中温井式电阻炉设计

1、目 录一、设计任务1、专业课程设计题目···············································

2、;··12、专业课程设计任务及设计技术要求· ··································1二、炉型的选择········&#

3、183;·············································1三、炉膛尺寸的确定··

4、3;···············································11、炉膛有效尺寸（排料法）&#

5、183;······································11.1 确定炉膛内径 D·········&

6、#183;···························· 11.2 确定炉膛有效高度H··················

7、3;···················· 21.3炉口直径的确定···························

8、3;················· 21.4 炉口高度的确定 ······························&#

9、183;··········· 3 四、炉体结构设计 ····································&#

10、183;··········· 31、炉壁设计·····································

11、·············32、炉底的设计···································

12、3;···············53、炉盖的设计·································&#

13、183;·················64、炉壳的设计·······························

14、····················7五、电阻炉功率的确定····························&

15、#183;···················71、炉衬材料蓄热量Q蓄 7 ···························

16、3;············ 82、加热工件的有效热量Q件···································&

17、#183;·93、工件夹具吸热量 Q夹 ·········································104、通过炉衬的散热损失Q散 ··&

18、#183;···································105、开启炉门的辐射热损失Q辐···········

19、83;·······················126、炉子开启时溢气的热损失Q溢 ·······················

20、83;··········127、其它散热 Q它·····································

21、3;····· 138、电阻炉热损失总和Q总··································· 139、计算功率及安装功率· ···

22、3;·····································13六、技术经济指标计算··········

23、3;····································131、电阻炉热效率············

24、····································132、电阻炉的空载功率············

25、································143、空炉升温时间················&#

26、183;·······························14七、功率分配与接线方法· ···············

27、·····························141、功率分配···················

28、3;································142、供电电压与接线方法· ··············&#

29、183;··························14八、电热元件的设计·····················

30、83;···························151、I 区·····················&#

31、183;··································152、II区··············&

32、#183;·······························163. 电热元件引出棒及其套管的设计与选择· ·············&#

33、183;············184. 热电偶及其保护套管的设计与选择· ······························18参考书目··

34、;··················································

35、;···19一、设计任务1、专业课程设计题目：中温井式电阻炉设计2、专业课程设计任务及设计技术要求：1、 90×1000 中碳钢调质用炉.2 、每炉装 16 根3 、画出总装图4 、画出炉衬图5 、画出炉壳图（手工）6 、画出电热元件图7 、写出设计说明书二、炉型的选择因 为 工 件 材 料 为 90 × 1000中 碳 钢 调 质 用 炉 对 于 中 碳 钢 调 质 最 高 温 度 为870+(3050)，所以选择中温炉（上限950）即可，同时工件为圆棒长轴类工件，因而选择井式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择

36、周期式中温井式电阻炉，最高使用温度950。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸（排料法）1.1 确定炉膛内径D工件尺寸为 90×1000 , 装炉量为 16 根，对长轴类工件，工件间隙要大于或等于工件直径；工件与料筐的间隙取 100200mm。炉膛的有效高度 150250mm排料法如图所示则：根据几何关系，每根工件最小距离取90mm，则可以计算出D=2 ×90×d=890mmD效=d+2×100200=1100又因炉壁内径比料筐大200300mm故取： D砌 =1500mmD效 =1100mm查表得可用砌墙砖为BSL· 427·467

37、(A=168,B=190.8,R=765,r=675)型轻质粘土扇形砖。D 砌 =1500mm由该砖围成的炉体的弧长为：S=D=3.14×1500=4710mm砖的块数 :砖的块数为： 4710÷168=28.04 块，取整后 N=28N=22对 D 进行修正得： D砌=28× 168÷3.14=1500mm，修正后：取 D 砌 =1500mmD 砌 =1500mm1.2 确定炉膛有效高度H由经验公式可以得知，井式炉炉膛有效高度H 应为所加热元件（或者料筐）的长度的基础上加0.10.3m。H效 =1000+200=1200mmH= H效 +250=145

38、0mm由于电阻炉采用三相供电，放置电热元件的搁砖应为3n 层，H砌 =3n×(65+2)+67,n=6.88.取整后取 n=7再将 n=7 代入上式，得 H 砌=1474mm搁砖 21层选用代号为 SND-427-09 的扇形搁砖H 砌 =1474mm每层搁砖数目为N= D砌 ÷50=94.2 ，取整为 94 块。搁砖总数 n=94×21=1976 块每层搁砖数目：1.3 炉口直径的确定N=94D效 =110mm，由于炉口用斜行楔形砖搁砖总数n=1976 块故有，D 效=74×N将 D 效=1100mm代入，得 N=46.7，取整后 N=47，再将N=4

39、7代回上式，则得到D炉口 =1107mm。扇形砖选择 8SL。 427.077D炉口 =166×N到 D炉口 =1107mm。得 D=20.8 取=211.4 炉口高度的确定N=21按一般的设计原则，炉口可由斜行楔形砖和2 层直行砖堆砌而成。故 H 炉口 =（65+2）× 3+32=233mmH 炉口 =233mm四、炉体结构设计炉体包括炉壁、炉底、炉盖、炉壳几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；（2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提

40、下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）耐火、隔热保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则会降低使用寿命；（4）要保证炉壳表面温升小于 60，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。1、炉壁设计炉壁厚度可采用计算方法确定，下图为井式炉炉壁二层结构，第层为耐火层，其厚度一般为 90mm，采用轻质粘土砖 RNG-0.6；第层为 B 级硅藻土砖 +耐火纤维，其厚度取标准砖 115 mm，第层为保温层，采用B 级硅藻土砖架构中间填充矿渣棉，其厚度设计为xmm。在稳定传热时，对各炉衬热流密度相同。根据课本的公式结合查表，可得：S190mmS =1152两层炉寸t0 =20q=(t3-t0) ，由设

41、计参考书温升50，则炉壁温度60，室温 20是2 02 0t3=60 ? =12.17W/(m * C)所以 q=12.17× 40=486.8W/(m * C)t1 =950RNG-0.6型轻质粘土砖：1密度 1600 kg m3；热导率 10.165 0.19 10 3 t均 w mgoC；比热容C1 0.8360.26310 3 t 均 KJoKgg C 。硅酸铝纤维密度 2=120 kg/m 3； 30热导率 2=0.032+0.21 ×（ 10 t 均 ） *2 W/(m* C) ；比热容 C2=1.1KJ/ （kg* 0C）。由 t21221t1qS1) 代入数

42、据得：112b1 (0.5b1t1b1t10.16521033950220.23×0.0010.1652 0.194( 0.50.194100.165 950 0.09 641.50)=820 m=0.032+0.21× （820+50） 2×1000*2=0.0727w m.S2=1486.6 ×0.0727 ×(820-60)=113.5mm取 S2=115mmt2 =8202、炉底的设计炉底结构通常是在炉底壳部的钢板上用珍珠岩砖或硅藻土砖砌成方格子， 各格子中填充蛭石粉。然后，在平铺二层重质粘土砖。t3=60 炉底砖的厚度尺寸可参照炉壁的

43、厚度尺寸，一般为230690mm。由于要承受炉内工件的压力，且装出炉有冲击的作用。故炉底板要求又较高强度。S2=115由底至上，第一层为膨胀蛭石粉和硅藻土砖复合层， 第二层，第三层为重粘土砖。结厚度材料：砌砖型号：构： mm膨胀蛭石粉115+BSL·427·280硅藻土砖 B 级67重粘土砖BSL·427·013RNG-1.367重粘土砖BSL·427·013RNG-1.33、炉盖的设计炉顶的结构有平顶、拱顶和悬顶三种。当炉子的宽度为6003000mm时，可采用拱顶，拱角可用60°和 90°，其中使用最多的是60&

44、#176;，这种拱顶称为标准拱顶。拱顶是炉子最容易损坏的部位，拱顶受热时耐火砖发生膨胀，造成砌拱顶时，为了减少拱顶向两侧的压力， 应尽量采用轻质的楔形砖与标准直角砖混合砌筑。第一层第二层炉盖结构图设计条件：炉膛温度 950，壳体温度 60，室温 20。上层采用普通硅酸铝纤维，下层用轻质粘土砖。结构厚度 (mm)材料型号第一层180普通硅酸铝纤维第二层115轻质粘土砖 RNG-0.6BS·427· 444、炉壳的设计炉壳的尺寸取决于炉子砌体的尺寸， 炉子的砌体包在炉壳之内。 炉体框架要承受砌体和工件的重量以及工作时所产生的其它附加外力。 因此，框架要有足够用的强度，框架和炉壳

45、一般通过焊接成型， 构成整个整体， 以保证强度和密封性的要求。炉壳一般用 35mm的 Q235钢板，炉底用 68mm的厚板，井式炉炉壳圈一般用 6.3 或 7 号角钢制作。综上所述，炉壳采用5mm厚的 Q235钢板，炉底选用 8mm厚的钢板，炉壳圈选用三根 7 号角钢均匀分布， 两根 7 号角钢横向分布， 炉底五根槽钢通过焊接而成。五、电阻炉功率的确定电阻炉的功率大小与炉膛容积、 炉子结构、炉子所要求的生产率和升温时间等因素有关。确定炉子的功率需要综合考虑各方面的要求， 本次设计采用理论计算的方法计算电阻炉的功率。理论计算发是通过炉子的热平衡计算来确定炉子的功率。 其基本原理是炉子的总功率即热

46、量的吸收， 应能满足炉子热量支出的总和。 热量的支出包括： 工件吸热量 Q件 、工件夹具吸热量 Q夹 、炉衬散热量 Q散 、炉衬蓄热量 Q蓄、炉门和缝隙溢气热量 Q 溢、 炉门和缝隙辐射散热量 Q辐、其他热损失 Q它 等。先预估算功率 P估 ，采用炉膛面积法，P估 =50D砌H 砌 =110.55kw1、炉衬材料蓄热量Q蓄炉衬材料的蓄热量是指炉子从室温升到工作温度整个砌体所吸收的热量。计算式为：Q蓄V(c2 t2c1t1 )第层：600 Kg m3 ；C20.8360.26310 3950 820=1.068KJ (KggoC )2；C20.8360.26310 320=0.8417 KJ(K

47、ggoC ) ；VHr2r 21211.4746000.842- 0.752820950壁1.068 - 20 0.8471Q2=369103.42KJ第层：120 Kg m 3 ； C1C2 1.1KJ ( KggoC ) ；V2Hr2r 232Q炉寸 =Q壁1200.9552- 0.84282060- 20 1.14.2210 5KJ21. 474=52994.7KJQ炉寸 =Q1+Q2=369103.42+52994.7=422098.12KJ简化计算炉底蓄热：Q蓄 =r 290 103600950 8201. 068 20 0. 84172把 r=750 代入得： Q蓄 1=11445

48、6.9KJQ蓄 =r 2115 10 3120820 601.1 20 1.12把 r=750 代入得： Q蓄 2=14556.59KJ Q蓄 =Q 1+Q 2=129032.56KJQ总蓄简化炉顶的蓄热量6.8 105 KJQ蓄（顶） =Q蓄（底） =129032.56KJQ总蓄 =Q炉寸 +Q蓄( 底)+Q 蓄 ( 顶 )=422098.12+129032.56+129032.56=680163.24KJ2、加热工件的有效热量Q件估算空炉升温时间：Q器680163.241.71h升3600P=110.553600则估计取整 2 小时，工件升温时间用经验公式工件直径1min得到工mm件升温时

49、间取1.5 小时，保温时间0.5 小时，装炉时间0.3 小时。则：=2+1.5+0.5+0.3=4.3h工件重量：2GPVN160. 097. 8103793. 943kg2g 件793. 943h4. 3184. 637 185 kgQ件 g件 (c2t2c1t1 )=1859500.6789 -20 0.4939148771.39 KJ h3、工件夹具吸热量Q夹因本次所设计正火炉不需使用夹具，故Q夹=0。升1. 71h取 2小时4.3G=793.9kgQ件1.48105 KJ4、通过炉衬的散热损失Q散Q夹0散热损失就是炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到车间的热损失。因为炉顶、炉底散热一个

50、较多，一个较少，因而在计算中将炉顶、炉底简化成与炉壁散热情况一样。 在炉衬传热达到热稳定的情况下， 通过炉壁的散热损失，可参考下图，按照下式计算。炉衬蓄热情况简化计算图Q散t 1t 03. 6S1S211 F m12Fm2F先求出各层炉墙材料的平均热导率：1 0.165 0.19 10 3 950 8200.333 w mgoC282020220. 032 0. 210. 06904 w m.0 C2103各层炉墙的厚度S 列出如下：S10. 09m; S20. 115m是炉壳外表面对空气的综合传热系数w通过查表得=12.2m2CFm 是各层平均面积，其公式如下所示，代入数据得：D砌2F0D砌

51、 H砌2210. 165m ；2；D砌 2S12F1D砌2S1 H砌2S12212. 809m ；2D砌 2S1 2S22F2D砌2S1 2S2 H砌 2S1 2S22216. 633m2Fm1F0F111. 487m2 ；2Fm2F1F214. 721m22。公式中 t 是炉膛和室温t 1950 C ； t020 CQ散23632KJ将以上数据代入求 Q散 ，所示如下：Q散950203. 60. 090. 11510. 33311. 4870. 06914. 72112. 216. 633得 Q散=23632KJ5、开启炉门的辐射热损失Q辐计算公式如下：4T24T13.6 FQ辐 5.675

52、100t100T1与 T2 分别是炉膛内部和炉外空气的绝对温度（K）；炉门开启的面积： F1. 1120. 95m2F2炉口辐射遮蔽系数：L 2330. 2018 ，查表可知：0. 83D 1110t 炉门开启率： t0. 30. 069764. 3将以上数据代入公式计算得：Q辐21923KJ6、炉子开启时溢气的热损失Q溢计算公式如下：Q溢 VC ( t1t 2 )t2；其中： V2200R2R ；0. 3t0. 06976 ；4. 31. 112V1. 11220022Q辐21923KJQ溢5.8104 KJ1.112Q散1.110.5950 20 0.0697658177.96 KJ220

53、01.422Q它14179.2 KJ7、其它散热 Q它一般如下估算： Q它(0.5 1.0)Q 散则： Q它0.623632 14179.2 KJQ总2.66105 KJ8、电阻炉热损失总和Q总Q总Q件Q散Q辐Q溢Q它266683.55K J9、计算功率及安装功率Q总P计69.229KW3600安装功率应大于稳态时计算功率P安kP周期作业炉 k 取 1.3 到 1.5 之间。得：P安69.2291.31.5 KW：取 P安90KW：六、技术经济指标计算1、电阻炉热效率P计109.89 KwQ件100%148771.3955.7%Q总100%266683.55一般电阻炉的热效率为40%80%，满

54、足要求。2、电阻炉的空载功率P安150Kw电阻炉的空载功率是指空炉在最高工作温度并稳定状态下所消耗的功率，又称为空炉损失。用下式计算：P空Q散Q它23632 14179.210.5 kwP空11.6%36003600P总=55.55%3、空炉升温时间空炉升温时间是指在额定电压下，经过充分干燥、 没有装料炉的电阻炉从冷态加热最高工作温度所需的时间。空炉升温时间：Q器680163.24升3600P安2.09 h3600 90P空 =13.3 Kw七、功率分配与接线方法1、功率分配为了使炉膛温度均匀或工艺要求分区分布炉温， 需要将温度分布在炉内的各个部分。井式炉功率大于 75Kw是要考虑分区， HD

55、大于 1 也要分区。 升 =2.3h 综上所述，由于本次设计电阻炉安装功率达到 90Kw,所以为了更合理的设计与安装电热元件，现将炉膛分三区计算，上下区功率分别为：上区 42Kw,下区都是 48Kw。2、供电电压与接线方法电阻炉的供电电压，除少数因电热元件的电阻温度系数太大或要求采用低电压供电的大截面电阻板外，一般均采用车间电网电压，即220V 或 380V。电热元件的接线，应根据炉子的功率大小，功率分配等因素来决定。因炉子功率为 150Kw，即可采用三相380V星形，也可采用三角形接法。综上所述，本次设计采用0Cr25Al5 电热体材料，三相380V 星形接法。八、电热元件的设计分区层数功率

56、区9 层42KW区12 层48KW选用 0Cr25Al5 线状电热元件，电压 380V。1、I 区1.1 供电电压和接线选用三相 380V、星形接法P安42（）P314 KW3n380220（ V ）U31.2确定电热元件的单位表面功率因炉膛最高温度不超过950，结合选材 0Cr25Al5 查表得W允1.71W / cm31.3 确定元件尺寸d 34.3 3 P2 t U 2W允（1t） 1.4 （1410 51100） 1.5gmm2 / mt0代入上式得 d=5.2mm，取 d=5.5mm2222022L 0.785 10 -3 U d0.785 10 35.51456mPt1.5L 总 =nL=3× 56=168（m）GgML =0.169 ×168=28.392 kg