热处理炉课程设计.doc

热处理电阻炉设计一、 设计任务 设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目，并绘出草图。 基本技术条件： （1）用途：碳钢，低合金钢等的淬火，调质以及退火，正火；（2）工件：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m；（3）最高工作温度为950；（4）炉外壁温度小于60；（5）生产率：60kg/h。设计计算的主要项目：（1） 确定炉膛尺寸；（2） 选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸；（3） 计算炉子功率，进行热平衡计算，并与经验计算法比较；（4） 计算炉子主要经济技术指标（热效率，空载功率，空炉升温时间）；（5） 选择和计算电热元件，确定其布置方法；（6） 写出技术规范。二、 炉型选择根据设计任务给出的生产特点，选用中温（6501000）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。三、 确定炉膛尺寸1. 理论确定炉膛尺寸（1） 确定炉底总面积炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产率，按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率。因此，炉子的炉底有效面积（可以摆放工件的面积）可按下式计算：通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.750.85之间选择。本设计取值0.85，则炉底总面积为： （2） 确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比在3/22之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设计取，则炉子炉底长度和宽度分别为:（3） 确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比在0.50.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：2. 实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺寸（23011365mm），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度，2mm）、上、下砖体应互相错开以及在炉底方便布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下： 注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。3. 确定炉膛有效尺寸为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉膛内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：四、 炉衬材料的选择及其厚度的确定炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。1. 炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质黏土砖（QN0.8），保温层是80mm厚、密度为250kg/m的普通硅酸铝耐火纤维毡和113mmB级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于60，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。在炉墙内壁温度950、炉壳周围空气温度20的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：1) 的确定分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的厚度（m）。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则的厚度为：；2) ，的确定分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的平均热导率（W/m）;是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/ m）。要求出和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度850，硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖之间的界面温度570，炉墙外壳温度5560。如图所示。l 求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN0.8）的平均导热率为：（为平均温度） =0.485 W/ml 求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率硅酸铝耐火纤维毡的平均温度。根据教材附表4查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700、1000的热导率分别为0.14 W/m和0.209 W/m。在7001000温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有： W/ml 求B级硅藻土砖的平均导热率查教材附表3，可得B级硅藻土砖的平均导热率为： =0.203 W/ml 求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为55，周围空气为20时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为： W/m3) 求热流密度将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：4) 验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求l 轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度为：相对误差为，满足设计要求，不必重算。l 硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖之间的界面温度为：相对误差为，满足设计要求，不必重算。l 炉墙外壳温度为：5960因炉墙外壳温度小于60，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。2. 炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mm厚的轻质黏土砖（QN1.0），保温层是厚度80mm、密度250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶内壁温度950、炉壳周围空气温度20的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：1) 的确定分别是轻质黏土砖（QN1.0）、普通硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则的厚度为：；2) 的确定分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m）;是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/ m）。要求出和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度850，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度550，炉顶外壳温度60。l 求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN1.0）的平均导热率为： =0.52 W/ml 求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率硅酸铝耐火纤维毡的平均温度。根据教材附表4查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700的热导率分别为0.14 W/m则有：=0.14 W/ml 求膨胀珍珠岩的平均导热率查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均导热率为： =0.107 W/ml 求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为60，周围空气为20时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为： W/m3) 热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：4) 验算界面温度和炉顶外壳温度l 轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度为：相对误差为，满足设计要求，不必重算。l 硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度为：相对误差为，满足设计要求，不必重算。l 炉顶外壳温度为：58.760因炉顶外壳温度小于60，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。3. 炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2）4=268mm厚的轻质黏土砖（QN1.0），（113+2）+（65+2）2=249mm厚的B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。在炉底内壁温度950、炉壳周围空气温度20的稳定导热条件下，通过炉底向周围空气散热的热流密度为：1) 的确定分别是轻质黏土砖（QN1.0）、B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则的厚度为：；2) 的确定分别是轻质黏土砖、B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m）;是炉底外壳对周围空气的综合传热系数（W/ m）。要求出和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和B级硅藻土砖之间的界面温度680，炉底外壳温度60。l 求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN1.0）的平均导热率为： =0.499 W/ml 求B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬的平均导热率查教材附表3，可得B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的平均导热率分别为： =0.169 W/ml 求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为60，周围空气为20时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为： W/m3) 热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：4) 验算界面温度和炉底外壳温度l 轻质黏土砖和B级硅藻土砖之间的界面温度为：相对误差为，满足设计要求，不必重算。l 炉底外壳温度为：56.560因炉底外壳温度小于60，故炉底炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。五、 炉子外形尺寸的确定和砌体平均表面积的计算1. 炉子外形尺寸的确定1) 炉子外形长度炉子的外形长度为炉膛长度加上两倍炉墙厚度，其值为：2) 炉子外形宽度炉子的外形宽度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为：3) 炉子外形高度炉子的外形高度由以下五部分组成：炉膛高度、拱顶高度、炉顶厚度、炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。其中炉膛高度、炉顶厚度、炉底厚度已经求出。若炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径，则拱顶高度可由下式求出：综合以上五部分的高度，炉子外形高度为：2.砌体平均表面积的计算炉子砌体平均表面积的计算方法有两种：算术平均值和几何平均值。本设计采用几何平均计算法。此方法首先需要算出炉子内壁和外壁的面积。1) 炉顶平均表面积的确定炉顶内壁是弧面，内壁面积为：炉顶外壁是平面，外壁面积为：则炉顶平均面积为：2) 炉墙平均表面积的确定炉墙包括两侧墙和前、后墙。为简化计算，将炉门视作前墙，则炉墙平均面积为： =2.9873) 炉底平均表面积的确定炉底平均面积为： 六、 用热平衡计算法计算炉子功率热平衡计算法是根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则，来确定炉子功率的方法。1. 炉子的主要能量消耗项1) 加热工件所需要的热量由教材附表6查得，低合金钢在950和20时的比热容分别为：kJ/(kg)和0.486kJ/(kg)，热处理炉的生产率，则加热工件所需要的热量为; =35668.8kJ/h2) 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失包括炉顶、炉墙和炉底三部分，有： 3) 开启炉门的辐射热损失这部分热损失可由下式求得：式中黑体辐射系数； 炉门开启面积。炉子正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故； 遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为，它与炉墙厚度之比为，查教材图1-14曲线2得=0.45； 炉门开启率。设装、出料所需时间为每小时6分钟，则炉门开启率为0.1； 炉气的热力学温度，为950+273=1223K； 炉外空气的热力学温度，为20+273=293K，将上述数据代入公式中，得： 4) 开启炉门的溢气热损失对于一般的箱式电阻炉，炉门开启后要吸入冷空气。通常以加热吸入的冷空气所需要的热量作为该项热损失，即有：式中炉子吸入的冷空气量。对空气介质电阻炉，零压面一般位于炉膛高度的一半。由教材（58）式得： 20冷空气的密度，为1.29； 空气在（即20950）温度间的平均比热容。就本设计来说，是平均温度（950+20）/2=485的比热容。查附表10可知，空气在400、500的比热容分别为1.3302kJ/(m.)和1.3440 kJ/(m.)。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有： kJ/(m.) 炉门开启率为0.1。 溢气温度，近似为将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：5) 其它热损失此项热损失包括未考虑的各种热损失和一些不易精确计算的各种热损失。就箱式电阻炉来说，该项热损失可取以上各项热损失之和的10%20%。本设计取15%，该项热损失为：2. 炉子的理论输入功率根据热平衡计算法，在理论上炉子的输入功率应为上述各项能量消耗的总和，即： =35668.8+8671.3+1968+8872.8+8277=63457.9(kJ/h)3. 炉子的安装功率上面计算的炉子输入功率（即各项能量消耗总和）是维持炉子正常工作必不可少的热量支出。但在实际生产中还需考虑一些具体情况，如炉子长期使用后炉衬局部损坏会引起热损失增加，电压波动、电热组件老化会引起炉子功率下降，有时工艺制度变更要求提高炉子功率。这些具体情况要求炉子功率应有一定的储备，炉子的实际功率应比理论计算功率大，因此炉子的安装功率为：式中功率储备系数，对周期作业炉，。本设计可取1.5。将相关数据代入公式中，可得：取炉子的安装功率为30kW。七、 炉子热效率的计算1. 正常工作时的热效率由教材5-12式得，炉子正常工作时的热效率为：一般电阻炉的热效率在30%80%之间。本设计的炉子热效率在此范围内，设计合理。2. 保温时关闭炉门的热效率保温关闭炉门时，无辐射热损失和溢气热损失，此时炉子的热效率为：3. 炉子空载功率的计算炉子空载时，能量消耗项只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此时炉子的功率为：八、 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. 炉墙及炉顶蓄热由式（59）因为查附表3经计算得查附表3经计算得查附表3经计算得炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得2.炉底蓄热计算炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质黏土砖。由于近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等查附表3经计算得3.炉底板蓄热根据附表6查得950和20时高合金钢的比热容分别为和。经计算炉底板质量G=86.3kg，所以有由式（513）得空炉升温时间对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8h内均可，故本炉子设计符合要求。九、 功率的分配和接线方法炉子的安装功率为30kW。电热元件采用三相星形接法，也称“Y”接法。即将电热元件分为3组，每组10 kW，炉墙两侧各布置1组电热元件，炉底布置1组电热元件。十、 电热元件材料的选择和理论计算1. 电热元件材料的选择炉子的最高使用温度为950，可选用0Cr25Al5合金丝，绕制成螺旋管状作为电热元件。2. 炉膛950时电热元件的电阻率炉子正常使用时，电热元件的温度比炉膛温度高100200。当炉膛温度为950，电热元件的温度取1100。由教材附表12得，0Cr25Al合金20时的电阻率，电阻温度系数，则1100时电热元件的电阻率为：3. 确定电热元件