热处理箱式电阻炉的设计_8301

1、辽宁 x x大学热工过程与设备课程设计题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率 150kg/h ，功率 39kw，工作温度 600）院（系）：X X专业班级：X X学号：X X学生：X X指导教师：X X起止时间：X X课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院教研室：材料教研室学号XX学生XX专业班级XX课程设计热处理箱式电阻炉的设计（论 文）生产率 150g/h ，功率 39kw，工作温度 600题目课一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。程设二、课设任务计设计任务：设计热处理箱式电阻炉，生产率150kg/h ，功率 39kw，工作温度（600。论文1、

2、炉型选择； 2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计； 4、计算）炉子功率； 5、炉子热效率计算； 6、炉子空载功率计算； 7、空炉升温时间计算要8、功率分配与接线； 9、电热元件材料选择与计算； 10、电热体元件图； 11、电求与阻炉装配图； 12、炉子技术指标； 13、参考文献。任务三、设计说明书要求设计说明书结构见设备设计模板 。工1设计方案确定， 1 天； 2确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算， 5 天； 3绘制电热元件图和电阻炉草图，书写作计整理打印设计说明书， 3 天； 4设计验收及答辩， 1 天。划指导教师评语及成成绩：指导教师签字：学生签字

3、：绩年月日目 录一、炉型的选择 . .2二、确定炉体结构和尺寸 .2三、砌体平均表面积设计 .4四、计算炉子功率 . .5五、炉子热效率计算 . .7六、炉子空载功率计算 .7七、空炉升温时间计算 .7八、功率分配与接线 . .9九、电热元件材料选择与计算 .9十、电热体元件图 . .11十一、电阻炉装配图 . .11十二、炉子技术指标 . . 11参考文献 .12设计任务：为某厂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退火，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；(2) 生产率： 150kg/ h ；(3) 工作温度：最高使用温度 6

4、00；(4) 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。 由于小批量生产， 品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定炉底面积的计算方法有两种。一种是根据一次装料量计算，另一种是根据炉底强度指标计算 1 。因工件的加热周期和装炉量不明确，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。已知生产率为 150kg/h ，按表 511 选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 p0 为 120kg/(m 2·h) ，故可求得炉底有效面积F=p/p0=15

5、0/120=1.25m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式 F/F 1=0.75 0.85 ，取系数上限 0.85 ，得到炉底实际面积：F=F/0.85= 1.25/0.85=1.47m2炉底长度和宽度的确定2对于热处理箱式电阻炉，设计时考虑装出料的方便，根据长度与宽度之比，取L/B=2:1 ，因此，可求得炉底宽度L=F / 0.5 =2.059mB=L 2=2.0592=1.030m为方便砌砖 L=2205mmB=1048mm3炉膛高度的确定根据统计的资料，炉膛高度（ H）对炉底宽度（ B）之比 H B 通常在 05209 之间，大多数在 0.8 左右，根据炉子工作条件，取 HB=0.7 左

6、右，选定炉膛高度 H=707mm。因此，确定炉膛尺寸如下长 L=(230+2) ×9+(230/2+2)=2205mm宽 B=(120+2) ×5+(50+2) ×4+(113+2) ×2=1048mm高 H=(65+2) ×10+37=707mm为防止工件与炉壁或电热元件搁砖相碰撞， 应使工件与炉膛壁之间有一定的空间， 在一般情况下，要保证炉料上部有 200300mm的空间，有利于辐射与对流传热，由此确定工作室有效尺寸为L 效 =2000mmB 效 =950mmH 效 =500mm砌体结构如图 1 所示：轻质粘土砖硅藻土砖重质粘土砖耐热钢图

7、1 砌体结构示意图4炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似， 采用相同炉衬结构，即两层：113mmQN 1.0 轻质粘土砖和 180mmB级硅藻土砖。炉底采用耐火层314mm，材料为 113mmQN1.0 轻质粘土砖 , 绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚 180mm。炉门用 65mmQN1.0 轻质粘土砖 +65mmA级硅藻土砖。炉底板材料选用 Cr-Mn-Ni 耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。炉底隔砖采用重质粘土砖2 。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图1 所示。L 外=L+2×(113+180)=2791mmB 外=B+2×(

8、113+180)=1634mmH外=H+f+(115+180)+ （ 65+2）×3+180=1523mm式中： f=R(1-cos30f 拱顶高度，此炉子采用°)=140mm求得。60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由1. 炉顶平均面积F 顶 =（2R/6）×L=2.42m2F 顶外 =B外 ×L 外=4.56m2F顶均 =F 顶内F 顶外=3.320m22. 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。2F 墙 =2LH+2BH=5.109mF 墙外 =2H外 （L 外+B 外 ）=13.479m2F 墙均 =F

9、 墙内F 墙外 =8.298m23. 炉底平均面积F 底 =B×L=2.311m22F 底外 =B外 ×L 外 =4.560mF 底均 =F 底内 F 底外 =3.246m2四、计算炉子功率1 据热平衡计算炉子功率(1) 加热工件所需的热量 Q件由附表 61 得，工件在 600及 20时比热容分别为C 件 2=0.741KJ/(kg ·) ，C件 1=0.486KJ(kg ·) ，根据Q件 =p(C 件 2t 1-C 件 l t 0)=150×(0.574×600-0.486 ×20)=50202.0KJ/h(2) 通过炉衬

10、的散热损失 Q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，将炉门包括在前墙 3 。根据式 (1 15) 2t 1tn 1nsii 1i F i对于炉墙散热，如图 594 所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度， 炉温度 t 1=600界面温度为 t 2=500炉壳温度 t 3 =60耐火层 S1 的平均温度 t 1均 =（600+500）/2=550 保温层 S2 的平均温度 t 2均 =（500+60）/2=280 炉衬的热导率由附表 31得 1=0.29+0.000256 ×t1 均 =0.29+0.000256 ×550=3.113W/(m

11、3;) 2=0.13+0.00023 ×ts3 均 =0.13+0.00023 ×280=0.1644W/(m·) 。当炉壳温度为 60，室温为 20时，由附表 21 经近似计算可得 =12.17W/(m2·)a) 求热流q 墙=（600-20 ）/ （S1/1 + S2/ 2 +1/ ）=（600-20 ）/ （0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17）2=682.4w/mb) 计算交界面上的温度t 2 墙 、t=tqs12墙1墙=600-682.4 ×（0.115/3.113 ）=574.8 验算界面温度（ t 2 墙

12、 t 2）/t 2 墙 =4.5%<5%该假设结果满足设计要求，不需要重算.c) 验算炉壳温度 t 3 墙t 3 墙=t 2q墙 s2=574.8-682.4 （ S2/ 2 ）=582该结果满足一般热处理电阻炉表面温度<60的要求。d). 计算炉墙散热损失Q墙散 = q 墙 ·F 墙均 =682.4×8.298=5662.6W同理可以求得Q顶散 = q 墙 ·F 顶均 =682.4×3.32=2265.6WQ底散 = q 墙 ·F 底均 =682.4×3.246=2215.1W整个炉体散热损失Q散 = Q 墙散 +Q顶散

13、 + Q 底散 =10143.3W=2819.8kj/h(3) 开启炉门的辐射热损失设装出料所需时间为每小时6 分钟，根据式 (5 6) 24Ta4Q辐 =3.6 ×5.675F tTg-100100因为 Tg=600+273=873K，Ta=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积 F=B×H0.6402=1.048 ×2=0.370 m2炉门开启率 t=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H 与 B 之比为 0.35/1.048=0.34，炉门高度与炉2墙厚度之比为 0.35/0.29=1.21，由图 1-14 4第一条线图

14、1-14 4 查得 =0.7 故Tg44-TaQ辐 =3.6 ×5.675F t=3034.0kJ/h100100（ 4）开启炉门溢气热损失溢气热损失 Q 溢=qva aCa（t g -t a） t其中qva=1997·B·HH =439.9m3/h22空气密度 a=1.29 kg/m333由附表 10得 Ca=1.358KJ/ （m·）t a=20 ，t g为溢气温度，t g=20+ 2 （600-20 ）=406.7 3Q溢=qva aCa（t g -t a） t=29800.1 KJ/h（ 5）其它热量损失其他热量损失越为上述热损失之和的 10 2

15、0故Q它 =0.12 （Q件 +Q散+Q辐 +Q溢 ）=10302.7KJ/h（ 6）热量总输出其中 Q辅=0，Q控 =0，Q总 =Q件+Q辅 +Q控 +Q散+Q损 +Q溢 +Q它 =96158.6KJ/h（ 7）炉子的安装功率KQ总P 安 =3600其中 K 为功率储备系数，本炉设计中K 取 1.4 ，则P 安=（1.4 ×112656）/3600=37.4kw为减少加热时间，与标准炉子相比较，取炉子功率为39kW。五、炉子热效率计算41正常工作时的效率由式 (5 12) 1 = Q件 =50202.0/96158.6=52.2 Q总2在保温阶段，关闭炉门时的效率 =Q件 /Q 总

16、 - （Q辐+Q溢 ）=79.3 六、炉子空载功率计算Q散+Q它P 空 =3.65kW七、空炉升温时间计算由于所设计的箱式电阻炉的耐火层结构相似，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5 ，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在。1. 炉墙及炉顶蓄热V侧粘=2×(2.205+2 ×0.115) ×0.115 ×（0.707+0.115 ） =0.451m3 V前粘·后=2×1.048 ×0.115 ×(0.707+0.115)=0.198m 3顶3V粘

17、=2. 205×1.048 ×0.115=0.266mV硅侧=2×2.205+2×(0.115+0.232) ×0.232 ×0.707+0（.115+0.232 ） =1.444m3V前硅·后=2×（ 1.048+0.115 ×2）× 0.232 ×0.（707+0.115+0.232 ）=0.625m3 V顶硅 =（2.205+2×0.115 ）× 0.232 ×1（.048+2 ×0.115 ）=0.722m3由式 (5 9) 因为 t 粘

18、=(t 1+t 2 墙 ) 2=(600+574.8)/2=587.4Q蓄 =V 粘 粘 C 粘(t粘-to)+V 硅 硅 C硅 (t硅 -t0)查附表33 得C粘 =0.84+0.26×10-3 t粘 =0.990kJ/(kg·)t 硅 =(t 2 墙+t 3 墙 )/2= （ 574.8+58）/2=316.4 查附表 33 得C硅 =0.84 十 0.25 ×10-3 t 硅=0.919kJ (kg ·)所以得Q蓄 1=（V侧粘+ V前粘·后+ V顶粘） 粘 C粘（ t 粘-t 0）+（V侧硅+ V前硅·后+ V顶硅 ） 硅 C

19、 硅 （t 硅 -t 0）= （ 0.451+0.198+0.266 ）×1000×0.990 ×(587.4-20) +（1.144+0.625+0.722 ）×500×0.919 ×(316.4-20)=853243.0kJ2. 炉底蓄热计算V底硅=0.018 ×2.205+2 ×（0.113+0.232 ） ×1.048+2 ×(0.113+0.232 ）=0.09m 3 V底粘=0.067 ×22.205+2 ×(0.113+0.232 ） ×1.048+2

20、 ×(0.232+0.113 ）=0.67m 3查附表 33 得C底粘 =0.84+0.25 ×10-3 t 底粘 =0.990kJ (kg ·)t 底硅=3973查附表3得C底硅 =0.84+0.25 ×10-3 t底 =0.919kJ/(kg·)所以得底Q =0.67 ×0.990 ×1000×567.4+0.09 ×0.919 ×500×296.4=388614.0kJ蓄3. 炉底板蓄热根据附表 61 查得 600和 20时高合金钢的比热容分别为：C 板 2=0.779kJ/(k

21、g ·)和 C 板 1=0.473kJ/(kg ·) 。经计算炉底板重量 G=119kg，所以有板Q蓄 =G(C板 2t 1-C 板 1 t 0)=54494.9kJ底板Q蓄=Q蓄 1+Q蓄 十 Q蓄 =853243+388614+54495=1296352kJ 由式 (5 13) 2 式得空炉升温时间 升=1296352/（ 3600×60）=6h对于一般周期作业炉升温时间在3-8 小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。由于蓄热是按稳态传导计算的，误差大，实际升温时间应该是4 小时左右。八、功率的分配与接线639kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y 接线。

22、供电电压为车间动力电网 380V。核算炉膛布置电热元件壁表面负荷，对于周期式作业炉，壁表面负击应在2之1535kwm间。F 电 =2F电侧 +F电底 =2×2.205 ×0.707+2.205 ×1.048=5.43m2 W=P 安/F 电 =37.4/5.43=6.9kW/m 22对于周期作业电阻炉，壁表面负击应在 1535kwm 之间，但本炉子的生产率很高，功率很小，导致壁表面负击很小，所以符合条件。九、电热元件材料选择及计算由最高使用温度600，选用线状 0Cr25Al5 合金作电热元件，接线方式采用Y。 71理论计算法(1) 求 600时电热元件的电阻率当

23、炉温为 600时，电热元件温度取700，由附表 123 查得 0Cr25Al5 在 20时电2-5-1，则 1000下的电热元件电阻率为阻率 20=1.40 ·mm/m，电阻温度系数 =4×10 t = 20(1+ t)=1.40 ×(1+4×10-5 ×700)=1.439 ·mm2/m(2) 确定电热元件表面功率4，根据本炉子电热元件工作条件取2。由图 53W =3.3W/cm允(3) 每组电热元件功率由于采用 Y 接法，即三相星形接法，每组元件功率P组=39/n=39/3=13kW(4) 每组电热元件端电压由于采用 Y 接法，车

24、间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端为每相电压U 组= 380=220V电压即为每相电压U组= 380=220V33(5) 电热元件直径由式 (5 24) 2 得线状电热元件直径d=34.3 3 P组2 /(U 组2 W实 ) =3.5mm取 d=4mm(6) 每组电热元件长度和重量由式 (5 25) 2 得每组电热元件长度L 组 =0.785 ×l0 -3 (U 组 2d2/P 组 t )=32.5m取 33m每组电热元件重量由式 (5 28) 2 得G组 =（ /4 ）d2L 组 m2式中， m=7.1g/cmG组 =（ /4 ）d2L 组 m=2.9kg(7) 电热元件

25、的总长度和总重量由式 (5 27) 2 得电热元件总长度L总 =3L 组 =3×33=99m电热元件总重量由式 (5 28) 2 得G总 =3G组 =3×2.9=8.7kg(8) 校核电热元件表面负荷W实 =P组/ dL 组 =3.1W/cm2W实 <W允，结果满足设计要求。(9) 电热元件在炉膛的布置按规定，h/d在 2 4 围满足设计要求，取3h=3d=3×4=12mm布置电热元件的炉壁长度L=L-50=2025-50=1975mm螺旋体圈数N =L/h =1975/12=165圈丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于700，螺旋节径D=(68)d ，取

26、D=6d=6×4=24mmL-3折 =ND=165×3.14 ×24×10 =12.4mL 组/L折 =33/12.4=3根据计算，选用 Y 方式接线，采用 d=4mm所用电热元件重量最小，成本最低。电热元件节距 h 在安装时适当调整，炉口部分增大功率。电热元件引出棒材料选用 1Crl8Ni9Ti ， =12mm， L=500mm电.热元件图如图 2、 3、 4 所示。十、电热体元件图见附图一十一、电阻炉装配图见附图二十二、电阻炉技术指标（标牌）额定功率： 39kw，额定电压： 380V;最高使用温度： 600，生产率 150kg/h;相数 3，接线方法

27、 Y;工作有效尺寸 2000mm×950mm×500mm，外形尺寸： 2791mm×1634mm×1523mm.参考文献1 人达 . 冶金炉热工手册 . ：冶金工业， 2002.2 编委会 . 热处理手册第三卷 . ：机械工业， 1992.3 吴德荣 . 工业炉及其节能 . ：机械工业， 1995.4 孝曾 . 热处理炉及车间设备 . ：机械， 1985.5 先咏 . 热处理车间设计 . ：华中理工大学， 1989.6 天民 . 热处理设计简明手册 . ：机械工业， 1999.7 臧尔寿 . 热处理车间设备与设计 . ：机械工业， 1989.附图一h=12mmD=24mmmd=4mm图 2 螺旋状电热体结构图 3 丝状电热体在炉墙上图 4 丝状电热体在炉底的安装附图二图5箱式炉结构图1 炉门2热电偶3炉壳4炉衬5 罩壳6炉底板7 加热元件8炉门升降机袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈 蚅蚄膈 膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄