理设备设计 说明书 设计题目750 80kg h 的箱式电阻炉设计 学 院 年 级 专 业金属材料工程 学生姓名 学 号 指导教师 佳木斯大学 热处理设备设计说明书 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 热处理设备设计说明书 第 1 页 1 1 前前 言言 1 1 本设计的目的本设计的目的 设计 750 80kg h 的箱式电阻炉设计 1 2 本设计的技术要求本设计的技术要求 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 750 4 生产率 80kg h 5 生产特点 周期式成批装料 长时间连续生产 热处理设备设计说明书 第 2 页 2 设计说明 2 1 确定炉体结构和尺寸 2 1 1 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 80 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 2 3 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 8 5 6 m2 2 1 2 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 m5 0 F3 5 B L 2 m 3 5 2 1 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 6 左右 则 H m 3 5 10 3 因此 F壁 2 L H L B 2 B H 2 3 14 B 1 6 L 180 577 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 空炉生温时间假定问 升 4h 炉温 t 750 所以 30 4 0 5 0 041 800 9 1200 1000 1 55 P安 解得 P 30 3 KW 则 L 1 291m B 0 646m H 0 387m 根据标准砖尺寸 为便于砌砖 取 L 1 277m B 0 664m H 0 372m 可以确定炉膛尺寸如下 热处理设备设计说明书 第 3 页 L 230 2 5 230 0 5 2 1277mm B 120 2 4 40 2 65 2 2 664mm H 65 2 5 37 372mm 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 1100 mm B效 500 mm H效 280 mm 2 1 3 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 L外 L 2 115 50 115 1837mm B外 B 2 115 50 115 1224mm H外 H f 115 80 115 67 4 50 182 372 89 310 268 50 182 1271mm 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 F顶内 L 1 277 0 887 m2 R F 顶外 B外 L外 1 224 1 837 2 285 m2 F 顶均 1 424 m2件件件件F F 2 2 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 F墙内 2LH 2BH 2H L B 2 0 372 1 277 0 664 1 444m2 热处理设备设计说明书 第 4 页 F墙外 2H外 L外 B外 2 1 271 1 837 1 224 7 769m2 F墙均 3 349m2件件件件F F769 7 444 1 2 2 3 炉底平均面积 F底内 B L 0 664 1 277 0 848m2 F底外 B外 L外 1 224 1 837 2 248m2 F底均 1 381m2件件件件F F248 2 848 0 2 3 根据热平衡计算炉子功率 2 3 1 加热工件所需的热量 Q件 查表得 工件在 750 及 20 时比热容分别为 c件 2 0 624kJ kg c件 1 0 486kJ kg Q件 p c件 2t1 c件 1t0 80 0 624 750 0 486 20 36662 4kJ h 2 3 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 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 t 2 墙 620 t 3 墙 360 t 4 墙 60 则 耐火层 s1的平均温度 ts1 均 685 硅酸铝纤维层 s2的平均温度 ts2 均 2 620750 490 硅藻土砖层 s3的平均温度 ts3 均 210 s1 s3层炉衬 2 360620 2 60360 的热导率由附表 3 得 1 0 29 0 256 10 3ts1 均 0 465W m 3 0 131 0 23 10 3ts3 均 0 119W 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 490 得 2 0 100W 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 热处理设备设计说明书 第 5 页 q墙 312 123 1 ga tt sss a 17 12 1 179 0 115 0 100 0 05 0 465 0 115 0 20750 496 4W m2 2 验算交界面上的温度 t2 墙 t3 墙 t2 墙 t1 q墙 627 3 s 1 16 t tt 2 2 件 件件件 3 627 620 3 627 5 满足设计要求 不需重算 t3 墙 t2 墙 q墙 379 s 4 7 t tt 3 3 件 件件件 379 360379 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 60 7 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 496 4 3 349 1662 4W 同理可以求得 t2 顶 646 9 t3 顶 296 9 t4 顶 55 63 q顶 419 6 W m2 t2 底 618 4 t3 底 446 7 t4 底 44 3 q底 301 5 W m2 炉顶通过炉衬散热 Q顶散 q顶 F顶均 597 5 W 炉底通过炉衬散热 Q底散 q底 F底均 624 1 W 整个炉体散热损失 Q散 Q墙散 Q顶散 Q底散 1662 4 597 5 624 1 2884 kJ h 热处理设备设计说明书 第 6 页 2 3 3 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 750 273 1023K 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 0 664 0 124 m2 H 2 372 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 0 186 0 664 0 28 炉门开启高度与 H 炉墙厚度之比为 0 664 由图 1 14 第 1 条线查得 0 6 故 28 0 186 0 Q辐 3 6 5 675F t 4 4 Tg Ta 3 6 5 675 0 124 0 1 0 6 4 4 100 1203 1654kJ h 2 3 4 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 0 664 0 186 106 4 m3 h H H 186 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 t g ta 20 750 20 506 7 Q溢 qva aca t g ta t 106 4 1 29 1 342 750 20 0 1 8964 9 kJ h 2 3 5 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 14 Q 件 Q 散 Q 辐 Q 溢 7023 1 kJ h 热处理设备设计说明书 第 7 页 2 3 6 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 57188 4 kJ h 2 3 7 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 2 则 P安 31 8kW 3600 4 571882 与标准炉子相比较 取炉子功率为 35kW 2 4 炉子热效率计算炉子热效率计算 2 4 1 正常工作时的效率 64 1 件 件 Q Q 2 4 2 在保温阶段 关闭时的效率 78 7 QQ Q Q 件件件 件 2 5 炉子空载功率计算炉子空载功率计算 P空 2 75 kW 件件QQ 2 6 空炉升温时间计算空炉升温时间计算 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 V 侧粘 2 1 277 12 0 067 0 135 0 115 0 276m3 V 前 后粘 2 0 664 0 115 2 16 0 067 0 135 0 115 0 248m3 V 顶粘 0 97 1 277 0 276 0 115 0 173m3 热处理设备设计说明书 第 8 页 V 侧纤 2 1 277 0 115 12 0 067 0 135 0 05 0 131m3 V 前 后纤 2 0 664 0 115 2 16 0 067 0 135 0 05 0 108m3 V 顶纤 1 071 1 277 0 276 0 08 0 108m3 V 侧硅 2 12 0 067 0 135 1 277 0 115 0 115 0 301m3 V 前 后硅 2 1 43 16 0 067 0 135 0 115 0 397m3 V 顶硅 2 3 1 43 0 115 0 378 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 2 688 65 2 3 627750 查附表 3 得 c粘 0 84 0 26 10 3t粘 0 84 0 26 10 3 688 65 1 014 kJ kg t纤 t2 墙 t3 墙 2 503 15 2 379 3 627 查附表 3 得 c纤 0 81 0 28 10 3t纤 0 84 0 26 10 3 503 15 0 951 kJ kg t硅 t3 墙 t4 墙 2 219 85 2 7 60379 查附表 3 得 c硅 0 84 0 25 10 3t硅 0 84 0 26 10 3 219 85 0 895 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 604390 29 kJ h 2 6 2 炉底蓄热计算 V 底粘 4 0 02 0 12 0 113 0 065 0 04 2 0 065 0 113 0 113 0 120 2 1 277 1 224 0 115 2 1 837 0 115 0 065 0 217m3 V 底纤 1 837 1 224 0 05 0 112 m3 V 底硅 1 837 1 224 0 182 0 409 m3 由于 t 底粘 t1 t2 底 2 750 618 4 2 684 2 查附表 3 得 c 底粘 0 84 0 26 10 3t 底粘 1 02 kJ kg t 底纤 t2 底 t3 底 2 618 4 446 7 2 532 55 查附表 3 得 热处理设备设计说明书 第 9 页 c 底纤 0 81 0 28 10 3t 底纤 0 959 kJ kg t 底硅 t3 底 t4 底 2 446 7 44 3 2 245 5 查附表 3 得 c 底硅 0 84 0 25 10 3t 底硅 0 901 kJ kg 所以得 Q 底蓄 0 217 1 0 103 1 02 684 2 20 0 112 0 25 103 0 959 532 55 20 0 409 0 5 103 0 901 245 5 20 212326 4 kJ h 2 6 3 炉底板蓄热 根据附表 6 查得 750 和 20 时高合金钢的比热容分别为 c板 2 0 691kJ kg 和 c板 1 0 473kJ kg 经计算炉底板重量 G 240kg 所以有 Q 板蓄 G c板 2t1 c板 1t0 242 0 691 750 9 46 122109 6 kJ h Q蓄 Q蓄 1 Q 底蓄 Q 板蓄 604390 29 212326 41 122109 6 938826 3 kJ h 空炉升温时间 升 7 45h 件 件 P Q 353600 3 938826 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 1 277 0 372 1 277 0 664 1 798 m2 W P 安 F电 45 2 09 20 31 kW m2 表面负荷在常用范围 20 25 kW m2 之内 故符合设计要求 2 8 电热元件材料选择及计算电热元件材料选择及计算 由最高使用温度 750 选用线状 0Cr25Al5 合金电热元件 接线方式采用 Y 2 8 1 图表法 由附表 15 查得 0Cr25Al5 电热元件 35kW 箱式炉 YY 接线 直径 d 4 8mm 时 其表 热处理设备设计说明书 第 10 页 面负荷为 1 56 W cm2 每组元件长度 L组 49 6 m 总长度 L总 148 8 m 元件总重量 G 总 19 1kg 2 8 2 理论计算法 1 求 750 时电热元件的电阻率 t 当炉温为 750 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 6 W 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 35 n 35 3 1 11 7kW 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 d 34 3 4 7mm 22 3 t PUW 允 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 0 785 10 3 0 785 10 3 51