电阻炉设计与计算例题

1、电阻炉设计计算举例一 设计任务为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件如下：（1） 用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；（2） 生产率：160kg/h；（3） 工作温度：最高使用温度950；（4） 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。二 炉型的选择根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。三 确定炉体结构和尺寸1. 炉底面积的确定一直生率 P 为 160kg/h，按表 1 选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 P 为 120kg/(m 。20表 1故可求得炉底有效面积P F 21P

2、0F1由于有效面积与炉底总面积存在关系式 0.750.85,F实际面积F11.33F 1.57m20.85 0.852. 炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取 ，因此，可求得L F /0.5 1.57/0.5 1.772mB=L/2=1.772/2=0.886m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 ，B=0.869m，如图 5-8 所示。3. 炉膛高度的确定按统计资料，炉膛高度H与宽度 B之比 H/B 通常在 0.50.9之间，根据炉子工作条件，取 H/B=0.7 左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度 H=0.640m。因此，确定炉膛尺寸如下长 （230+2）7+（230

3、1/2+2）=1741mm宽 （120+2）4+（65+2）（40+2）2+）2=869mm高 （65+2）9+37=640mm60定的空间，确定工作室有效尺寸为L =1500mm效B =700mm效H =500mm效.4. 炉衬材料及厚度的确定 113mmQN-1.0轻质粘土砖+50mm 密度为 250kg/m 的普通硅酸铝纤维毡+113mmB 级硅藻土3砖。炉顶采用 113mmQN-1.0 轻质粘土砖+80mm 密度为 250kg/m 的普通硅酸铝纤3维毡+115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层 QN-1.0 轻质粘土砖（673）mm+50mm 密度为 250kg/m 的普3通硅酸铝纤维毡+1

4、82mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m 的普通硅酸铝纤维毡3+65mmA及硅藻土砖。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-Mn-N 耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚 20mm。四 砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图 5-8所示。L =L+2（）=2300mm外B =B+2（）=1430mm外H =H+f+（+674+50+182=640+116+310+268+50+182=1566mm外式中：拱顶高度，此炉子采用 60标准拱顶，取拱弧半径 ，则 f 可由 f=R（1-cos

5、30）求得。1. 炉顶平均面积612 R23.140.869F L1.7411.585m266F F F 1.5853.318 2.29m22. 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内。F =2LH+2BH=2H(L+B)=20.640（1.741+0.869）=3.341m2墙内F =2H外 (L外+B 外1.566（2.300+1.430）=11.68m2墙外F F F 3.34111.68 6.25m23.炉底平均面积F =B1.741=1.51m2底内F =B L =1.4302.300=3.36m2底外外外F底均F F 2.23m2五、计算炉子功率1. 根

6、据经验公式法计算炉子功率由式tP F （安） 升1000 取式中系数C 30 h / C，空炉升温时间假定为 =4h，炉升温 t=950，炉膛内壁面积F 壁（1.7410.640）（0.8690.64）+1.7410.869+23.140.8691.741=6.44m2所以t9501.55P F （安） 304 6.44 KW0.5 0.9升1.550.50.910001000由经验公式法计算得 P 75（KW）安2.根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量 Q件由附表 6 得，工件在 950及 20时比热容分别为 C 件 2=0.636kj/（c件 1=0.486 kj/（5-1）Q

7、p（c t -c t ）=160（0.636950-0.48620）=95117/h件件2 1件1 0（2）通过炉衬的散热损失 Q散包括在前墙内。62根据式（1-15）t tQ 散1nn1si Fi1ii对于炉墙散热，如果5-9所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2 墙=780，t3 墙=485，t4 墙=60则950780耐火层 s1 的平均温度t 865，2均硅酸铝纤维层 s2 的平均温度780485t s2均632.5，2硅藻土砖层 s3 的平均温度48560t s均272.5，2s1、s3 层炉衬的热导率由附表 3 得 /(m)t W331均s /(m)t W333均s普通硅酸铝纤

8、维的热导率由附表 4 其热导率与温度成线性关系，由 ts2 均=632.5，得W /(m)2当炉壳温度为 60，室温为 20时，由附表 2 经近似计算得12.11W /(m)求热流t t95020q 墙730.4W /m2gas s s10.115 0.05 0.11511 23 0.511 0.129 0.194 12.11123验算交界面上的温度 t 、t墙23墙st t q12墙1墙1t t788.6780，2墙1.1%2墙t780，2墙 ，满足设计要求，不需要算。st t q2墙3墙2墙263t t497.8485，3墙2.64%3墙t485，3墙，也满足设计要求，不需要算。验算炉壳温

9、度 t4墙st t q 70334墙3墙墙满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。计算炉墙散热损失Q= q F= 730.46.25=4562.5W墙散墙墙均同理可以求得t = 844.3，t = ，t =53，q = 485.4W/m2234顶顶顶顶t =782.2，t = , t =53.7，q = 752.2W/m2234底底底底炉顶通过炉衬散热Q顶散炉底通过炉衬散热= q F顶= 485.4 2.29 = 1111.6W= 572.2 2.23 = 1276W顶均Q= q F底底散底均整个炉体散热损失Q 散 = Q墙散 + Q顶散 + Q 底散= 4562.5 + 1111.6 + 1

10、276= 6950.1W= 25020.4kJ/h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，根据式（5-6）TgTQ 5.675F )( )44a辐t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的一半，故炉门开启面积 F = =0.869 = 0.278m2H20.6402炉门开启率 = = 0.1660t 与 B之比为 0.32/0.869 = 0.37H2度与炉墙厚度之比为 = 1.14，由图 1-14 第 1 条线差得 = 0.7，故0.320.28TgTQ = 5.675 ) ( ) 44

11、at辐1223100293) ( ) = 5.6753.60.2780.10.7(44100= 8877.75kJ/h开启炉门溢气热损失溢气热损失由式（5-7）得Q = qv c (t t ,aa at溢ga64其中，qv 由式子（5-8）得aHqv = = 19970.8690.32 0.32 = 314.1m /h3H2a2冷空气密度 = 1.29kg/m ，由附表 10 得 c = 1.342kJ/(m ，33aa22t =20，tt = t + (t t ) = 20 + (950-20) = 640,33aggagaQ = qv c (t t ,aa at溢ga其他热损失其他热损失约

12、为上述热损失之和的 10%20%，故Q = 0.13(Q +Q +Q +Q )它件散辐溢= 0.13(95117+25020.4+8877.75+33713)= 23346.1kJ/h热量总支出其中 Q = ，Q = 0，由式得辅控Q = Q +Q +Q +Q +Q +Q +Q总件辅控散辐溢它= 95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1=202931.2kJ/h炉子安装功率总由式（） P 安其中 K为功率储备系数，本炉设计中 K取 1.4，则1.4202931.2P =安= 78.9kW3600与标准炉子相比较，取炉子功率为 75kW。六炉子热功率计算1.正常工作

13、时的功率由式(5-12)95117Q = 47.2%件202931.2Q总2.在保温阶段，关闭炉门时的效率95117Q59.3%件Q Q +Q ） 202931.28877.7+33713）总辐溢七炉子空载功率计算Q Q2 5 0 2 . 4 2 3 3 4 6 . 1 1 3 . kP 空散空3 6 0 03 6 0 0八空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层储热较少，为简化计算，将65算，因升温时炉底板也随炉温升温，也要计算在内。1. 炉墙及炉顶蓄热V 2 1 . 74 1 (1 2 0 . 0 6 7 0 . 1 5) 0. 1 1 5 0 . 3 7 6侧3黏V前后2

14、 ( 0 . 6 9 . 11 5 2 ) (6 0 . 6 7 . 1 3 5) 0 . 1 1 5 0 . 3 0 53黏V 0 . 97 (1 .7 4 1 . 2 7 6) 0 . 1 5 0 . 2 2 5顶3黏V 2 (1 . 4 1 0. 1 15) (2 0 . 6 7 . 1 3 ) 0 . 0 5 0 . 1 7 4侧3纤V前后纤2 ( 80.1152)(160.0670.135)0.05m3V 1.071(1.7410.276)0.08m顶纤3V 2(120.0670.135)(1.7410.115)0.1150.401m侧硅3V前后硅2(160.0670.135)0.1

15、150.397m3V 2.31.430.1150.378m顶珍3由式(5-9) c (t t V纤c t( 纤Vt ) ct t )Q V蓄粘粘粘粘0纤纤0硅硅硅硅0950788.6因为t （t t ）/2=869.32黏12墙查附表 3 得c 0.26 t 0.26 kg33黏黏788.6497.8t （t +t ）/2=643.22纤2墙墙查附表 3 得c 0.810.28 t 0.810.28 kg33纤纤497.8649t （t +t ）/2=281.32硅3墙墙查附表 3 得c 0.840.2510 t 0.840.2510 281.3 0.91kj/ kg）33硅硅所以得Q （V

16、+V +V ） ct t ）侧黏.后黏顶黏1黏 黏黏0（V +V +V ） c（t t ）侧纤后纤顶纤纤 纤纤0（V +V +V ） c（t t ）侧硅后硅顶硅硅 硅硅0（0.376+0.305+0.2251.0101.066869.320）3（0.174+0.133+0.1730.25100.99（643.2-20）3（0.401+0.397+0.3780.5100.91（293.3-20）31032238kj2.炉底蓄热计算66V底 4（0.020.12+0.1130.065）+(0.040.113+(0.1132黏1.74(1.430.1152)(2.30.115)0.0650.314m

17、3V 2.31.43底3纤V底 2.31.430.182 0.600m3硅由于t t t 底黏12底查附表 3 得c 0.26 t 0.26 kg底黏3 底3黏t t t 底硅3底4底查附表 3 得c = 0.840.2510 t 0.840.2510 3110.918kj/ kg）底硅3 底3硅所以得Q底蓄1.0103（866.1-20）10 3 675-20） （311-20）=38988033.炉底板蓄热根据附表 6 差得 950和 20时高合金钢的比热容分别为 c =0.670kj/ ）2板和 c =0.473kj/（ G=242kg，所以有板1Q c t c t =242板蓄板2 1

18、1 0Q Q Q Q 1032238底蓄板蓄蓄1由式（5-13）得空炉升温时间1578861.6Q蓄3600P5.8h360075升安对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 38 小时内均可，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，实际空炉升温时间在 4 小时内。九、功率的分配与接线75KW 、或电电压为车间动力电网 380V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535KW/m 之间，常用为2025 KW/m 之间。22F =2F +F 1.7410.64+1.7410.869=3.74m2电电侧电底75W=P /F 20.05KW

19、 /m23.74安电2表面负荷在常用的范围 2025KW/m 之内，故符合设计要求。267十、电热元件材料选择及计算由最高使用温度 950，选用线性 0Cr25Al5 合金作电热元件，接线方式采用。1.图表法由附表 15 查得 0Cr25Al5 电热元件 75KW 箱式炉 YY 接线，直径 d=5mm 时，其表面负荷为 1.58W/cm 。每组元件长度L组=50.5m，总长度L总=303.0m，元2件总质量 G总=42.3kg。2.理论计算法（1）求 950时，电热元件温度取 ，由附表 12 差得 0Cr25Al5 在 20时电阻率 =1.40 2/m 10-5-1 1110下的电热元件电阻2

20、0率为 0 1+t）=1.40 （1+4 10 1100）=1.46 mm /m52t（2）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 W =1.6W/cm 。3）每组电热元件功率2允75 75由于采用 YY接法，即三项双星形接法，每组元件功率P 组12.5KWn 32（4）每组电热元件端电压由于采用 YY 接法，车间动力电网端电压为 380V，故每组电热元件端电压即为每项电压U 组V3（5） 电热元件直径线状电热元件直径由式（5-24）得d 34.3 P / U W 34.3 12.5 6 220 1.64.9mm2组2组3223t允取 d=5mm（6）每组电热元件长度和

21、重量每组电热元件长度由式（5-25）得2220 52U2组Pd2L 0.78510组0.78510352.07m312.51.46组t每组电热元件质量由式（5-26）得G d L 24组组M式中， 由附表 12 查得 3MM所以得3.144G d L 5 52.077.110 7.26kg2254组组M68（7）电热元件的总长度和总质量电热元件总长度由式（5-27）得L =6L 52.07=312.44m总组电热元件总质量由式（5-28）得G =6G 7.26=43.56kg总组（8）校核电热元件表面负荷12.5103P组dLW 实1.53W /cm23.140.05520.7组W W实，结果

22、满足设计要求。允（9）电热元件在炉膛内的布置。将 6 组电热元件每组分为 4 折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有L组4L 折4布置电热元件的炉壁长度=L-50=1741-50=1691mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于 1000，由表 5-5 可知，螺旋节径（46）d，取 D=6d=65=30mm螺旋体圈数 N和螺距 h 分别为L折 D 138圈33.14h= /N=1691/138=12.3mmh/d=12.3/5=2.46按规定，h/d 在 24 范围内满足设计要求。根据计算，选用 YY 方式连线，采用 d=5mm 所用电热元件重量最小，成本最低。电热元件节距 h 在安装时适当调整，

23、炉口部分增大功率。电热元件引出棒材料选用 1Cr18Ni9Ti，=12mm，l=500mm。二、供电电压和接线方法的大截面电阻板外，一般均采用车间电网电压，即 220V或 380V。电热元件的接线，应根据炉子功率大小等因素考虑决定。当炉子功率小于25KW 220V 或 380V 2575KW 380V星形接法买个别也可用三相 380V 75KW 热元件分为两组或两组以上的 380V 星形接法或三角形接法。每组功率以3075KW 为宜，即每相功率在 1025KW 之间。这样，可使每一电热元件的功率不致过大，便于布置安装，而且电热元件的尺寸也较合适。电阻炉的功率，由于工艺要求不同，各阶段相差甚大，

24、如台车炉、井式炉、井69甚小，旧系列热处理电阻炉可控硅采用 PID 连续调节或计算机控制温度，在升提高了电热元件的使用寿命。5-4 常用电热元件材料及其选择选用得电热元件材料密切相关。一、 电热元件材料和性能要求1. 具有良好得耐热性及高温强度电热元件的工作温度一般比炉温高 100200，所用材料必须具有良好得耐热生明显的蠕变变形和坍塌。2. 具有较大的电阻率在电热元件端电压一定的条件下，电热元件发出得功率与其电阻成反比，而电热元件的电阻与其材料的电阻率 mm 成正比，即2R= )（5-15）Lf式中：电热元件截面积(mm ；2长度(m).当 Rf 越大，则L越短，节省材料，便于安装；当RL不

25、变时， 越大，则 f越大，提高强度，延长寿命。3. 具有较小的电阻温度系数电热元件材料的电阻温度系数 (1/则应配备调压器，保证炉子功率的稳定。4. 具有较小的热膨胀系数电热元件受热伸长，可用下式计算L=L t) (m)式中：L 、L电热元件在 0和 t得长度(m)；（5-16）toott电热元件得工作温度； 电热元件得热膨胀系数(1/的膨胀余地。5. 具有良好的加工性电热元件材料应便于加工成各种形状并具备良好的焊接性。二、常用电热元件材料及特点电热元件材料可分为金属材料和非金属材料两大类。1. 金属电热元件材料系。（1） 耐热性好，抗渗碳，耐硫蚀，价格便宜，应用广泛。其缺点是塑性强，高温加热

26、后晶粒粗大，脆性大。常用牌号有 0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、1Cr23Al6Mo2、0Cr13Al4、0Cr25Al6RE 等。70（2） 和维修，抗渗氮。其缺点是电阻率（ ）小，电阻温度系数（ ）大，不抗硫蚀，价格昂贵。常用牌号有 Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3 和Cr23Ni18 等。（3） 纯金属。钼、钨和钽熔点很高，塑性很好，可作为线状，带状和筒状的电热元件，其中钼应用最广。这类材料高温易氧化，常需在氢气、氨气解气氛或真空中使用。其缺点是电阻温度系数（ ）很大，常应附加调压器调见附表 12。2. 非金属电热元件材料主要有硅碳系、碳系和硅钼系三种

27、，对用于高温热处理炉或真空炉。（1） 硅碳系：这类电热元件材料电阻率（ ）大，通常制成带状、棒状，可在氧化性介质 1350下长期工作。其缺点是易老化、脆性大、强度低、安装使用中需避免碰撞，并需配调压器。成分主要是 SiC。（2） 碳系：石墨、碳粒和各种碳质制品都属于碳系电热元件。常用于 14002500中性气氛或真空中，最高可达 3600。其热膨胀系数（ ）小，电阻率（ ）大，易加工，耐极冷极热性好，价格低廉。（3） 硅钼系：这类电热元件材料耐高温，不易老化，最高使用温度可达17001800，其电阻温度系数（ ）大，便于在低温输入较大功率而缩短炉子升温时间，在 1350以上会软化，不便水平安装

28、。其主要成分为MoSi 。2常用非金属电热元件材料性能见附表 13。三、电热元件的表面负荷电热元件的表面负荷 W 指元件单位表面积所发出的功率，单位为 W/cm 。元件2表面负荷越高，发出的热量就越多，元件温度就越高，所用元件材料也越少，但是，如果表面负荷过高，元件寿命会缩短。因此，表面负荷应有一个允许的数，成为允许表面负荷 W允，其大小取决于元件材料和工作温度。已更换时取高值。图5-3为合金电热元件的允许表面负荷曲线。图中上线为敞漏度高 100200。71表 5-3为电阻丝在不同温度下常用的允许表面负荷，表5-4为硅碳棒在不同温度下的允许表面负荷，可供设计时选用。表 5-3 电阻丝的允许表面

29、负荷 W（W/cm ）2允炉膛温度/900 10003.0-3.7 2.6-3.2 2.1-2.6 1.6-2.0 1.2-1.5 0.8-1.0 0.5-0.77008001100120013000Cr25Al5Cr20Ni80 3.0Cr15Ni60 2.52.52.02.01.51.50.81.1-0.5-表 5-4 硅碳棒的允许表面负荷 W（W/cm ）2允炉膛温度/ 1000 110035 2612002112501813001413501014005W允5-5电热元件的计算电热元件的计算，主要包括元件的截面积尺寸、长度和质量以及一些结构尺寸的计算，以满足功率、使用寿命和安装要求。一

30、、 金属电热元件的计算1. 电热元件的尺寸和质量设炉子共有 n 个电热元件，炉子的安装功率 P 则每个电热元件的功率为安，PP安()（1）n在炉子工作温度为 t 时，每个电热元件的电阻 R 应为：t72U2R 1 0( )（2）（3）3PtLfRt 又可表示为：R ()tt式中： 元件在工作温度下得电阻率（ mm 2t每个元件得长度（m元件的截面积(mm ).2由（2）和（3）式可得：fU2L103(m)（4）Pt电热元件的功率与单位面积负荷的关系为：PW F W SL()33允允P102L(m)（5）（6）W S允式中：电热元件表面积(cm );2S电热元件横截面积的周长(mm).将（5）代入（4）得：10 P 52Sf tW U允2由于丝状电热元件和带状电热元件的截面和周长计算方法不同要分别讨论。1) 直径为 d 得丝状电热元件因 S d (mm) , f d2(mm), 故：42 d3（7）（8）4将（7）代入（6）经整理得到：4 P P 522d 3（mm）tt3U W2U W22允允则每个电热元件的长度可按（3）式求得U dR ftRtt22L0.785 0.78510 (m)（9）3Ptt73每个元件的质量为 10kg( )（10）G d L 234M式子： 元件材料密度（g/cm 3M所需电热元件总长度