热处理炉课程设计教材

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 P 60kg 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 p0 120kg （m2 h） 。 因此，炉子的 炉底有效面积 （可以摆放工件的面积） F1 可按下式计算：F1p0601200.5m219通常炉底有

2、效面积和炉底总面积之比值在 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，F10.5 2F 10.625m 20.80 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B0.625 1.118m;方便，本设计取 BL 2 ，则炉子炉底长度和宽度分别为 :0.5 0.5L 1.118B 0.559m223） 确定炉膛高度H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

3、 0.391m2.实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，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 (230 2) 5 1160mm 1.16m ；B (55 2) 2 (113 2) 3 (38 2) 2 57 2 115 3 40 2 539mm 0.539mH (65 2) 6 402mm 0.402m 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

4、定炉膛有效尺寸为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞， 应使工件与炉膛内壁保持一定的距离。 工件应放置的炉膛的有效尺寸内。 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

5、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。在炉墙内壁温度 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：950 201）S1,S2 ,S3的确

6、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的砌缝宽度，则 S1,S2,S3的厚度为：S1 113 2 115mm ； S2 60mm； S3 230 2 232mm2）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 t2 850，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻 土砖之间的界面温度 t3 620，

7、炉墙外壳温度 t4 55<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）的平均导热率为：1 0.294 0.212 10 3tp（t p为平均温度）3 t1 t23 950 8501 0.294 0.212 10 3（） 0.294 0.212 10 3（）=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 tp t2 t3 850 620 735 。根据教材附22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

8、W/ m· 。在 700 1000温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成 线性关系 。则有：0.122 0.1211000 700求硅藻土砖的平均导热率查教材附表 3，可得 A 级硅藻土砖的平均导热率为：3 0.105 0.23 10 3tp3 t3 t43 620 553 0.105 0.23 10 3 ( 3 4 ) 0.105 0.23 10 3 ( ) 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

9、3; 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：930 2445.8W m22.086950 200.115 0.06 0.232 10.485 0.121 0.183 11.814) 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：S10.115t2 t1 q 950 445.8844.3 1 0.485t2 t2 844.3 850相对误差为 t2 t2 844.3 850 0.67% 5% ，满足设计要求，不必重算 t2 850硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2 qS2 844.3 445

10、.8 0.060 623.2 ；2 0.121满足设计要求，不必重算相对误差为 t3 t3 623.2 620 0.52% 5% ， t3620炉墙外壳温度为：t4 t3 q S3 623.2 445.8 0.232 58< 60；3 0.183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

11、珍珠岩。在炉顶内壁温度 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：950 20qS1 S2 S3 11231) 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：S1 115mm ； S2 60mm； S3 115mm 。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

12、 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 t2 860，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度t3 580，炉顶外壳温度 t4 55<601 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：502.2W m2950 20 9300.115 0.06 0.1151 1.8520.486 0.121 0.110 13.524）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：t2 t1 qS11 950 502.2 00.148165 831

13、.0831.0 8608603.4% 5% ，满足设计要求，不必重算硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2 qS2 831.0 502.2 0.060 582；2 0.121满足设计要求，不必重算相对误差为 t3t3t3 582580580 0.32% 5% ，炉顶外壳温度为：S30.115t4 t3 q S3 582 502.2 0.115 57< 60；3 0.110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

14、（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。在炉底内壁温度 950、炉壳周围空气温度 20的稳定导热条件下， 通过炉 底向周围空气散热的热流密度为：qS1950 20S2 S31231) 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：S1 201mm ； S2 80mm； S3 24

15、9mm 。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 t2 810，硅酸盐耐火纤维毡和 A 级硅藻土砖之间的 界面温度 t3 560，炉底外壳温度 t4 55<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：358.5W m2950 200.201 0.08 0.249

16、 10.481 0.119 0.178 9.554）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 t2 为：t2 t1 qS 950 358.5 0.201 800.1 1 0.481相对误差为 t2 t2 800.1 810 1.2% 5% ，满足设计要求，不必重算 t2810硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3 t2 qS22 800.1 358.5 00.10189 559.2；559.2 5605600.1% 5% ，满足设计要求，不必重算炉底外壳温度为：S30.249t4 t3 q 559.2 358.557.7< 60；30.178因炉底外

17、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 1160 2 (115 60 232) 1974mm 1.974m2) 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 539 2 (115 60 232) 1353mm 1.353m3) 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

18、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：f R(1 cos30 ) 539 (1 cos30 ) 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，炉子外形高度为：H 外 402 72 (115 60 115)(201 80 249) 67 1361mm 1.361m;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内壁

19、和外壁的面积。1) 炉顶平均表面积的确定 炉顶内壁是弧面，内壁面积为：6022F顶内2 R L 3.14 0.539 1.160 0.654m2 ；3606炉顶外壁是平面，外壁面积为：F顶外 L外 B外 1.974 1.353 2.67m2 则炉顶平均面积为：F顶均F顶内 F顶外0.654 2.67 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，将炉门视作前墙，则炉墙平均面 积为：F墙均F墙内 F墙外2H(L B) 2H外 (L外 B外)2 0.402(1.1600.53)9 2 1.3 6 1(1.9 7 4 1.3 5)3=3.52m23) 炉底平均表面积的

20、确定炉底平均面积为：F低均F低内 F低外(B L) (B外 L外 )0.539 1.160 1.353 1.974 1.29m2六、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：C950 0.636 kJ/(kg · ) 和 C20 0.486kJ/(kg · ) ，热处理炉的生产率P 60kg h ，则加热工件所需要的热量为Q件 P(C950 950 C20 20) 60 (0.636 9

21、50 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502.2 1.32 445.8 3.52 358.5 1.29 2694.59W 9700.52kJ / h3) 开启炉门的辐射热损失3.6C0F tTa4100这部分热损失可由下式求得：Q辐式中 C0 黑体辐射系数；F 炉门开启面积。炉子正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，H 0.402故 F B 0.5390.217m2 ；22遮蔽系数。 开启的炉门是拉长的矩形， 开启高度为 H 0.402 0.201m ，22它与炉墙

22、厚度之比为 0.201 0.5，查教材图 1-14曲线 10.115 0.06 0.232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；Ta 炉外空气的热力学温度，为 20+273=293K，将上述数据代入公式中，得：1223 4 293 4Q辐 3.6 5.675 0.217 0.56 0.1 5535.82kJ /h100 1004) 开启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 qva aCa t (

23、Tg Ta)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：qva 1997B H H 1997 0.539 0.402 0.402 97m3 /h2 2 2 2a 20冷空气的密度，为 1.29 kg/ m3；Ca 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/ ( 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：1.3340 1

24、.3302500 400Ca 1.3302485 400Ca 1.342 kJ/ (m3. )t 炉门开启率。 0.1 。22Tg 溢气温度，近似为 (Tg Ta) Ta(950 20) 20 640 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 1.342 0.1 (640 - 20) 10411.32kJ 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%。本设计取 15%，该项热损失为：Q其它 0.1(5 Q件 Q散 Q辐 Q溢 )0.15 (35668.8

25、9700.52 5535.82 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

26、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：KQ总P安3600式中 K 功率储备系数，对周期作业炉， K 1.3 1.5 。本设计可取 1.4。将相关数据代入公式中，可得：1.4 70513.93360027.42kW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Q总100%35668.870513.93100% 50.6%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范围内，设 计合理。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

27、溢气热损失，此时炉子的热效率为：Q件Q 总 （Q 辐 Q溢 ）100%35668.870513.93 5535.82 10411.32100% 65.2%3. 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36009700.52 9197.4736005.23kW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、校核炉膛内壁表面负荷（选做）十、 电热元件

28、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 20 1.40 mm2 /m ，电阻温度系数4 10 5 每组电热元件的长度由教材 5-25 式确定为：2 2 23 U 组 d3 2202 4.5L组 0.785 10 3 组 0.785 10 3 52.7m 5270mm P组 1100 10 1.46 ，则 1100时电热元件的电阻率为：110020（1 t） 1.40 （1 4 10 5 1100） 1.46 mm2 /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：P组3 10kW 。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