热处理炉课程设计

1、热处理电阻炉设计一、设计任务（见教材80 页）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 P60 kg h ，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 p0120kg(m2h 。)因此，炉子的 炉底有效面积 （可以摆放工件的面积）F 可按下式计算：1F1P600.5m2p0120通常炉底有效面积和炉底总面积之比值

2、在0.75 0.85 之间选择。炉子小取小值；炉子大取大值。本设计取中值0.8 ，则炉底总面积 F 为，F F1 0.5 0.625m2 0.80 0.80（2） 确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比L 在 3/2 2 之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的B方便，本设计取L2 ，则炉子炉底长度和宽度分别为:BF0.625L1.118m;0.50.5L 1.118B0.559m22（3） 确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比H 在 0.5 0.9 之间选择，大炉子取小值，小炉子取大B值。本设计取中值0.7 ，则炉膛高度为：H 0.7B 0.7 0.559 0.391m2. 实际确定炉膛尺寸为方便砌筑

3、炉子， 需根据标准砖尺寸 （ 230×113×65mm），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：L(2302)51160mm1.16m；B(552)2(113 2)3(382) 2 57 2 115 3 40 2 539mm 0.539mH(652)6402mm0.402m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壁、 电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与

4、炉膛壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸。炉膛有效尺寸确定如下：L效950mmB效450mmH 效350mm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

5、的炉衬结构如图所示，耐火层是 113mm厚的轻质粘土砖（ QN0.8 ），保温层是 60mm厚、密度为 350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的 A 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：q95020S2S31S11231) S1,S2,S3 的确定S1 , S2 , S3 分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的 厚度（ m）。若考虑它们之间 2mm的

6、砌缝宽度，则 S1 , S2 , S3 的厚度为：S11132115mm ； S260mm ； S32302232mm 。2) 1, 2,3，的确定1, 2,3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和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1 ,2 ,3 和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t 2850，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度t 3620，炉墙外壳温度 t 455<60。如图所示。求轻质粘土砖的平均导热率查教材附表 3，可得轻质粘土砖（ QN0.8 ）的平

7、均导热率为：10.2940.21210 3 t p （ t p 为平均温度）10.2940.21210 3 (t1t 2 ) 0.2940.21210 3 (950850)22=0.485 W/m ·求硅酸盐耐火纤维毡的平均导热率硅酸盐耐火纤维毡的平均温度t2 t 3850620。根据教材附t p27352表 4 查得，密度为 350kg/m3 的普通硅酸盐耐火纤维毡 700、 1000的热导率分别为 0.121 W/m·和 0.122 W/m·。在 700 1000温度围，可近似认为其平均导热率与温度成 线性关系 。则有：0.1220.12120.1211000

8、700735700求硅藻土砖的平均导热率20.121 W/m·查教材附表 3，可得 A 级硅藻土砖的平均导热率为：30.1050.2310 3 t p30.1050.23 103 ( t3t 4 ) 0.105 0.23 10 3( 620 55)22=0.183 W/m ·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：11.81 W/m2·3) 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：q950201930445.8W m 20.1150

9、.060.2322.0860.4850.1210.18311.814) 验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2 为：t2t1 q S1950445.80.115844.3 10.485相对误差为 t 2 t2844.38500.67%5% ，满足设计要求，不必重算。t 2850硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t 2q S2844.3445.80.060623.2 ；20.121相对误差为 t 3t3623.26200.52%5% ，满足设计要求，不必重算。t 3620炉墙外壳温度为：t4 t 3 qS623.2 445.80.

10、23258 60；330.183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厚的轻质粘土砖 （QN0.8 ），保温层是厚度 60mm、密度 350kg/m3 的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶壁温度 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：q95020S1S2S311231) S1,S2,S3 的确定S1 , S2 , S3 分别是轻质粘土砖（ QN0.8 ）、

11、普通硅酸盐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 S1 , S2 , S3 的厚度为：S1115mm ； S260mm ； S3115mm 。2)1,2,3,的确定1 ,2 ,3 分别是轻质粘土砖、硅酸盐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1 ,2 ,3和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2860，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度t 3580，炉顶外壳温度 t 455<60。1 的确定2 的确定3 的确定的确定3)

12、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：q950201930502.2W m20.1150.060.1151.8520.4860.1210.11013.524) 验算界面温度和炉顶外壳温度轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2 为：t2t1 q S1950502.20.115831.0 10.486相对误差为 t 2 t2831.08603.4%5% ，满足设计要求，不必重算。t 2860硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t 2q S2831.0 502.20.060582 ；20.121相对误差为 t 3t 35825800.32%5%，满足

13、设计要求，不必重算。t3580炉顶外壳温度为：t4 t 3 qS582 502.20.11557 60；330.110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设炉底 的炉 衬结 构为 ，耐火 层是 （ 65+2） ×3=201mm厚的轻 质粘土砖（ QN0.8 ），保温层是厚度 80mm、密度 350kg/m3 的普通硅酸盐耐火纤维毡和（ 113+2）+（65+2）×2=249mm厚的 A 级硅藻土砖。在炉底壁温度 950、炉壳周围空气温度20的

14、稳定导热条件下， 通过炉底向周围空气散热的热流密度为：q95020S1S2S311231) S1,S2,S3 的确定S1 , S2 , S3 分别是轻质粘土砖（ QN0.8 ）、普通硅酸盐耐火纤维毡和 A 级硅藻土砖的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则 S1 , S2 , S3 的厚度为：S1201mm ； S2 80mm ； S3 249mm 。2) 1,2, 3,的确定1 , 2 , 3 分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A 级硅藻土砖的平均热导率（W/m）;是炉底外壳对周围空气的综合传热系数 （W/m· ）。要求出,·123和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。

15、设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2810，硅酸盐耐火纤维毡和A 级硅藻土砖之间的界面温度t 3560，炉底外壳温度 t 455<60。1 的确定2 的确定3 的确定的确定3) 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：q95020358.5W m20.2010.080.24910.4810.1190.1789.554) 验算界面温度和炉底外壳温度轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t 2 为：t2t1 q S1950358.50.201800.110.481相对误差为 t 2 t2800.18101.2%5% ，满足设计要求，不必重算。t

16、2810硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t 2q S2800.1358.50.08559.2 ；20.119相对误差为 t 3t 3559.25600.1%5% ，满足设计要求，不必重算。t 3560炉底外壳温度为：t4 t 3 qS559.2 358.50.24957.7 60；330.178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：L外11602(11

17、560232)1974mm1.974m2) 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：B外5392(11560232)1353mm1.353m3) 炉子外形高度炉子的外形高度由以下五部分组成（图5-8 右图）：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R B ，则拱顶高度可由下式求出：fR(1cos30 ） 539 （1cos30 )72mm ;为方便砌筑，预留安装电热组件所需的高度及炉底板厚度可取65+2=67mm。综合以上五部分的高度，炉子外

18、形高度为：H 外40272 （11560115）（20180249） 671361mm1.361m ;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壁和外壁的面积。1) 炉顶平均表面积的确定炉顶壁是弧面，壁面积为：6023.14 0.539 1.160 0.654m2F2 R L；顶内6360炉顶外壁是平面，外壁面积为：F顶外L外B外1.9741.3532.67m2则炉顶平均面积为：F顶均F顶内F顶外0.6542.67 1.32m22) 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

19、前墙，则炉墙平均面积为：F墙均F墙内F墙外2H (LB)2H外 (L外B外）20.402 (1.1600.539)2 1.361 （1.9741.353）=3.52 m23) 炉底平均表面积的确定炉底平均面积为：F低均F低内F低外(BL)(B外L外 )0.5391.1601.3531.9741.29m2六、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：C9500.636 kJ/(kg· ) 和 C 200.48

20、6kJ/(kg· ) ， 热 处 理 炉 的 生 产 率P 60 kg h ，则加热工件所需要的热量为 ;Q件 P(C950 950 C20 20) 60 (0.636 950 0.486 20)=35669kg/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：Q散Q顶Q墙Q底q顶F顶均q墙F墙均q底F底均502.21.32445.83.52358.51.292694.59W9700.52kJ / h3) 开启炉门的辐射热损失这部分热损失可由下式求得：44TgTaQ辐3.6C 0 Ft100100式中 C0 黑体辐射系数；F 炉门开启面积。炉子正常工作时，

21、炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 F BH0.5390.4020.217m2 ；22遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形， 开启高度为 H0.4020.201m ，0.20122它与炉墙厚度之比为0.5，查教材图 1-14 曲线 10.1150.060.232得 =0.56 ；t 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 ；Tg 炉气的热力学温度，为950+273=1223K；a炉外空气的热力学温度，为20+273=293K，T将上述数据代入公式中，得：44Q辐 3.6 5.675 0.217 0.5612232930.15535.82kJ / h1001004) 开启

22、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：Q溢qvaa Cat (TgTa )式中 qva 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：qvaHH0.4020.402m3/h1997 B1997 0.539297222a 20冷空气的密度，为1.29 kg / m3 ；C a 空气在 Ta Tg （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/

23、( m3. ) 和 1.3440 kJ/ ( m3. ) 。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有：1.33401.3302Ca1.33021.342 kJ/ ( m3. )500400485Ca400t 炉门开启率。 0.1 。2Ta )Ta220 640 。Tg 溢气温度，近似为 （Tg(950 20)33将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：Q溢 97 1.29 1.3420.1 （640 - 20） 10411.32 kJ h5) 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

24、%。本设计取15%，该项热损失为：Q其它0.15 QQQQ溢)（ 件散辐0.15 （35668.89700.525535.82 10411.32）9197.47 kJ h2. 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：Q总Q件Q散Q辐Q溢Q其它=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(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

25、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：P安KQ总3600式中 K 功率储备系数，对周期作业炉，K1.3 1.5 。本设计可取 1.4 。将相关数据代入公式中，可得：1.470513.93P安27.42kW3600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：Q件35668.850.6%100%100%Q总70513.93一般电阻炉的热效率在30% 80%之间。本设计的炉子热效率在此围，设计合理

26、。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：Q件100%35668 .8100%65.2%Q总(Q辐70513 .93 5535.82Q溢 )10411.323. 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：Q散Q其它9700.52 9197.47P空5.23kW36003600八、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（如图所示）。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。九、校核炉

27、膛壁表面负荷（选做）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 合金丝材，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100 200。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201.40mm2 / m ，电阻温度系数41051，则1100时电热元件的电阻率为：110020 (1t ) 1.40(1 4 1051100)1.46mm2/ m3. 确定电热元件的允许表面负荷由教材图 5-3 （ a），根据设计

28、的炉子的工作条件，取电热元件的允许表面负荷 W允 1.6W / cm2 。4. 每组电热元件的功率和端电压由于采用三相星形即“ Y”接法，电热元件可分为三组。每组电热元件的功率为：P3010kW 。组3采用“ Y”接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件的端电压为，U 组380220V35. 电热元件的丝材直径电热元件的丝材直径可由教材 5-24式确定，d 34.33P22110034.3310221.464.24mm ；组U 组W允2201.6取丝材直径 d 4.5mm0.45cm 。6. 电热元件的长度和重量1. 每组电热元件的长度由教材 5-25 式确定为：L组 0.785 1

29、03 U组2 d 23 22024.5P组0.785 101052.7m 5270mm11001.462. 每组电热元件的重量由教材 5-26 式确定为：G组d 2 L组M4.5252707.1 10 35.95kg443. 电热元件的总长度和总重量为：L总3L组352.7158.1mG总3G组35.9517.85kg7. 校核电热元件的实际表面负荷P由 P组W实dL组W实组，电热元件的实际表面负荷为：dL组W实101032W允 1.6W cm20.451.34W cm3.145270满足设计要求。8. 电热元件在炉膛中的布置将 3 组电热元件每组分为6 折，布置于炉膛的两边侧墙和炉底，每折电

30、热元件的长度为：L组52.7L折8.78m66电热元件应该距离前、后墙各25mm，布置电热元件的炉壁长度为：L L 50 1110mm 1.11m9. 螺旋状电热元件的两个参数螺旋状电热元件的温度为1100时，由教材表5-5 得螺旋节径 D 在（ 4 6） d 的围选取。本设计选取的螺旋节径为：D6d64.527mm而每折电热元件螺旋体的圈数为：L折 8.78103圈N27104DL1110则螺距为： h10.67mm。N104h10.67本设计中，螺距和电热元件丝材直径的比值为：。此值在d2.374.52 4 的围满足设计要求。10. 注意两个问题1）炉门口附近热量损失较大，可适当减小该处电热元件的螺距，以增大功率。2） 电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，棒材直径10mm，长度400mm。十一、炉子技术指标额定功率： 30kW额定电压： 380V最高使用温度： 950生产率： 60kg/h相数： 3接线方法： Y炉膛有效尺寸： 950×450×350mm炉子外形尺寸：