刘东辉_热处理设备_课程设计报告

1、北华航天工业学院热处理设备课程设计课程设计报告报告题目：650 C 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：B08821作者姓名：东辉作者学号：20084082104指导教师：涛、志勇完成时间：2011-10-20热处理设备课程设计任务书课题名称650 C 90 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间2011-10-20指导教师志勇、涛职称高工、讲师 学生东辉班级B08821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

2、、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：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3. 最高工作温度：w 650、750、850、950、1100C、1200C（选一个温度）；4. 生产率：60-120kg/h （分7份）；5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作谷及时间进度安排1. 热处理设备设计准备0.5

3、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（A）,要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（

4、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:电热元件零件图，炉门图，炉衬图（几）。3、使用说明书：电阻炉的技术规及注意事项等。容摘要650 C 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，电热元件零件图，炉门图，炉 衬图）。关键词：箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指标目录1前言 51.1本设计的目的 51.2本设计的技术要求 52设计说明 62.1确定炉体结构和尺寸 62.

5、1.1 炉底面积的确定 6确定炉膛尺寸 6炉衬材料及厚度的确定 62.2砌体平均表面积计算 72.2.1 炉顶平均面积 72.2.2 炉墙平均面积 7炉底平均面积 72.3根据热平衡计算炉子功率 72.3.1 加热工件所需的热量Q件 7通过炉衬的散热损失Q散 8开启炉门的辐射热损失 9开启炉门溢气热损失 10其它热损失 10热量总支出 10炉子安装功率 102.4炉子热效率计算 112.4.1 正常工作时的效率 112.4.2 在保温阶段，关闭时的效率 112.5炉子空载功率计算 112.6空炉升温时间计算 112.6.1 炉墙及炉顶蓄热 11炉底蓄热计算 12炉底板蓄热 132.7功率的分配

6、与接线 132.8电热元件材料选择及计算 132.8.1 图表法 132.8.2 理论计算法 132.9炉子技术指标（标牌） 153 参考文献本设计的目的设计650C 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：650C;(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。设计说明2.1确定炉体结构和尺寸2.1.1 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

7、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选择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2F1=P/Po=O.75 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F=F1/0.85=0.88m22.1.2 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= ,F / 0. 5=1.328 mB=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0.5

8、0.9之间，根据炉子的工作 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)X 6=1392 mmB=(120+2)X 3 + (40+2) X 2+ (113+2)X 2=680 mmH=(65+2)X 7+21=490 mm确定为避免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 空间，确定工作室有效尺寸为L 效=1200 mm B 效=500 mm H 效=350 mmF壁=2X (L X H)+(L X B)+2(B X H)+2X 3.14 X BX 1/6 X L= 3.97m2由经验公式可知：P安=Ct -0.5 升 F0.9 (

9、t/1000) 1.55取式中系数 C=30(kM -h 0.5)/(m 1.8C 1.55):,空炉升温时间假定为t升=4h，炉温t=6 50 C。所以 P 安=30 X4-0.5 X 3.970.9 X( 650/1000) 1.55 =26.61 kW暂取 P 安=30kW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+ 113mm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 + 115mn膨胀珍珠岩炉底采用三层QN-

10、 1.0轻质粘土砖(67X 3) mm 50mnt勺普通硅酸铝纤维毡+ 182mmB 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm Q-1.0轻质粘土砖+ 80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+ 65mmA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Cr-Mr-N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm2.2砌体平均表面积计算L 外=L+2X (115+ 50+115)=1950 mmB 外=B+2X (115+ 50+115)=1240 mmH 外=H+f+(115+80+115)+67 X 4+50+182=1390 mmR= B

11、,则f可由f = R式中：f二一一拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径 (1 cos30°)求得。2.2.1 炉顶平均面积F顶=X L=3. 140.6806X 1.392=0.991m22 F顶外=B外XL外=| 2F顶均=.F顶内F顶夕卜=1.31 m2.2.2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+ 2BHh2H ( L+ B)= 2X 0. 490X (1. 392+0.680)=2. m 22F 墙外=2H外(L 外 + B外) = 2X 1.390 X( 1.950+1.240)=8.868 m| 2F墙均=：

12、.F墙内F墙外=4.24 m2.2.3炉底平均面积2F 底=BX L= 0.680 X 1.392= 0.947 m2F底外=B外XL 外=1.240 X 1.950=2.418 mF底均=、F底内F底外=1.51 m22.3根据热平衡计算炉子功率加热工件所需的热量Q件查表得，工件在 650r及20r时比热容分别为 c件2= 1.051 kJ/(kgC)，c件戶0.486kJ/(kgC)0件=p(c 件 2t 1 c 件 1t 0) = 90X( 1. X 650 0.486 X 20) = 60609 kJ/h通过炉衬的散热损失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

13、算，将炉门也包 括在前墙。根据式t 1 - t n 1 Q 散= n s"iiFit' 2 墙=540 C，t' 3墙= 320 C，对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度, t' 4 墙=60 °C 则耐火层S1的平均温度tsi均=6505402=595 C，硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2 ±匀=540320二430C，硅藻土砖层S3的平均温度ts3均二32060二190C，S1、S3层炉衬的2 2热导率由附表3得入 1 = 0.29+0.256 X 10-3ts1 均=0.442W/(mC)入 3 = 0.131+0.23 X

14、10-3ts3均=0.175W/(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土匀二430C，得入 2 = 0.098 W/(mC)当炉壳温度为60 C，室温为20 C时，由附表2近似计算得a 12.17 W/(m -C)(1) 求热流tg taq墙=鱼鱼鱼丄123 a_650 20_ 0. 1150. 050. 11510.4420.0980. 17512. 17_ 417.3W/ m2(2) 验算交界面上的温度 t 2墙,t 3墙12 墙二11 q 墙_ 541.4 Ct墙t2墙't2墙'541.4540_ 0

15、.26%540 <5%满足设计要求，不需重算。t 3墙=上2墙一q 墙= 328.2 C=32&2 320 = 2.6%t3 墙'320 <5%满足设计要求，不需重算。(3) 验算炉壳温度t4墙14墙=t3墙一q 墙 S = 54.0 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= 417.3 X 4.24 = 1769.4 W同理可以求得顶=256.9 W/ m22底=298.1 W/ mt2顶=583.9 °C, t 3顶=374.2 °C, t 4顶=38.5 °

16、C, q 12底=508.8 C , t 3底=356.7 C , t 4底=50.3 C , q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 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0辐=3.6 X 5.675F ©S t（耳）4因为 Tg= 650+ 273= 923K, 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H0 4902炉门开启面积 F = BX = 0.680 X= 0.167 m2炉门开启率S t

17、= = 0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且 H与B之比为0.36，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0 245斶=。.88，由图1- 14第1条线查得。.66，故Q 辐=3.6 X 5.675F ©S t（匹）4-（卫）4=3.6 X 5.675 X 0.1 67X 0.1 X 0.6 6X （竺）4-（ 一 ） 4100=1617.7kJ/h开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得溢=qva p aCa（tg t a） St其中，qva= 1997B- H1.5安=86397.53600=36.0kW=1997X 0. 680X 0. 245X 0. 245 =164.7m3/h冷空气密

18、度 p a= 1.29kg/ m 3,由附表 10 得 Ca = 1.342kJ/（ m3C ）,t a=2°C , t ' g 为溢气温 度，近似认为 t' g= t a+ （t g-t a） = 20+ （650-20）=440 C0溢=qvap aCa（t ' g t a） S t = 164.7 X 1.29 X 1.342 X（440 20） X 0.1 = 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辐+Q溢）=9939.5 kJ/h热量总支出其中0辅=0, Q控=0,由下式得Q总=0件+0 辅+Q空+

19、Q 散+Q 辐+Q 溢 + Q 它=86397.5 kJ/h2.3.7炉子安装功率p安=KQ总其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.5，则与标准炉子相比较，取炉子功率为 35kW2.4炉子热效率计算241正常工作时的效率=60609/86397.5 =70.2%在保温阶段，关闭时的效率Q件(Q辐=83.2%Q溢)2.5炉子空载功率计算Q散 Q 它 25569939.5=3.5 kW空=36002.6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。

20、炉墙及炉顶蓄热S = 2X 1. 392X( 10X 0.067+0.135) X 0.115=0. 258吊VT后=2X (0. 680+0.115 X 2) X (1 5X 0.067+0.135) X 0.115=0. 239miS = 0.97 X (1. 392+0.276) X 0.115=0. 186用 也=2X (1. 392+0.115) X( 10X 0.067+0.135) X 0.05=0. 121吊 也后=2X (0. 680+0.115 X 2) X (1 5X 0.067+0.135) X 0.05= 0.104m3 也=1. X (1. 392+0.276) X

21、 0.08=0. 143用£ = 2X (1 0X 0.067+0.135) X (1. 392+0.115) X 0.115=0. 279ni后二2X 1.240 X (1 5X 0.067+0.135) X 0.115=0. 325用V珍 1.950 X 1.240X 0.115=0. 278 m30蓄=V粘p粘c粘(t粘一 to)+V纤p纤c纤(t纤一t 0)+ V 硅p硅c硅(t硅一 t 0)650541 4因为 t 粘=(t1 +12 墙)/2 = = 595.7 °C2查附表3得c 粘=0.84+0.26 X 10-3t 粘=0.84+0.26 X 10-3X

22、595.7=0.995 kJ/(kg C)t纤=(t2墙+13墙)12 = 541.4328. 2 = 434.8 C2查附表3得33c纤=0.81+0.28 x 10-t 纤=0.81+0.28 x 10- X 434.8=0.932 kJ/(kg C)t 硅=(t3 墙+14 墙)/2 = 3_8 50 = 191.1 c2查附表3得c硅=0.84+0.25 x 10-3t 硅=0.84+0.25 x 10-3X 191.1=0.888 kJ/(kg C)所以得纤C纤（t纤一 t 0）+Q蓄1= （V侧+ V前后+ V顶）p粘c粘（t粘一10）+（V侧+ V前后+ V顶）p （V 硅 +

23、V硅 后 + V顶）p 硅 c 硅（t 硅一t°）=493808 kJ/h炉底蓄热计算V4 X (0.02 X 0.12+0.113 X 0.065)+(0.04 X 2) X 0.113+(0.113 X 0.120) X 2 X 1.3 92+(1.240- 0.115 X 2) X( 1.950- 0.115) X 0.0653=0.225m1.950 X 1.240 X 0.05 = 0.121m3Vl= 1.950 X 1.240X 0.182 = 0.440m3 由于 t 底=(t1 +12 底)/2 = (650+508.8)/2 = 579.4 C 查附表3得c 底

24、= 0.84+0.26 X 10-3t底= 0.991 kJ/(kg C)底t纤=(t2底 + ta底)/2 = (508.8+356.7)/2 = 432.8 C查附表3得c 底 = 0.81+0.28 X 10-3t纤=0.931kJ/(kg C)t硅=(t3底 +14底)/2 = (356.7+50.3)/2 = 203.5 C查附表3得c 底 = 0.84+0.25 X 10-3t底= 0.891 kJ/(kg C)所以得Q底二0.225 X 1.0 X 103 X 0.991 X( 579.4-20)+0.121 X 0.25 X 103 X 0.9 31 X( 432.8-20)0

25、.440 X 0.5 X 103 X 0. 891 X (2 03.5-20)=172327 kJ/h炉底板蓄热根据附表6查得650r和20r时高合金钢的比热容分别为 c板2= 0.875 kJ/(kgC)和c板1 = 0.473kJ/(kg C)。经计算炉底板重量 G=180kg所以有Q板= G(c 板2t1- c 板 1t 0)=180 X (0. 875X 650-9.46) = 100672.2 kJ/hQ 蓄=0蓄 1 + C蓄 + d= 766807 kJ/h空炉升温时间Q蓄t 升=一 =6.1hP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

26、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。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、或YY 接线。供电电压为车间动力380V。核算炉膛布置电热元件壁表面负荷，对于周期式作业炉，壁表面负荷应在1535kW/ va 之间，常用为2025 kW/ m2之间。2F电=2F 电侧 + F 电底=2X 1.392X 0. 490+1.392 X 0. 680=2.31 mW= P安/F 电=35/2. 31 = 15.2kW/ 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650C，选用线状0Cr25AI15合金电热元件，接线方式采用

27、 丫。图表法由附表15查得0Cr25AI1电热元件35kW箱式炉Y接线，直径d= 4.8mm时，其表面 负荷为1.56W/ cm。每组兀件长度1组=49.6m,总长度1总=148.8m,兀件总重量6总=19.1kg。理论计算法1、 求650C时电热元件的电阻率 p t当炉温为650C时，电热元件温度取1100C，由附表12查得0Cr25AI5在20C时 电阻率p 20= 1.40mrm，电阻温度系数a= 4X 10-5C-1,则1100C下的电热元件电阻率为 p t =p 20(1+ a t)= 1.40 X (1+4 X 10-5 X 1100)= 1.46 mrf/m2、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条件取 Wt= 1.6W/ cm23、每组电热元件功率由于采用丫接法，即三相双星形接法，每组元件功率P组=35/n=35/3 = 11.7 kW4、每组电热元件端电压由于采用丫丫接法，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=