650℃ 90kgh的箱式电阻炉设计 课程设计报告

1、热处理设备课程设计 课程设计报告 报告题目：650 90kg/h 的箱式电阻炉设计 作者所在系部： 材 料 工 程 系 作者所在专业： 金 属 材 料 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011-10-20 热处理设备课程设计任务书 课题名称课题名称 650 90 kg/h 的箱式电阻炉设计 完成时间完成时间2011-10-20 指导教师指导教师 职称职称 高工、讲师高工、讲师 学生姓名学生姓名 班班 级级 总体设计要求和技术要点总体设计要求和技术要点 总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力，

2、了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、结构尺寸 设计计算、绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握设计热处理设 备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学生对工程技术问题 的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要点为：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：650、750、850、950、1100、1200（选一个温度） ； 4.生产率：60-120kg/h（分 7 份） ；5.生产特点：周期式成

3、批装料，长时间连续生产。 工作内容及时间进度安排工作内容及时间进度安排 1.热处理设备设计准备 0.5 天 2.箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、计算分配电阻炉加热功率 0.5 天 3.计算电热元件尺寸、进行结构设计 0.5 天 3.核算设备技术经济指标 0.5 天 4.绘制电阻炉总图、电热元件零件图 1.0 天 5.编写设计说明书、使用说明书 0.5 天 6.设计总结 0.5 天 7.答辨 1.0 天 课程设计成果课程设计成果 1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下： （1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a） 、对设计课题的

4、分 析；（b） 、设计计算过程；（c） 、炉子技术指标；（d） 、参考文献。 2、设计图纸：（1)电阻炉总图一张（a3） ，要求如下：（a） 、图面清晰，比例正确；（b） 、 尺寸及其标注方法正确；（c） 、视图、剖视图完整正确；（d） 、注出必要的技术条件。 （2）零件图 3 张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（a4） 。 3、使用说明书：电阻炉的技术规范及注意事项等。 内内 容容 摘摘 要要 650 90kg/h 的箱式电阻炉的设计。包括炉型的选择、选择炉体材料、 箱式电阻炉结构尺寸设计计算、计算分配电阻炉加热功率、计算电热元件尺 寸、核算设备技术经济指标、绘图（电阻炉总图一张，电热元件零

5、件图，炉 门图，炉衬图） 。 关键词：关键词： 箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指 标 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

6、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 3 参考文参考文献

7、献 前 言 本设计的目的 设计 650 90kg/h 的箱式电阻炉 本设计的技术要求 设计一台热处理电阻炉，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：650； （4）.生产率：90kg/h； （5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。 设计设计说明说明 2.1 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸 2.1.1 炉底面积的确定炉底面积的确定 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=90，按表 5-1 选

8、择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 p0为 120kg/(m2h)。故可求的炉底的有效面积 f1=p/p0=0.75 m2 由于有效面积与炉底总面积存在关系式 f/f0=0.780.85，取系数上限，得炉底实际 面积 f=f1/0.85=0.88m2 2.1.2 确定炉膛尺寸确定炉膛尺寸 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，因此，可求的： l=1.328 m5.0/f b=l/2=0.664 m 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 l=1.392 m b=0.680 m 按统计资料，炉膛高度 h 与宽度 b 之比 h/b 通常在 0.50.9 之间，根据炉子的工作

9、条件，取 h/b=0.7 左右。则 h=0.490 m 可以确定炉膛尺寸如下 l=(230+2)6=1392 mm b=(120+2)3 +(40+2)2+（113+2）2=680 mm h=(65+2)7+21=490 mm 确定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 空间，确定工作室有效尺寸为 l效=1200 mm b效=500 mm h效=350 mm f壁=2(lh)+(lb)+2(bh)+23.14b1/6l=3.97m2 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(kmh0.5)/(m1.81.55),空

10、炉升温时间假定为 升=4h，炉温 t=650。 所以 p安= 304-0.53.970.9（650/1000）1.55 =26.61 kw 暂取 p安=30kw 2.1.3 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 113mmqn1.0 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 113mmqn1.0 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 qn1.0 轻质粘土砖（673）mm50mm 的普通硅酸铝纤维毡 182mm

11、b 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门用 65mm qn1.0 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 crmnn 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砌体平均表面积计算 l外l+2(115+50+115)=1950 mm b外b+2(115+50+115)=1240 mm h外h+f+(115+80+115)+674+50+182 =1390 mm 式中：f拱顶高度，此炉子采用 60标准拱顶，取拱弧半径 rb，则 f

12、可由 fr（1cos30）求得。 2.2.1 炉顶平均面积炉顶平均面积 f顶内l1.392=0.991m2 r 6 680.014.32 f顶外b外l外1.724 m2 f顶均1.31 m2件件件件f f 2.2.2 炉墙平均面积炉墙平均面积 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2lh2bh2h（lb）20.490(1.392+0.680)=2.031 m2 f墙外2h外(l外b外)21.390(1.950+1.240)=8.868 m2 f墙均4.24 m2件件件件f f 2.2.3 炉底平均面积炉底平均面积 f底内bl0.6801.3920.947 m2 f底外

13、b外l外1.2401.950=2.418 m2 f底均1.51 m2件件件件f f 2.3 根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率 2.3.1 加热工件所需的热量加热工件所需的热量 q件 件 查表得，工件在 650及 20时比热容分别为 c件 21.051kj/(kg)，c件 10.486kj/(kg) q件p(c件 2t1c件 1t0)90(1.0516500.48620)60609 kj/h 2.3.2 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失 q散 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，将炉门也包 括在前墙内。 根据式 q散 n i ii i f s 1

14、1n1t-t 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2 墙540，t3 墙320， t4 墙60则 耐火层 s1的平均温度 ts1 均595，硅酸铝纤维层 s2的平均温度 ts2 均 2 540650 430，硅藻土砖层 s3的平均温度 ts3 均190，s1、s3层炉 2 320540 2 60320 衬的热导率由附表 3 得 10.29+0.25610-3ts1 均0.442w/(m) 30.131+0.2310-3ts3 均0.175w/(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430，得 20.

15、098w/(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 q墙 312 123 1 ga tt sss a 17.12 1 175.0 115.0 098.0 05.0 442.0 115.0 20650 417.3w/ m2 (2)验算交界面上的温度 t2 墙，t3 墙 t2 墙=t1q墙541.4 s 0.26% t tt 2 2 件 件件件 540 5404.541 5%，满足设计要求，不需重算。 t3 墙=t2 墙q墙328.2 s 2.6% t tt 3 3 件 件件件 320 3202.328 5%，满足设计要求，不需重算。

16、 (3)验算炉壳温度 t4 墙 t4 墙=t3 墙q墙54.070 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417.34.241769.4 w 同理可以求得 t2 顶=583.9, t3 顶=374.2, t4 顶=38.5, q顶256.9 w/ m2 t2 底=508.8, t3 底=356.7, t4 底=50.3, q底298.1 w/ m2 炉顶通过炉衬散热 q顶散q顶f顶均336.5 w 炉底通过炉衬散热 q底散q底f底均450.1 w 整个炉体散热损失 q散q墙散q顶散q底散2556 w 2.3.3 开启炉门的辐射热损失开启炉门的辐射

17、热损失 设装出料所需时间为每小时 6 分钟 q辐3.65.675ft（）4（）4 tg ta 因为 tg650273923k，ta20273293k， 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 fb0.6800.167 m2 h 2 490.0 炉门开启率 t0.1 由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与 b 之比为 0.36，炉门开启高度与炉墙厚度之比 h 为0.88，由图 114 第 1 条线查得 0.66，故 28.0 245.0 q辐3.65.675ft（）4（）4 tg ta 3.65.6750.1670.10.66（）4（）4 100 923 1617.7kj/h

18、 2.3.4 开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失由下式得 q 溢qvaaca(tgta) t 其中，qva1997b19970.6800.245=164.7m3/h h h 245.0 冷空气密度 a1.29kg/ m3,由附表 10 得 ca1.342kj/( m3),ta=20, tg为溢气温度，近 似认为 tgta(tg-ta) 20(650-20)=440 q溢qvaaca(tgta) t164.71.291.342(44020)0.111975.3 kj/h 2.3.5 其它热损失其它热损失 其它热损失约为上述热损失之和的 10%20%，故 q它0.13(q件+q散+q

19、辐+q溢)=9939.5 kj/h 2.3.6 热量总支出热量总支出 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=86397.5 kj/h 2.3.7 炉子安装功率炉子安装功率 p安 件kq 其中 k 为功率储备系数，本炉设计中 k 取 1.5，则 p安36.0kw 3600 86397.55.1 与标准炉子相比较，取炉子功率为 35kw。 2.4 炉子热效率计算 2.4.1 正常工作时的效率正常工作时的效率 =60609/86397.5 =70.2% 件 件 q q 2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率在保温阶段，关闭时的效率 83.2% )(溢辐总 件

20、qqq q 2.5 炉子空载功率计算 p空3.5 kw 件件qq 3600 9939.52556 2.6 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 炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 v 侧粘21.392(100.067+0.135)0.115=0.258m3 v 前后粘2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.115=0.239m3 v 顶粘0.97(1.392+0.276)0.115=0.186m3 v

21、侧纤2(1.392+0.115)(100.067+0.135)0.05=0.121m3 v 前后纤2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.05=0.104m3 v 顶纤1.071(1.392+0.276)0.08=0.143m3 v 侧硅2 (100.067+0.135)(1.392+0.115)0.115=0.279m3 v 前后硅21.240(150.067+0.135)0.115=0.325m3 v 顶珍 1.9501.2400.115=0.278 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（t1t2墙）/259

22、5.7 2 4.541650 查附表 3 得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3595.7=0.995 kj/(kg) t纤（t2 墙t3 墙）/2434.8 2 2.3284.415 查附表 3 得 c纤0.81+0.2810-3t纤0.81+0.2810-3434.8=0.932 kj/(kg) t硅（t3 墙t4 墙）/2191.1 2 0.542.328 查附表 3 得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2510-3191.1=0.888 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

23、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) 493808 kj/h 2.6.2 炉底蓄热计算炉底蓄热计算 v 底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042)0.113+(0.1130.120)21.392+ (1.240-0.1152)(1.950-0.115)0.065 0.225m3 v 底纤1.9501.2400.050.121m3v 底硅1.9501.2400.1820.440m3 由于 t 底粘（t1t2 底）/2(650+508.8)/2579.4 查附表 3 得 c 底粘0.84+0.2610-3t 底粘

24、0.991 kj/(kg) t 底纤（t2 底t3 底）/2(508.8+356.7)/2432.8 查附表 3 得 c 底纤0.81+0.2810-3t 底纤0.931 kj/(kg) t 底硅（t3 底t4 底）/2(356.7+50.3)/2203.5 查附表 3 得 c 底硅0.84+0.2510-3t 底硅0.891 kj/(kg) 所以得 q 底蓄0.2251.01030.991(579.4-20)+0.1210.251030.931(432.8-20)+ 0.4400.51030.891(203.5-20) 172327 kj/h 2.6.3 炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表 6

25、查得 650和 20时高合金钢的比热容分别为 c板 20.875kj/(kg)和 c 板 10.473kj/(kg)。经计算炉底板重量 g=180kg，所以有 q 板蓄g(c板 2t1- c板 1t0)=180(0.8756509.46)100672.2 kj/h q蓄q蓄 1q 底蓄q 板蓄766807 kj/h 空炉升温时间 升6.1h 件 件 p q 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 38 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 35kw 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成 y

26、、 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 1535kw/ m2 之间，常用为 2025 kw/ m2 之间。 f电2f电侧f电底21.3920.490+1.3920.680=2.31 m2 wp安/f电35/2. 3115.2kw/ m2 故符合设计要求。 2.8 电热元件材料选择及计算 由最高使用温度 650，选用线状 0cr25al15 合金电热元件，接线方式采用 y。 2.8.1 图表法图表法 由附表 15 查得 0cr25al1 电热元件 35kw 箱式炉 y 接线，直径 d4.8mm 时，其表 面负荷

27、为 1.56w/ cm2。每组元件长度 l组49.6m,总长度 l总148.8m,元件总重量 g总 19.1kg。 2.8.2 理论计算法理论计算法 1、求 650时电热元件的电阻率 t 当炉温为 650时，电热元件温度取 1100，由附表 12 查得 0cr25al5 在 20 时电阻率 201.40mm2/m，电阻温度系数 410-5-1,则 1100下的电热元件电阻 率为 t20(1+t)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m 2、确定电热元件表面功率 由图 53，根据本炉子电热元件工作条件取 w允1.6w/ cm2。 3、每组电热元件功率 由于采用 y 接法，即三相双星形接法，每组元件功率 p组35/n=35/311.7 kw 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