无机非金属材料课程设计-电阻炉设计

1、箱式电阻炉设计说明书1、 设计任务设计一箱式电阻炉，要求如下：1） 额定温度为1300；2） 升温速率为20/分钟；3） 炉膛有效尺寸 长宽高 不超过500300300。.2、 设计说明2.1电炉电热材料的选择本次设计要求的额定温度为1300，由于一般电热体的温度要比炉膛的温度高50100，因此所选用的电热材料的使用温度应至少为1350以上。满足这一基本要求的常用电热体有钼棒、钨棒、铁铬铝合金、硅碳棒、硅钼棒、石墨和碳棒。钼棒硬而坚韧具有优异的力学性能，而且其熔点高且在高温下具有较大的持久强度，其在真空炉中使用温度高达1650，钼还对无机酸具有突出的耐腐蚀性能；但钼是一种易氧化的金属，在空气中

2、300时钼便会被氧化为三氧化钼，600时则会形成黑色的氧化层。由于本次设计的是一个空气电阻炉，因此钼并不很符合本次设计对电热体的要求。钨棒的熔点较钼来讲更高，在真空炉中的使用温度高达20002500，而且相较于钼也更为廉价；但钨棒在空气中高温下化学性质也不稳定，会与氧气发生剧烈反应生成三氧化钨，同时高温下钨还会与耐火材料发生反应。因此钨棒也不适用与本次设计。铁铬铝合金被加热后其表面生成一层氧化铝起到了保护作用，其在空气中的使用温度为13001400，且具有电阻系数大，电阻温度系数小，表面容许负荷高，比密度小，高率稳定，价格低廉等诸多优点；但其强度不高，使用寿命相对较短，且过烧后不可回收。总体来

3、讲铁铬铝合金基本满足本次设计的要求，是备选的电热体之一。硅碳棒在空气中的使用温度为13501450，其能承受较高的加热温度且对化学试剂稳定性强，各种酸蒸汽对硅碳棒均不起化学作用，此外硅碳棒的使用寿命也较长间断使用时间可达1000h，其价格也比较低廉；但其易于和一些金属氧化物反应对其结构产生破坏作用。硅碳棒的综合性能优异且满足本次实际要求也是备选的电热体材料之一。硅钼棒在空气中连续使用温度为1650，其电阻恒定，抗热冲击性能强且抗拉和抗弯强度较好，使用寿命较其它非贵重金属材料制成的发热体长；但其冲击强度低，长期在400700温度范围内使用时会发生低温氧化而被破坏，而且其价格较为昂贵。总体来讲硅钼

4、棒也能满足本次设计对电热体材料的要求。石墨和碳在真空和有保护气氛的情况下使用温度均较高，都达到了2000以上；但其在空气中均易被氧化，因此两种材料均不符合本次设计的要求。综上所述，能满足本次设计要求的常用电热体只有铁铬铝合金、硅碳棒和硅钼棒。其中铁铬铝合金使用温度相对较低，表面负荷功率较小，且脆性大，在1300下极易因烧损而被破坏，因此也基本可以排除以铁格律合金为电热体的选择 。因此最终选用的电热材料应从硅碳棒和硅钼棒中选择。考虑到经济因素和实际设计要求，硅钼棒的价格较为昂贵且其实际使用温度远大于所需温度，在本次采用硅钼棒既不经济也是对其高温性能的一种浪费。因此最终选择的电热体材料为硅碳棒。2

5、.2炉膛材料的选择2.2.1耐火材料的选择耐火材料可分为普通耐火材料、轻质耐火材料和特种耐火材料。普通耐火材料的使用温度普遍较高，能较好的满足本次对最高温度的要求；但这种材料的密度相对较大，使用中蓄热量较大，同时本次设计要求的升温速率又很大。因此采用普通耐火材料所需的功率较高，而电炉的尺寸有一定限制过大的功率可能引起电热体排布不下的情况产生。资料显示设计使用温度大于1200的电炉若采用普通耐火材料时为减少蓄热一般需要采用三层材料。因此采用普通耐火材料设计的电炉结构复杂，蓄热大，所需功率高并不能很好的满足本次设计要求。特种耐火材料一般价格昂贵而且都有其专门的用途，本次设计的为一个普通的电阻炉，并

6、不适合采用特种耐火材料。轻质耐火材料密度小、蓄热量较小，因此升温时所需的最大功率较小；若采用传统轻质耐火材料，一般仍需双层结构以减小蓄热。能满足本次设计基本要求的传统轻质耐火材料有轻质粘土砖、轻质硅砖、轻质高铝砖。耐火纤维材料是一种新型的轻质耐火隔热材料其密度极小、耐火度高、蓄热量小，且可同时充当耐火和保温材料。因此使用该种材料所制造的电炉只需单层材料，但这种材料的价格往往比较贵，能满足本次设计基本要求的纤维耐火材料有氧化铝纤维、硅酸铝纤维。从以上分析可以看出，传统的轻质耐火材料和纤维轻质耐火材料各有利弊且均可用于本次设计。因此本次设计将分别采用传统的轻质耐火材料和新型的纤维耐火材料作为炉衬材

7、料进行设计，并对其进行比较。（1）传统轻质耐火材料轻质粘土砖的密度相对较小，因此蓄热量相对较小，而且其热稳定性也较好；但其使用温度较低，允许最高的使用温度在13001400之间，只是刚刚能够满足要求，并不适于做内层的耐火材料。轻质硅砖使用温度高在1500左右；但且其密度在三种待选的轻质耐火材料中最高，不利于电炉功率的降低，而且其热稳定性极差，不适合砌筑间歇性炉，因此硅砖并不能满足本次设计的要求。高铝砖使用温度在14001500之间，抗化学侵蚀性强；但其密度较大，热导率较高，且热稳定性也较差。综合考虑只有轻质高铝砖能够基本满足本次设计对温度和升温速率的要求，因此最终选用的为容重为1.02的轻质高

8、铝砖，其密度在所有高铝砖相对较小且使用温度较高达到1400。其主要性能参数表1所示： 表1 轻质高铝砖性能参数材料名称密度（kg/ m3）允许使用温度()平均比热容cp【kJ/(kg.) 】导热系数【W/(m.)】尺寸长宽高（mm）轻质高铝砖102014000.84+0.2310-3t0.66+0.0810-3t23011365（2）纤维质轻质耐火材料氧化铝纤维、硅酸铝同属轻质耐火材料，若采用此种耐火材料则电炉不再需要保温层，整个电炉只需一层材料，从而使电炉结构更为简单，此外它们均具有使用温度较高、密度低、导热系数低、蓄热量小、耐热冲击、耐腐蚀使用寿命长，抗拉强度大，弹性好，无毒等众多优点；但

9、这种材料价格一般较为昂贵。两种纤维相对比硅酸铝纤维更为常见一些，价格也相对较低，因此本次设计将硅酸铝纤维作为了待选耐火材料之一而放弃了氧化铝纤维。其主要性能参数如表2所示：表2硅酸铝纤维性能参数材料名称密度（kg/ m3）允许使用温度()平均比热容cp【kJ/(kg.) 】导热系数【W/(m.)】尺寸长宽高（mm）硅酸钙纤维22014000.750.08+0.110-3t2.2.2隔热材料的选择若炉衬材料选择了粘土砖则还需设计保温层，需选用一种隔热材料。对这种保温材料主要有以下几个要求：1、使用温度高于界面的最高温度，在本次设计中估计其界面温度在1000左右，因此所选隔热材料的使用温度应至少大

10、于1100。2、密度尽可能的第，从而最大程度上的降低材料的蓄热量，降低电炉功率。就本次设计来讲其密度最好能够小于500kg/m3。3、价格便宜。综合以上几点考虑，最终选择的隔热材料为容重为0.4的轻质粘土砖。其密度在所有轻质耐火砖中最小。该材料其它性能参数如表3所示：表3轻质粘土砖性能参数材料名称密度（kg/ m3）允许使用温度()平均比热容cp【kJ/(kg.) 】导热系数【W/(m.)】尺寸长宽高（mm）轻质粘土砖40011500.84+0.2610-3t0.092+0.1610-3t230113652.2.3外层金属材料的选择本次设计的电炉中要用到金属材料的位置主要有炉底板和电阻炉壳层。

11、可供选择的材料主要有普通钢材和耐热钢两种。普通钢耐受的温度较低，耐热钢虽能长期耐受高温但其价格相对较为昂贵考虑。考虑到本次设计的电阻炉的外表面得温度较低，达到稳态时也会将外表面温度控制在200以下；此外本次设计的为一个间歇式的电阻炉，炉的外表面钢材不用长期耐受高温，且在每个工作周期中炉子基本上都处于非稳态的工作状态中，因此其所承受的实际温度一般会小于测算出的稳态时的工作温度。总体来讲本次设计对外层金属耐受温度没有太大限制，普通钢材既能满足温度要求。从经济角度考虑最终选择普通钢材作为炉体外层的金属材料。 2.3电炉尺寸的确定按照要求设计电炉的有效空间尺寸长宽高为450250200。2.3.1炉顶

12、结构的选择常用的炉顶结构有平顶和拱顶两种，拱顶炉散热面大、建造较为复杂，但强度高，适用于考度较大的炉体结构。平顶炉散热面小，强度相对较低。本次设计炉膛的有效跨度为250mm，属于比较小的跨度，因此宜采用平顶结构。平顶炉的炉顶厚度一般与炉衬厚度相同。其数值的确定在下部分内容中介绍。2.3.2耐火保温砖厚度的确定为保证良好的操作环境，在电炉内壁温度为1300且达到稳态时，电炉外壁温度应小于200。假设其外表面温度为150，环境温度为20。（1）采用普通轻质耐火材料作为内衬材料若采用轻质高铝砖作为耐火材料，轻质粘土砖砖为保温层，为最大限度的降低功率仅采用一层轻质高铝砖。则已知的条件为炉内表面温度t1

13、=1300，炉外表面温度t3=170，环境温度t4=20耐火层厚度1=113mm，需要求出的未知量为界面温度t2以及保温层厚度2，由稳态传热公式可得式1： 式1式中1=0.66+0.0810-3（t1+t2）/2 式2 2=0.092+0.1610-3（t2+t3）/2 式3 式4将式2、3、4带入式1中，并带入已知条件可得：t2=962 ；2=65.5mm。考虑到轻质粘土砖的尺寸取2=65mm。.（2）采用纤维质轻质耐火材料若采用硅酸钙纤维则只需一层材料，无需保温层，已知条件仍为炉内表面温度t1=1300，炉外表面温度t3=150，环境温度t4=20所需求的为炉壁厚度，则： 式5其中3=0.

14、08+0.110-3（t2+t3）/2 式6将式4、6带入式5中求得炉壁=78.2mm；考虑到所选硅酸铝纤维板的规格最后选择的厚度为80mm。2.3.3外层金属材料的尺寸钢板的厚度的确定主要从满足强度要求考虑，本次设计中选取经验数据，将钢板的厚度设定为5mm。2.4功率计算空载时，电炉的功率则主要与炉衬材料的蓄热有关。钢材的热导率极大，且厚度较薄，其内部温度分布接近平直的直线，因此可忽略钢板蓄热，通过计算耐火保温材料的蓄热量来对电炉的功率进行计算。2.41采用普通轻质耐火材料的电炉功率计算（1）炉衬质量的确定采用普通轻质耐火材料时炉衬结构表4所示：表4采用普通轻质耐火材料时炉衬结构层数第一层第

15、二层第三层材料轻质高铝砖 容重=1.02轻质粘土砖 容重=0.4普通钢板厚度（mm）113655在电炉有效尺寸的基础上，在炉宽度方向各预留100mm用来做电热体安装的位置则所设计电炉各层的最终尺寸如表6所示：表6炉衬各层尺寸长（mm）宽（mm）高（mm）有效尺寸450250200电热体占位02000最内层尺寸450450200界面层尺寸676676426外层尺寸806806556轻质高铝砖体积V=0.154m3 质量m=157.26kg轻质粘土砖体积V=0.167m3 质量m=66.61kg（2）材料比热容的确定假设电炉工作3小时，设在此段时间内，内层材料的平均温度为520，外层保温材料的平均

16、温度为75，则两种材料的热容、热导率分别为：轻质高铝砖：cp1=0.84+0.2310-3520=0.9596 kJ/(kg.) 1=0.66+0.0810-3520=0.7016 W/(m.)轻质粘土砖：cp2=0.84+0.2610-375=0.8595 kJ/(kg.) 2=0.092+0.1610-375=0.7016 W/(m.)（3）材料的分层两种砖的导温系数计算如下： （7） （8） 设把轻质高铝砖分为5层，则： （9） （10） 由此可得轻质粘土砖的的层数： （11） 轻质粘土砖层数=0.065/4 层计算不同时各层温度如表7所示： 表7轻质砖炉衬中炉温分布时间轻质高铝砖轻质粘

17、土砖空气数小时（h）0x11x12x13x14x15x11x22x23x24x200.00 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2010.10 139 20 20 20 20 20 20 20 20 20 2020.20 258 79 20 20 20 20 20 20 20 20 2030.30 376 139 50 20 20 20 20 20 20 20 2040.40 495 213 79 35 20 20 20 20 20 20 2050.49 614 287 124 50 27 20 20 20 20 20 2060.59 733 369 168 76 35

18、 24 20 20 20 20 2070.69 851 451 222 102 50 27 22 20 20 20 2080.79 970 537 276 136 65 36 24 21 20 20 2090.89 1089 623 336 170 86 44 28 22 20 20 20100.99 1208 713 397 211 107 57 33 24 21 20 20111.09 1300 802 462 252 134 70 41 27 22 20 20121.19 1300 881 527 298 161 87 49 32 24 21 20131.29 1300 914 589

19、344 193 105 59 36 26 22 20141.39 1300 945 629 391 224 126 70 43 29 23 20151.48 1300 964 668 427 259 147 85 50 33 24 20161.58 1300 984 695 463 287 172 99 59 37 27 20171.68 1300 998 724 491 317 193 115 68 43 29 20181.78 1300 1012 744 521 342 216 130 79 48 31 20191.88 1300 1022 766 543 368 236 148 89 5

20、5 34 20201.98 1300 1033 783 567 390 258 163 101 62 38 20212.08 1300 1041 800 586 413 276 180 112 69 41 20222.18 1300 1050 814 606 431 296 194 125 77 45 20232.28 1300 1057 828 623 451 313 210 135 85 48 20242.38 1300 1064 840 640 468 331 224 148 92 52 20252.47 1300 1070 852 654 485 346 239 158 100 56

21、20262.57 1300 1076 862 669 500 362 252 170 107 60 20272.67 1300 1081 872 681 515 376 266 179 115 63 20282.77 1300 1086 881 694 528 391 278 190 121 67 20292.87 1300 1090 890 705 542 403 290 200 129 71 20302.97 1300 1095 897 716 554 416 301 210 135 74 20313.07 1300 1099 906 726 566 427 313 218 142 78

22、20各层平均温度如表8所示，由此可得在整个过程中，轻质高铝砖的平均温度为522.3，（522.3-520）/522.3=0.44%，即其与假设温度相差为0.44%；轻质粘土砖层的平均温度为74.4。（75-74.4）/74.4=0.81%，即其与假设温度相差为0.81%，假设温度与实际均温相差均小于1%，因此所假设温度是符合要求的。根据式（12）可计算出每层材料各阶段的功率，其结果如表8所示N=mcpt/ （12）表8轻质砖炉衬的功率层数时间（h）轻质高铝砖层均温（）轻质粘土砖层均温（）轻质高铝砖层功率（kw）轻质粘土砖层功率（kw）总功率（kw）00.0 20.0 20.0 10.1 31.

23、9 20.0 4.43 0.00 4.43 20.2 55.6 20.0 8.91 0.00 8.91 30.3 85.3 20.0 11.22 0.00 11.22 40.4 120.9 20.0 13.58 0.00 13.58 50.5 161.0 20.0 15.43 0.00 15.43 60.6 205.2 20.0 17.20 0.00 17.20 70.7 252.7 20.5 18.72 0.07 18.79 80.8 303.3 21.2 20.17 0.11 20.28 90.9 356.4 22.7 21.49 0.24 21.73 101.0 412.0 24.6 2

24、2.77 0.31 23.08 111.1 467.0 27.6 22.86 0.47 23.33 121.2 512.1 31.2 18.97 0.57 19.54 131.3 548.4 36.0 15.41 0.75 16.15 141.4 580.4 41.4 13.69 0.86 14.55 151.5 608.2 47.9 12.00 1.04 13.04 161.6 633.1 55.2 10.78 1.17 11.95 171.7 655.3 63.6 9.68 1.33 11.00 181.8 675.4 72.2 8.82 1.38 10.20 191.9 693.6 81

25、.5 8.03 1.50 9.53 202.0 710.4 90.8 7.40 1.50 8.90 212.1 725.7 100.5 6.81 1.57 8.38 222.2 739.9 110.0 6.33 1.53 7.86 232.3 753.1 119.7 5.87 1.57 7.44 242.4 765.3 128.9 5.49 1.51 7.00 252.5 776.7 138.2 5.12 1.52 6.65 262.6 787.4 147.1 4.82 1.45 6.27 272.7 797.5 155.9 4.52 1.45 5.96 282.8 806.9 164.2 4

26、.27 1.37 5.64 292.9 815.7 172.4 4.01 1.36 5.37 303.0 824.1 180.1 3.80 1.28 5.08 313.1 832.0 187.7 3.58 1.26 4.84 平均值522.374.4从表中可以看出最大理论功率为N计=23.33kw，考虑到炉子的安全问题和功率储备，实际功率N实=KN计，对于本次设计取K为1.3；则：N实=1.323.33=30kw。 （13）2.42采用硅酸铝纤维材料的电炉功率计算（1）炉衬质量确定采用硅酸铝纤维时炉衬的结构，体积及质量如表9、表10所示：表9采用硅酸铝纤维为耐火隔热材料时炉衬结构层数第一层第二

27、层材料硅酸铝纤维=0.22普通钢板厚度（mm）805表10采用硅酸铝纤维时炉衬的尺寸长（mm）宽（mm）高（mm）有效尺寸450250200电热体占位02000最内层尺寸450450200外层尺寸610610360硅酸铝纤维板体积V=0.093m3 质量m=20.56kg（2）材料的分层及功率的计算由刚才以轻质耐火材料为炉衬时的功率计算，可以发现最大功率出现在升温过程当中，因此本次只计算升温过程中的功率。设在升温时间内，炉衬材料的平均温度为320，其则热导率为： 1=00.08+0.110-3320=0.112 W/(m.)其导温系数计算如下： 设把硅酸铝纤维板分为6层，则： （9） （10）

28、 计算不同时各层温度如表11所示：根据差分法可计算出炉衬内的温度分布，由表可得出此段时间内的平均内温度为319.46，与假设温度相差为0.169%，相差较小假设比较合理。在由式12可计算出各时间段得功率，其结果也直接列于表11：表11硅酸铝纤维炉衬中的温分布及其功率数时间（h）0x1x2x3x4x5x6x空气平均温度（）功率00.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 2020.00 10.04 63.65 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 20.00 2023.64 0.45 20.07 107.30 41.83 2

29、0.00 20.00 20.00 20.00 20.00 2030.91 0.90 30.11 150.95 63.65 30.91 20.00 20.00 20.00 20.00 2040.01 1.13 40.15 194.60 90.93 41.83 25.46 20.00 20.00 20.00 2050.92 1.35 50.18 238.25 118.21 58.19 30.91 22.73 20.00 20.00 2063.20 1.52 60.22 281.90 148.22 74.56 40.46 25.46 21.36 20.00 2076.84 1.69 70.25 32

30、5.56 178.23 94.34 50.01 30.91 22.73 20.68 2091.56 1.83 80.29 369.21 209.95 114.12 62.63 36.37 25.80 21.36 20107.36 1.96 90.33 412.86 241.66 136.29 75.25 44.21 28.87 22.90 20124.03 2.07 100.36 456.51 274.57 158.45 90.25 52.06 33.56 24.43 20141.56 2.18 110.40 500.16 307.48 182.41 105.26 61.90 38.24 26

31、.78 20159.79 2.26 120.44 543.81 341.29 206.37 122.16 71.75 44.34 29.12 20178.73 2.35 130.47 587.46 375.09 231.72 139.06 83.25 50.44 32.17 20198.23 2.42 140.51 631.11 409.59 257.07 157.49 94.75 57.71 35.22 20218.30 2.49 150.55 674.76 444.09 283.54 175.91 107.60 64.98 38.85 20238.82 2.55 160.58 718.41

32、 479.15 310.00 195.57 120.45 73.23 42.49 20259.81 2.60 170.62 762.06 514.21 337.36 215.22 134.40 81.47 46.61 20281.17 2.65 180.65 805.71 549.71 364.72 235.88 148.35 90.50 50.73 20302.90 2.70 190.69 849.37 585.22 392.79 256.53 163.19 99.54 55.25 20324.93 2.73 200.73 893.02 621.08 420.87 277.99 178.04

33、 109.22 59.77 20347.27 2.77 210.76 936.67 656.94 449.54 299.45 193.61 118.90 64.61 20369.85 2.80 220.80 980.32 693.10 478.20 321.57 209.18 129.11 69.45 20392.67 2.83 230.84 1023.97 729.26 507.34 343.69 225.34 139.32 74.55 20415.70 2.86 240.87 1067.62 765.65 536.47 366.34 241.50 149.95 79.66 20438.93

34、 2.88 250.91 1111.27 802.05 566.00 388.99 258.14 160.58 84.97 20462.31 2.90 260.95 1154.92 838.63 595.52 412.07 274.78 171.56 90.29 20485.86 2.92 270.98 1198.57 875.22 625.35 435.15 291.81 182.54 95.78 20509.54 2.94 281.02 1242.22 911.96 655.18 458.58 308.84 193.80 101.27 20533.35 2.95 291.05 1285.8

35、7 948.70 685.27 482.01 326.19 205.06 106.90 20557.27 2.97 301.09 1329.52 985.57 715.36 505.73 343.54 216.54 112.53 20581.29 2.98 311.13 1300.00 1022.44 745.65 529.45 361.14 228.03 118.27 20599.31 2.23 321.16 1300.00 1022.83 775.94 553.39 378.74 239.70 124.02 20613.77 1.79 331.20 1300.00 1037.97 788.

36、11 577.34 396.55 251.38 129.85 20627.71 1.73 341.24 1300.00 1044.06 807.66 592.33 414.36 263.20 135.69 20639.91 1.51 351.27 1300.00 1053.83 818.19 611.01 427.77 275.02 141.60 20651.10 1.39 由上表可以看出，其最大功率N计=2.98kw，同样取安全系数K=1.3，则实际功率为N实=1.32.98=3.9kw。2.43两种方案的比较以及最终炉衬材料的确定通过以上计算可以看出采用采用轻质耐火材料作为炉衬其功率为采用

37、硅酸铝纤维做炉衬的功率的10倍以上。且采用硅酸铝纤维板作为炉衬，炉衬的厚度也要小很多。因此虽然硅酸铝纤维价格较为昂贵，但其用量少，功率小，从长远考虑以硅酸铝纤维为炉衬材料是比较好经济的选择。所以本次设计最终选择的炉衬材料为硅酸铝纤维板。2.5硅碳棒的排布计算2.5.1碳硅棒个数的确定炉膛高为200mm，若采用竖直安装硅碳棒的排布方式，则查表可得可选用的规格有8/200,12/200,14/20三种，这三种碳硅棒在1300下承担的功率、电压和电流如表12所示：表12各型号硅碳棒电学参数硅碳棒型号承担功率承担电压承担电流8/2000.7kw 58V 12.1A12/2001.05kw48V21.8A14/2001.23kw47V26.2A根据支数n=N总/n支，计算出所设计的电炉可使用8/200型硅碳棒6支，或4支12/200,14/20型号的硅碳棒。2.5.2碳硅棒表面负荷的