热处理设备课程设计任务书设计950℃120kgh的箱式电阻炉设计

1、热处理设备课程设计任务书课题名称950 C 120 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间指导教师职称学生班级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，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

2、件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3. 最高工作温度： 950 C;4. 生产率：120 kg/h; 5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作容及时间进度安排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

3、写；（2）说明书的容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析；（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（A3）,要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（b）、尺寸及其标注 方确；（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:电热元件零件图， 炉门图，炉衬图（A4）。3、使用说明书：电阻炉的技术规及注意事项等。本设计的目的设计950C 120kg/h的箱式电阻炉设计二、本设计的技术要求1. 设计一台高温电阻炉，其技术条件为：2. 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。3. 工件：中小型零件

4、，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；4. 最高工作温度： 950C ；5. 生产率： 120kg/h ；6. 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。设计说明、确定炉体结构和尺寸1. 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=120kg/h，由表5-1取箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率Po为2120kg/(m h)。故可求的炉底的有效面积2Fi=p/po=i m由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/Fo=O.780.85，取系数上限，得炉底实际面积2F=Fi/0.8=1.25 m2. 确定炉膛尺寸由于热处理箱式电阻炉设计

5、时应考虑装、出料方便取L/B=2 : 1因此，可求的：L=. F / 0.5 =1.58 mB=L/2=0.79 m查附表5,根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.509m B=0.74m3. 炉膛高度确定按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9之间，根据炉子的工作条件，取 H/B=0.8左右。则 H=0.640 m可以确定炉膛尺寸如下L=(230+2)>6+(230 X 0.5+2)= 1509mmB=(120+2)X4+(40+2) X6=740mmH=(65+2)X)+37=640mm确定为避免工件与炉壁或电热元件砖相碰撞，应使工件与炉膛壁之间有一定空间，确定工作

6、室有效尺寸为L效=1400 mm B效=600 mm H效=500 mm4. 炉衬材料及厚度的确定(查附表3)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轻质耐火粘土砖+ 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113mmQM1.0轻质粘土砖+ 80mm密度为250kg/ m 3的普通硅酸铝纤维毡+ 115mnj膨胀珍珠岩。炉底采用三层 QN- 1.0轻质粘土砖(67X 3)mmF 50mm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65mm QN-1.0轻质粘土砖+ 80mm密度为250

7、kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+ 65mm磁硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖(N2-35),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二、砌体平均表面积计算1. 砌体外廓尺寸L 外=L+2X (115+80+115)=2129mmB 外=B+2X (115+80+115)=1 360mmH 外=H+f+(115+80+115)+67 X 4+50+182=1549mmf为拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径 R= B,则f可由f = R( 1 cos30°)求得。2. 炉顶平均面积R 2 3.

8、14 0.742F 顶= X L=X1509 =1.169 m62F 顶外=B 外 XL外 = 1.36 X?.129=2.895 mF顶均=顶内F顶外=1.84m23. 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。F墙=2LH 2BH= 2H ( L+ B)= 2X 0.64X (1.509+0.74)=2.879mF墙外=2H外(L 外+ B外)=2X 1.549X (.129+1.36)=10.809mF墙均=F墙内F墙外=5.578m24. 炉底平均面积2F 底=BX L=0.7 4X 1509 = 1.17mF底外=B外XL = 1.36 X2.129=2.90

9、mF底均=F底内*F底外=1.84m根据热平衡计算炉子功率1. 加热工件所需的热量Q件查附表6得，工件在 950 C及20C时比热容分别为c 件 2= 0.636 kJ/(kg C ) , c件1 =0.486kJ/(kgC)0件=p(c 件 2t 1-C 件 it 0)= 120 X (0.624 S50 0.486 X 20) =69969.6kJ/h2.通过炉衬的散热损失Q散tgtaF壁2=2X (L X H)+(L X B)+2(B X H)+2X 3.14 X BX 1/612m=由经验公S2S323式可知：-0.50.91.55安=Ct升 F (t/1000)式中系数 C=30 (

10、kM h).5)/(m 1.8 c1.55),空炉生温时间假定为 t 升=4h，炉温t=9 50C。所以 30x45 X3.12 0.9 X(950/1000 ) 1.55=P 安解得，P=38.364kW 暂取 P安=40kW 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 包括在前墙。根据式Q散=t1- t n 1nSii 1 iFi对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t '2墙=800C, t' 3墙=450C,t ' 4 墙=65 C 则耐火层S1的平均温度ts1均=950 760 = 875 C,硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2

11、均= 280045045065=625 C，硅藻土砖层 S3的平均温度 ts3均=257.5 C, S1、S32 2层炉衬的热导率由附表3得入 1 = 0.29+0.256 X 103t s1 均=0.465W/(m C)入 3 = 0.131+0.23 X 103ts3均=0.19W/(m C)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围近似认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均=625 C,得入 2 = 0.318 W/(mC)当炉壳温度为65C，室温为20C时，由附表2近似计算得 a 2= 12.50 W/(m-C)1)根据图5-9炉墙结构图求热流-jdz. 墙=617.

12、9W/ m2) 验算交界面上的温度 t2墙，t3墙t 2 墙=t 1 q 墙 S = 801.7 Ct墙一t2墙' = = 2.12%t2墙' <5%满足设计要求，不需重算。3墙=t 2墙一q 墙=443.3t墙一 t3墙' = 1.49%t3墙' <5%满足设计要求，不需重算。3)验算炉壳温度t4墙s14墙=t 3墙一 q 墙=69.5 C <70C满足一般热处理电阻炉表面升温<50C的要求。4)计算炉墙散热损失Q 墙散=q 墙F墙均=617.9 >5.578 = 3446.6W同理可以求得2t2顶=646.9 C , t 3顶=

13、296.9 C , t 4顶=55.63 C , q 顶=419.6 W/ m2t2底=618.4 C , t 3底=446.7 C , t 4底=44.3 C , q 底=301.5 W/ m炉顶通过炉衬散热Q 顶散=q顶F顶均=772炉底通过炉衬散热Q底散=q底F底均=554.76 W整个炉体散热损失Q散=Q墙散+ Q顶散+ Q底散=4773.36 W3.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Tg 4 Ta 40辐=3.6 X 5.675Ft()-()因为 Tg= 950+ 273= 1223K, Ta= 20 + 273 = 293K,由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度

14、的一半，故炉门开启面积 F= BXH = 0.7 4X064 = 0.237 m 22炉门开启率 3 t = = 0.1H由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.43，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.32=1.03，由图1- 14第1条线查得$ = 0.6，故0.31Tg 4 Ta 4Q 辐=3.6 X 5.675F $3 t()-()122344=3.6 X 5.675 X 0.117 X 0.1 X 0.6 X 住 )-()100=3198kJ/h4.开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得Q 吸=qVa p aCa(t ' g t a)3t其中，qva= 1997B- H= 1

15、997X 0.74X 0.32X0.32 =267.5 m 3/h冷空气密度p a= 1.29kg/底由附表10得Ca= 1.342kJ/( mC ),ta=2oC , t ' g为溢气温度,近似认为 t ' g= ta+ (t ' g-t a) = 20+ (950-20)=640 CQ溢=qvap aca(t ' g t a) 3 t = 267.5 X 1.29 X 1.342 X50 20) X 0.1 =43067 kJ/h5. 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=0.14（Q 件+Q散+Q辐+Q溢）=18151.2 kJ/

16、h6. 热量总支出其中0辅=0, 0控=0，由下式得0总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它=139159kJ/h7.炉子安装功率KQ总P安=其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则安=1.4 139159=54kW3600与标准炉子相比较，取炉子功率为60kW。四、炉子热效率计算1.正常工作时的效率=59.4%2. 在保温阶段，关闭时的效率n=Q总Q 件(Q辐=50.3%Q溢)五、炉子空载功率计算空=Q散2它=6.37 kW六、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

17、算，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=2X 1.509X(l2X 0.067+0.135) X 0.115=0. 326miV前后粘=2X (0.74+0.115 X 2) X (6 X 0.067+0.135) X 0.115=0. 269mfV 顶粘=0.97 X (1.509+0.276) X 0.115=0.1 98miV侧纤=2X (1. 509+0.115) X(12 X 0.067+0.135) X 0.8=0.244mV前后纤=2X (0.64+0.115 X 2) X (6 X 0.067+0.135) X 0.GB=0.168mV侧硅=2

18、X (12V前后硅=Q蓄=V粘p粘c粘（t粘一 t o)+V 纤 p纤c纤（t纤一 t 0）+ V 硅p 硅c硅（t硅 一 t 0)3V 顶纤=1.071 X (1.509+0.276) X 0.08=0.1 53m3X 0.067+0.135) X (1509+0.115) X 0.115=0. 351m32X 1.36X (16 X 0.067+0.135) X 0.115=0.3 78m950 801.73弋 2.36 X 136X 0.115=0.369 m因 t 粘=(t1 +12 墙)/2 = 875.9 C查附表3得c粘=0.84+0.26 X 103t 粘=0.84+0.26

19、X 103 X375.9=1.07 kJ/(kg C)801.7 443.3t纤一（t2 墙+ 13墙）/2 一一 622.5 C2查附表3得c-3-3。、纤一0.81+0.28 X 10 t 纤一0.84+0.26 X 10 X 503.15=0.951 kJ/(kg C) /、37960.7t硅一(t3 墙 + 14墙)/2 一一 219.85 C2查附表3得c硅一0.84+0.25 X 103t 硅一0.84+0.26 X 103 X 219.85=0.895 kJ/(kg C)所以得Q蓄1 = （V侧粘+ V前后粘+ V顶粘）p粘c粘（t粘一 10）+（V侧纤+ V前后纤+ V顶纤）p

20、纤c纤（t纤一to） +（ V侧硅+ V前后硅+ V顶硅）p硅c硅（t硅一t0）一 402590.6 kJ/h2.炉底蓄热计算炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质粘土砖，炉底的复合炉衬按硅藻土计算。V底粘=4 X (0.02 X 0.12+0.113 X 0.065)+(0.04 X 2+0.065) X 0.113+(0.113 X 0.120) X 25X9. +(1.509- 0.115 X 2) X (1.68Q 0.115) X 0.0653=0.136mV 底纤=1.680 X 1.043 X 0.05 =0.088 m3V底硅=1.680 X 1.043 X 0.182 =0.3

21、伽3由于 t 底粘=(ti+ t2 底)/2 = (750+618.4)/2= 684.2 C查附表3得3c底粘=0.84+0.26 X 10 t 底粘=1.02 kJ/(kg C)t底纤=(t2底+ t3底)/2 = (618.4+446.7)/2= 532.55 C查附表3得3c底纤=0.81+0.28 X 10 t 底纤=0.959 kJ/(kg C)t底硅=(t3底+ t4底)/2 = (446.7+44.3)/2= 245.5 C查附表3得3c底硅=0.84+0.25 X 10- t 底硅=0.901 kJ/(kg C)所以得Q底蓄=0.319 X 1.0 X 1X 1.02 X (

22、684.220)+0.088 X 0.25 X 10X 0.959 X (532.55 20)+0.319 X0 .5 X 1&X 0.901 X (245.520)=147905.8 kJ/h3. 炉底板蓄热根据附表6查得950C和20C时高合金钢的比热容分别为c板2= 0.670 kJ/(kg C )和c板1 = 0.473kJ/(kg C )。经计算炉底板重量G=242kg,所以有Q 板蓄=G(c 板2t1- c 板 1t 0)=206 X (0.691 X50 9.46) = 103944.5 kJ/hQ蓄=0蓄 1+ Q 底蓄+ Q 板蓄=654440.9 kJ/h空炉升温时

23、间Q蓄t 升=7.27h3600 P 安对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38小时均可，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。七、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.AA接线。供电电压为车间动力380V。根据表5-2核算炉膛布置电热元件壁表面负荷，对于周期式作业炉，壁表面负荷应在1535kW/ m2之间，常用为 2025 kW/ m2之间。2F电=2F 电侧 + F 电底=2X 1.509 X 0640+1.509 X 0740=3.05 m2W= P 安/F 电=60/3.05 = 20 kW/

24、 m表面负荷在常用围 2025 kW/ m2之，故符合设计要求。八、电热元件材料选择及计算由最高使用温度950C，选用线状0Cr25AI15合金电热元件，接线方式采用YY。1. 图表法由附表15查得0Cr25AI1电热元件60kW箱式炉YY接线，直径d = 4.5mm时，其表面 负荷为1.39W/ cm。每组兀件长度 L组=50.1m,总长度1总=150.3m,兀件总重量 6总=34.6kg。2. 理论计算法 求950C时电热元件的电阻率p t当炉温为950C时，电热元件温度取1100C，由附表12查得0Cr25AI5在20C时电阻率p 20= 1.40 mm,电阻温度系数 a= 4X 10c",则1100C下的电热元件电阻率为-52p t =p 20(1+ a t)= 1.40 X (1+4 X 10 X 1100)= 1.46m/m 确定电热元件表面功率. . 2由图5- 3,根据本炉子电热元件工作条件取3允=1.6W/ cm。 每组电热元件功率由于采用YY接法，即两组电热元件并联后再接成Y的，三相双星形接法，每组元件功率P组=60/n=6 0/(3 X2) = 10kW 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/