中温电阻炉设计

RX-18-9中温箱式电阻炉设计设计者：尹宏林一、箱式电阻炉的工作原理：是利用电流通过电热元件时所产生的热效应，采取热辐射和炉膛内气体对流作用的形式将热量传递到被加热的工件上，使工件加热。结构及特点：箱式电阻炉由炉体、测温系统和电控系统组成。二、基本技术条件：1）箱式电阻炉；2）额定功率18kw；3）最高工作温度950；4）炉外壁温度小于60；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，确定炉体外型尺寸；3）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）；4）选择和计算电热元件，确定其布置方法；5）写出技术规范三.炉体结构和尺寸确定1、炉体材料及结构炉胆材料：轻质粘土砖电阻丝是内置式，买入炉衬材料中，除了保证其有足够的耐热度外，以为要放加热工件，故还要保证其强度。炉衬材料： 耐火材料：轻质粘土砖 紧贴炉衬，包裹在其周围 保温材料：膨胀珍珠岩 炉外壳与保温材料之间 支撑材料：轻质粘土砖 下方炉体材料，保温层和炉壳之间为膨胀珍珠岩。必须江保温层支撑起来，故加支撑材料。炉外壳材料：3mm厚的钢板表 炉衬温度与炉衬厚度及结构炉温/耐火砖中间层隔热层材料厚度/mm材料厚度/mm材料厚度/mm 300-珍珠岩、蛭石粉150300650轻质粘土砖或耐火纤维90113-硅藻土砖、珍珠岩、蛭石岩棉100185650950密度4001000kg/m3的轻质粘土砖或耐火纤维90113有时加普通硅酸盐纤维4060硅藻土砖、珍珠岩、蛭石粉、耐火纤维1202001200密度4001000 kg/m3的轻质粘土砖或耐火纤维90113轻质砖或高铝纤维毡60硅藻土砖、珍珠岩、耐火纤维1852301350轻质高铝砖或轻质耐火纤维90113轻质砖或耐火纤维60硅藻土砖、珍珠岩、耐火纤维2352651600高铝砖90113泡沫氧化铝砖113耐火纤维2353002、炉衬尺寸因为功率及炉温一定，利用经验计算法计算出炉子的内表面积。根据其功率以及工作温度，计算其炉膛的内表面积，公式如下：P=c-0.5F0.9（t1000）1.55式中P炉子功率kw空炉升温时间h F炉膛内壁面积m2 t炉温 c系数（热损失较大的炉子取3035）要求设计的箱式电阻炉额定功率为为18kw，炉温为950，空炉损耗功率5已知p=18kw，空炉升温时间2h，炉温950，系数取3035算得F=考虑箱式电阻炉装出料方便，同时参考RX3-15-9中温电阻炉的尺寸（热处理手册；机械工业出版社，第三卷、热处理电阻炉，表3-5），取L/B=2 H/B=0.83 得L=600mm，B=300mm，H =250mm验证炉体结构设计的合理性由于炉子结构比较对称，故作统一数据处理。将炉门做为前墙处理，结构与其他部分的炉墙结构一样如下图： 根据公式 对于炉墙散热，先假设界面上的温度及炉壳温度， ，（设计要求70）， 耐火层均温：=(950+770)/2=860 保温层均温：=(770+60)/2=415轻质粘土砖热导率 = 770 =0.2692W/(m)膨胀珍珠岩热导率 = 415 =0.1313 W/(m)当炉壳温度为60时，室温为时，得=12.17 W/(m)1. 求热流 = =807.9 W/m22. 验算界面温度由得： = =793.9 = =3.15 满足要求。3. 验算炉壳温度由得： = =62.470满足设计要求。电热元件的选择及计算 由最高工作温度950，选用线状0Cr25Al5合金作为电热元件。采用380V电源，三相接法1. 求950的电热元件的电阻率当温度为950时，电热元件温度取1100，查1 P186附表12得0Cr25Al5在20时的电阻率 ，电子温度系数-1，则1100下电热元件的电阻率为： 2. 确定电热元件表面功率由1P62取3. 每组电热元件的功率由于采用三相电源4. 每组电热元件的端电压U组=380V5. 电热元件的直径 由1P63(5-24) 取d=2.14mm6. 每组电热元件的质量由1P64(5-25) 每组质量查1P186附表12得由1P64(5-26) 7.电热元件的总长度和总质量 电热元件总长度 电热元件总重量由式(5-28)得 8.校核电热元件表面负荷 ,结果满足设计要求。9.电热元件在炉膛内的布置 将电热元件分为14折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 布置电热元件的炉壁长度每相电热元件的波数波形线波距S=波形电阻丝的结构和安装以垂直悬挂式结构安装, 其安装经验尺寸见图1。图1 波形电阻丝的安装示意图1、波纹总高度: H = ( 150 300) mm2、波纹节距: S = ( 8 16) d3、上下两个波纹之间应相距( 40 80) mm, 以防短路。在理想条件下, 假设电热体与工件的受热面为两个相互平行的平面, 且其表面积相等( 因为无法事先得出电热体的表面积, 采用这种假定进行计算, 结果也不致引起太大的误差 4) , 中间没有任何屏蔽和热损失, 电热体辐射出的热量全部被工件表面吸收,此时电热体的表面负荷称为理想表面负荷。在中高温下, 炉内辐射换热是传热的主要形式, 对流换热可忽略不计。炉内电热体与工件组成一个封闭的辐射热交换系, 它们之间在单位时间内, 单位表面积的辐射差额热流即为理想表面负荷( 热流密度)式中: Q -辐射换热热流量( J/ s 即W) ; F- 辐射换热表面积( cm2) ; Wi 电热体的理想表面负荷(W/ cm2) ; T 1 电热体表面许可的绝对温度( K) ,T 1= t 1 + 273; T 2 被加热工件表面的绝对温度( K) , T 2 = t 2+ 273( t 2 可用炉温近似替代) ; Cn热交换体系的导出辐射系数 W/ ( m2 * K4 ) ;10- 4 -在Cn 中, 把m2 化成cm2 的因数, 而导出辐射系数Cn 为: 其中: C0- 绝对黑体的辐射系数, C0 = 5. 67W/m2*k4) , 常数;1 电热体的表面黑度( 在高温下) ; 2 工件的表面黑度( 在中高温下固体氧化皮的20.8, 且随温度变化不大) 。1、砌体拱顶的设计就中温炉而言, 砌体拱顶设计合理, 使用寿命可达5 万小时。一般拱顶破坏的形式有: 纵横向裂缝,拱顶下沉或掉砖, 拱顶端头与后墙脱开等。出现这些问题的主要原因是由于设计不当以及选择的砖型材料及砌体的膨胀间隙不合理。 炉膛高度为炉底宽度的0. 5 0. 8 倍。炉底面积经计算为1.91m2, 炉膛的有效体积V 为1.03m3。拱顶长度为炉膛长加上后墙的厚度, 为2.088m。采用错砌拱顶,拱顶厚度为230mm。拱顶平面示意图见下图。拱顶平面示意图 求得中间环拱圈数n1= 15 环; 拱顶每环砖数n2= 21. 72 块, 取为n = 22 块; 求得总楔度=240mm。选用T19砖20 块, 其楔度为200mm, T20砖2块, 其楔度为40mm。纵向一共22 条、15 个中间环,在22 条中有2 条( 编号7、17) 为调缝砖, 其中间环为T20砖15 块, 两端齐缝环为T30砖4 块。其余20 条中9 条( 编号1、3、5、9、11、13、15、19、21) 中间环为T19砖15 块、两端齐缝环为T29砖各一块; 其它11 条的中间环为T19砖15 砖, 两端齐缝环为T19砖各一块半。根据各种砖型的尺寸, 经校核, 各条砖型组成的拱顶长度一致, 所以经过校核, 拱顶! 周向上下弧线与砌体实体吻合, 其误差小于20mm, 完全可以用砖缝大小调节过来。2 关于膨胀间隙的探讨凡是受热膨胀的砌体, 原则上均应留出膨胀缝。拱顶在工作时受热膨胀, 拱顶鼓起; 工作完冷却时,拱顶下沉。这个变化幅度不能太大, 否则砖缝中的耐火泥因不能同步膨胀和收缩, 受剪应力切搓作用慢慢变成粉沫, 以至发展到砌体松动。若拱角砖稍有周向位移, 拱顶就有倒塌的危险。另外, 在拱顶的长度方向是属于受阻膨胀, 若不留间隙, 会使拱顶砖沿纵向凸起或开裂。权衡周向与纵向对拱顶寿命的影响, 周向膨胀的危害性远大于纵向。经计算, 长度方向的膨胀量为11. 5mm, 周向膨胀量为7. 3mm。因周向膨胀使径向向外伸长量为7mm。若拱角不动,就会引起拱顶向上面凸起, 这个凸起量不允许太大,否则砖缝会开裂。控制的方法可采用半受阻状态,即在拱角砖四边设有4 个死点, 砖与炉壳紧砌。而在2088mm 长度的其它地方, 砌体与炉壳之间夹一层15 20mm 厚的硅酸纤维板, 这样既能使拱角局部微量膨胀, 又不能全线外移。纵向膨胀间隙留10mm, 位置在后墙上端、拱顶末端的齐缝环中, 成弓字形沿弧周一条, 这样确保炉子的保温性。整个炉子后墙( 包括两侧拱角、后墙)与炉壳中间夹一层15mm 硅酸纤维板。3 几何关系1、波纹弯曲内半径: r = 0.25S 0.5d2、波纹的中心高:h = H - 2r - 2d = H - d- 0.5S3、 每一波纹单元的展开长度:l= 2h+ 2 ( r + 0.5d) = 2H - 2d+ 0. 57S4、.每组电热体的波纹数目: n = 1000L / l5、每组波纹体安装长度: L f= nS5 电热合金的物理性能常用Fe-Cr-Al 合金的物理性能及应用见表2, 通常为延长电热体寿命,电热体的工作温度小于其允许的最高使用温度。电热元件的固定波形线用耐热合金钩或陶瓷固定在炉墙上，如图所示：电热元件的连接：电热元件之间、电热元件与引出棒之间用焊接方法连接；引出棒与金属炉架之间用连接装置连接；引出棒与电缆间则通过接线板连接铁铬铝合金为单相铁基固溶体组织，焊接时会是晶粒粗大且不能用热处理方法使其细化，因此要求快速焊接以限制受热范围及其过程程度，一