60KW中温箱式炉设计

1、佳木斯大学热处理设备设计说明书 热处理设备设计 说明书 设计题目60kw 中温箱式电阻炉设计 学 院材料科学与工程 年 级2009 级 专 业 金属材料工程 学生姓名刘岩 学 号0907024107 指导教师武淑艳 教授 佳木斯大学 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、意义.1 1.1.1 本设计的目的.1 1.1.2 本设计的意义.1 1.2 本设计的技术要求.1 1.2.1 技术要求.1 1.3 热处理炉的发展现状.2 1.3.1 国外热处理行业的能源利用情况.2 1.4 我国热处理行业存在的问题.2 2 设计说明设计说明.3 2.1

2、炉型选择.3 2.2 确定炉体结构和尺寸.3 2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸 l*b*h.3 2.2.2 确定工作室有效尺寸 l效 b效 h效.3 2.2.3 炉衬材料及厚度的确定.3 2.2.4 砌体平均表面积计算.4 2.2.5 炉顶平均面积.4 2.2.6 炉墙平均面积.4 2.2.7 炉底平均面积.4 2.3 计算炉体的热散失.5 2.3.1 求热流量.5 2.3.2 验算交界面上的温度 t2 墙 t3 墙.5 2.3.3 验算炉壳温度 t4 墙.6 2.4 计算炉墙散热损失 q墙散.6 2.4.1 计算炉墙散热损失.6 2.4.2 开启炉门的辐射热损失 q辐

3、.6 2.4.3 开启炉门溢气热损失 q溢.7 2.4.4 其它热损失 q它.7 2.4.5 工件吸收的热量.7 2.5 炉 子 生 产 率 的 计 算.7 2.5.1 炉 子 生 产 率计算.7 2.5.2 正常工作时的效率.7 2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率.7 佳木斯大学热处理设备设计说明书 2.6 炉子空载功率计算.8 2.7 空炉升温时间计算.8 2.7.1 炉墙及炉顶蓄热.8 2.7.2 炉底蓄热计算.8 2.7.3 炉底板蓄热.9 2.8 功率的分配与接线.9 2.9 电热元件材料选择及计算.10 2.9.1 求 950时电热元件的电阻率 pt.10 2.9.2 确定电热元

4、件表面功率.10 2.9.3 每组电热元件功率.10 2.9.4 每组电热元件端电压.10 2.9.5 电热元件直径.10 2.9.6 每组电热元件长度和重量.10 2.9.7 电热元件的总长度和总重量.10 2.9.8 校核电热元件表面负荷.11 2.9.9 电热元件在炉膛内的布置.11 2.10 炉子技术指标.11 3 3 附录附录.12 3.1 装配图.12 3.2 电阻丝.13 3.3 电阻丝接线示意图.14 4 参参 考考 文文 献献.15 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 1 1 前前 言言 1.1 本设计的目的、意义本设计的目的、意义 1.1.1 本设计的目的本设计的目的 设计一台

5、电阻加热炉，额定功率为 60kw，使其加热温度在 650- 1000之间，周期式成批装料，长时间连续生产。 用于中碳钢，低合金钢 毛坯或零件的淬火，正火及调质处理，处理对象为中小型零件，无定型产品， 处理批量为多品种，小批量。 1.1.2 本设计的意义本设计的意义 通过本次热处理炉设计，了解中温热处理炉的基本结构，掌握热处理炉 设计的基本方法，熟悉热处理炉在工厂中的实际应用以及进一步熟练工程制 图的方法，为以后的工厂实际奠定基础。 1.2 本设计的技术要求本设计的技术要求 1.2.11.2.1 技术要求技术要求 1 用途：中碳钢，低合金钢毛坯或零件的淬火，正火及调质处理，处理对 象为中小型零件

6、，无定型产品，处理批量为多品种，小批量。 2 额定功率：60kw 3 工作温度：中温（650-1000） 4 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 1.3 热处理炉的发展现状热处理炉的发展现状 1.3.1 国外热处理行业的能源利用情况 在国外推出的热处理节能措施中，主要考虑的就是改进设备和革新工艺 的技术措施，主要措施有以下几个方面： 1. 加强合理利用热能的理论研究和实际应用。 2. 采用直接控制炉内气氛碳势、氮势、氧势的传感器和执行机构，可以 获得一定的节能效果。 3. 采用新型的保温材料，可减少 20%以上的热损失。 4. 采用直接加热工件的方法，可

7、减少蓄热损失和辐射损失，也可有效的 节约能源。 5. 改进料盘、夹具的结构，减轻耐热钢构件的重量，增加强度，减少料 盘夹具的无效加热损失。 1.4 我国热处理行业存在的问题我国热处理行业存在的问题 由于我国工业起步较晚，现行的热处理装备水平普遍落后，主要有以下 几个方面： 1. 设备负荷率低，装炉量不足。 2. 设备的利用率低。 3. 加热设备落后。 4. 无效热消耗多。 5.工艺落后。目前，我国的热处理工艺普遍落后，过于保守。 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 2 设计说明 2.1 炉型选择炉型选择 根据设计任务给出的生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。 2.2 确定炉体结构和

8、尺寸确定炉体结构和尺寸 2.2.1 根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸 l*b*h 经验公式： p安=ct升 0.5f0.9（t/1000）1.55 由于炉门为开启式，故散热量较大，取 c=30(kw*h0.5)/(m1.8*1.55), 空炉升温时间假定为 4h，炉温为 t=900，故 60=30*4- 0.5*f0.9*（900/1000）1.55 计算得 f=5.595m2 根据炉膛面积计算公式 f=2*b*h+2*l*h+b*l+2*b*l*（60o/360o） (1) 根据经验一般有 l=2b h=0.7b (2) 根据(1)(2

9、)式计算得 l=1.642m b=0.821m h=0.575m 根据标准热处理炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm） 及在各方向上砖缝不能重合，以保持其强度，必须用半块砖， 故取 l=1.509m b=0.747m h=0.573m 考虑每块砖之间的缝隙 2mm,确定最后尺寸 l=(230+2)*6+(230*0.5+2)=1509mm b=(120+2)*3+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=747mm h=(65+2)*8+37=573mm 2.2.22.2.2 确定工作室有效尺寸 确定工作室有效尺寸 l l效 效 b b效效 h h效效 为避免工件与炉内壁或电

10、热元件砖相碰撞，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 l效=1220mm b效=630mm h效 =400mm 2.2.32.2.3 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 轻质黏土转+50mm 密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +113mmb 级硅藻土砖。 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 炉顶采用 113mmqn-1.0 轻质黏土砖+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 轻质黏土砖（67*3）mm+50

11、mm 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 轻质黏土砖+80mm 密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤 维毡+65mma 级硅藻土砖。 炉底隔砖采用重质黏土砖，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。 2.2.42.2.4 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)=1973+115+50+115+230=2129mm b外=b+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115

12、)=1367mm h外=h+f+(115+80+115)+67*4+50+182=1499 式中： f-拱顶高度，此炉采用 60o标准拱顶，取拱弧半径 r=b，则 f 可由 f=r(1-cos30o)求得。 2.2.52.2.5 炉顶平均面积炉顶平均面积 f顶内=2r/6*l=2*3.14*0.747*1.509/6=1.180m2 f顶外=b外*l外=2.129*1.367=2.910 m2 f顶均=f顶内* f顶外=1.180*2.910=1.853 m2 2.2.62.2.6 炉墙平均面积炉墙平均面积 炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙。 f墙内=2lh+2bh=2

13、h（l+b）=2*0.571（1.509+0.747） =2.585m2 f墙外=2h外（l外+b外）=2*1.499（2.129+1.367） =10.481 m2 f墙均=f墙内* f墙外=2.585*10.481=5.205 m2 2.2.72.2.7 炉底平均面积炉底平均面积 f底内=b*l=0.747*1.509=1.127 m2 f底外= b外*l外=2.129*1.367=2.910 m2 f底均=f底内f底外=1.127*2.910=1.810m2 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 2.32.3 计算炉体的热散失计算炉体的热散失 由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理

14、，为简化计算， 将炉门包括在前墙内。 根据公式 q散=t1-tn+1/si/入 ifi 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙=800，t3墙 =450，t4墙=65则 耐火层 s1的平均温度 ts1均=（900+800）/2=850 硅酸铝纤维层 s2的平均温度 ts2 均=（800+450）/2=625 硅酸土砖层 s3的平均温度 ts3 均=（450+65）/2=257.5 s2 s3 层炉衬的热导率由附表 3 查得 1=0.29+0.256*10-3ts1 均 =0.294+0.212*10-3*850=0.474w/（m） 3=0.131+0.23*10-3ts3 均=

15、0.131+0.23*10-3*257.5=0.190 w/（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呈线形关系 由 ts2 均=625 得 2=0.318 w/（m） 当炉壳温度为 65 室温为 20 由附表 2 经近似计算得 a=12.50 w/（m） 2.3.1 求热流量求热流量 q墙=（tg-ta）/（s1/1+s2/2+s3/3+1/a） =543.7w/ 2.3.2 验算交界面上的温度验算交界面上的温度 t t2 2 墙 墙 t t3 3 墙墙 t2 墙 =t1-q墙*（s1/1 ）=900-543.7*（0.115/0.0.

16、474）=768.1 = （t2 墙 - t2墙 ）/ t2墙 =（768.1-800）/800=3.98% 5% 满足设计要求 不需要重算。 t3 墙 = t2 墙 -q墙*（s2/2） =768.1-543.7*（0.080/0.138）=452.9 = （t3 墙- t3墙 ）/ t3墙 =（452.9-450）/450=0.64% 5% 满足设计要求 不需要重算。 2.3.3 验算炉壳温度验算炉壳温度 t t4 4 墙 墙 t4墙= = t3 墙-q墙*（s3/3）=452.9-543.7*（0.115/0.190）=61 70 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 满足一般热处理电阻炉表面

17、升温小于 70的要求。 2.4 计算炉墙散热损失计算炉墙散热损失 q q墙散 墙散 2.4.12.4.1 计算炉墙散热损失计算炉墙散热损失 q墙散=q墙*f墙均 =543.7*5.205=2829.9 w 同理可以求得 t2 顶=844.3 t3 顶=562.6 t4 顶=53 q顶=485.4 w/ t2 底=782.2 t3 底=568.5 t4 底=53.7 q底=572.2 w/ 炉顶通过炉衬散热 q顶散= q顶*f顶均=485.4*1.853=768.3 w 炉底通过炉衬散热 q底散= q底*f底均=572.2*1.810=1035.6 w 则整个炉体散热损失 （其中 1w=3.6

18、kj/h） q散= q墙散+q底散+q顶散 =4651.8w =16746.7kj/h 2.4.2 开启炉门的辐射热损失开启炉门的辐射热损失 q q辐 辐 设装出料所需时间为每小时 6 分钟 q辐=3.6*5.765ft（tg/100）4-（ta/100）4 tg=900+273=1173k 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*（h/2）=0.747*0.573/2=0.214m2 炉门开启率 t=6/60=0.1 由于炉门开启后，辐射口为矩形，且 h/2 与 b 之比为 0.573/2*0.978=0.38， 炉门开启高度与炉墙

19、厚度之比为 0.286/0.31=0.92，由图 1-14 第一条线查得 =0.7 故 q辐=5.675*3.6ft（tg/100）4-（ta/100）4 =5.675*3.6*0.214*0.1*0.7*（18931.8-73.7） =5771.3kj/h 2.4.3 开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 q q溢 溢 q溢=qvaaca（tg-ta）t 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 近似认为 qva=1997b*h/2=1997*0.747*0.286*0.286=228.8m3/h 冷空气密度 a=1.29/ 有附表得 ca=1.342 kj/（） ta =20 tg为溢气温度，近似认

20、为 tg= ta +2/3（tg - ta）=20+2/3（900-20）=607 q溢=qvaaca（tg-ta）t=228.8*1.29*1.342*（607-20）*0.1 =23250.7 kj/h 2.4.42.4.4 其它热损失 其它热损失 q q它 它 一般其它热损失为上述热损失的 10%20% 则 q它=0.13（q件+ q散+ q辐+ q溢） =0.13（q件+16746.7+5771.3+23250.7） =0.13q件+5949.93 kj/h 2.4.5 工件吸收的热量工件吸收的热量 因为炉子安装功率为 60kw，又 p安=kq总/3600 其中 k 为功率储备系数，

21、本炉子设计中取 k=1.4 则 p安=1.4q总/3600=60kw q总=60*3600/1.4=154285.7 kj/h 得 q件=127220.27 kj/h q它=22488.56 kj/h 2.5 炉炉 子子 生生 产产 率率 的的 计计 算算 2.5.1 炉炉 子子 生生 产产 率计算率计算 低合金钢工件在 650 和 20 的比热容为 c件 2=0.770 kj/（） c件 1=0.486 kj/（） 由 q件=p （c件 2 t1- c件 1 t0）得 p=q件/（ c件 2 t1- c件 1 t0）=127220.27/（0.77*650-0.486*20） =259.22

22、 kg/h 2.5.22.5.2 正常工作时的效率正常工作时的效率 = q件/ q总= 82.45% 2.5.3 保温阶段关闭炉门时的效率保温阶段关闭炉门时的效率 = q件/ q总-q辐-q溢=87.02% 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 2.62.6 炉子空载功率计算炉子空载功率计算 p 空= q散+ q它/3600=（16746.7+22488.56）/3600=11kw 2.72.7 空炉升温时间计算空炉升温时间计算 由于所设计的炉子的耐火层相似，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

23、算在内。 2.7.12.7.1 炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 v粘侧=2*1.509*（12*0.067+0.135）*0.115=0.324m3 v 粘前后=2*（0.747+0.115*2）*（16*0.067+0.135）*0.115=0.271 m3 v粘顶=0.97*（1.509+0.276）*0.115=0.199 m3 v纤侧=2*（1.509+0.115）*（12*0.067+0.135）*0.080=0.243 m3 v纤前后=2*（0.747+0.115*2）*（16*0.067+0.135）*0.080=0.188 m3 v纤顶=1.071*（1.509+0.276）*0

24、.08=0.153 m3 v硅侧=2*（12*0.067+0.135）*（1.509+0.115）*0.115=0.351 m3 v硅前后=2*1.367*（16*0.067+0.135）*0.115=0.379 m3 v硅顶=2.129*1.367*0.115=0.335 m3 由式 q蓄=v粘p粘c粘（t粘-t0）+v纤p纤c纤（t纤-t0）+v硅p硅c硅（t硅-t0） 其中 t粘=（t1+t2 墙）/2=（900+768.1.6）/2=834.1 t纤=（t2 墙+t3 墙）/2=（768.1+452.9）/2=619.5 t硅=（t3 墙+t4 墙）/2=（452.9+61）/2=25

25、6.9 查附表 3 得 c粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.506 kj/（） c纤=0.81+0.28*10-3 t纤=0.98kj/（） c硅=0.84+0.25*10-3 t硅=0.90 kj/（） 所以得 q蓄 1= （v粘侧+ v粘前后+ v粘顶）p粘c粘（t粘-t0）+( v纤侧+ v纤前后+ v纤顶) p纤c纤（t纤-t0）+( v硅侧+ v硅前后+ v硅顶) p硅c硅 （t硅-t0） =546074+85776+124887=756737kj 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 2.7.22.7.2 炉底蓄热计算炉底蓄热计算 v粘底=4*（0.02*0.12+0.133*

26、0.065）+（0.04*2+0.065） *0.113+（0.113*0.12）*2*1.509+（1.367-0.113*2） *（2.129-0.113）*0.065 = 1.365 m3 v纤底=2.129*1.367*0.05=0.145 m3 v硅底=2.129*1.367*0.180=0.523 m3 由于 t粘=（t1+t2 底）/2=（900+782.2）/2=841.1 t纤=（t2 底+t3 底）/2=（788.2+568.5）/2=675.4 t硅=（t3 底+t4 底）/2=（568.5+53.7）/2=311.1 查表得 c粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1

27、.07kj/（） c纤=0.81+0.28*10-3 t纤=1.00 kj/（） c硅=0.84+0.25*10-3 t硅0.918 kj/（） 所以得 q蓄底=v粘底粘c粘（t粘-t0）+v纤底纤c纤（t纤-t0）+v硅底硅c 硅（t硅-t0） =559378.25kj 2.7.32.7.3 炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表 6 查得 900和 20时高合金钢的比热容分 别为 0.670 和 0.473，经计算炉底板重量为 242kg，所以有 q蓄板=g（c板 2t1-c板 1t0）=242(603-9.46)=143636.68kj 得 q蓄= q蓄 1+q蓄底+q蓄板 =1459752.5

28、3kj 得升温时间 升=q蓄/3600p安=6.7h 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。 2.82.8 功率的分配与接线功率的分配与接线 60kw 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成 y、或 yy、接线。供 电电压为车间动力电网 380v。 核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期作业炉，内壁表面负荷 佳木斯大学本科毕业设计（论文） 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*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71 m2 w= p安/f电=105/4.71=22.29kw/

29、 表面负荷在常用的范围 20-25 kw/m2之内，故符合设计要求。 2.9 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 900，选用线状 0cr25al5 合金电热元件。接线方式采用 yy。 理论计算 2.9.12.9.1 求 求 950950时电热元件的电阻率时电热元件的电阻率 p pt t 当炉温为 950时，电热元件温度取 1100，由附表 12 查得 0cr25al5 在 20时电阻率 p20=1.40mm2/m,电阻温度系数 a=4*10-5-1，则 1100下 的电热元件电阻率为 pt= p20（1+at）=1.46mm2/m 2.9.22.9.2 确定电热元件

30、表面功率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系数取 w允=3.6w/2 2.9.32.9.3 每组电热元件功率每组电热元件功率 由于接线方式采用 yy，每组元件功率 p组=60/n=60/（3*2）=10kw 2.9.42.9.4 每组电热元件端电压每组电热元件端电压 由于接线方式采用 yy，供电电压为车间动力电网 380v，故每组电热元 件端电压既为每组电压 u组=380/3=220v 2.9.52.9.5 电热元件直径电热元件直径 由公式得 d=34.3p2组t/（u2组w允） 3=4.2 取 d=4.5mm 2.9.62.9.6 每组电热元件长度和重量每组电热元件长度和重量 l组=0.785*10-3（u2组d2）/（p组t）=52.7m g组= *d2l组m/4 式中 m由附表 12 查得 m =