热处理炉课程设计

10名目设计任务〔见教材80页〕 1炉型选择 1确定炉膛尺寸 1\l“_TOC_250005“理论确定炉膛尺寸 1\l“_TOC_250004“实际确定炉膛尺寸 2\l“_TOC_250003“确定炉膛有效尺寸 3炉衬材料的选择及其厚度确实定 3\l“_TOC_250002“炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算 3\l“_TOC_250001“炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算 6\l“_TOC_250000“炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算 7炉子外形尺寸确实定和砌体平均外表积的计算 9用热平衡计算法计算炉子功率 10炉子热效率的计算 13功率的安排和接线方法 14校核炉膛内壁外表负荷〔选做〕 14电热元件材料的选择和理论计算 14炉子技术指标 16热处理电阻炉设计设计任务〔80页〕炉型选择〔650~1000℃〕箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。确定炉膛尺寸理论确定炉膛尺寸确定炉底总面积实际排料法和加热力气指标法加热力气指标法来确定炉底面积。炉子生产率P60kgh，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p 120kg (m2h)。0因此，炉子的炉底有效面积〔可以摆放工件的面积〕FP 60

可按下式计算：1F 0.5m21 p 12000.75～0.850.8，则F为，FF 1F

0.5 0.625m 0.80 0.80确定炉膛的长度和宽度

L3/2～2B

L2，则炉子炉底长度和宽度分别为:BL F 0.5 0.5L 1.118B 0.559m2 2确定炉膛高度H0.5～0.9B值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：H0.7B0.70.5590.391m实际确定炉膛尺寸为便利砌筑炉子，需依据标准砖尺寸〔230×113×65mm，并考虑砌缝宽度〔2mm进一步确定炉膛尺寸如下：L(2302)51160mm1.16m；B(552)2(1132)3(382)25721153402539mm0.539mH(652)6402mm0.402m留意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差异太大。确定炉膛有效尺寸效尺寸确定如下：L 950mm效B 450mm效H 350mm效炉衬材料的选择及其厚度确实定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。这三部格外壁对四周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，必需分别进展计算。炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算看作前墙的一局部。耐火层113mm60mm350kg/m³230mm厚的A级硅藻土砖〔34。这种炉衬构造在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于60℃，应首先求出热流密度，然后计算进展验证。20℃墙向四周空气散热的热流密度为：950201) SSS确实定1 2 3

qS1S2 1

3S13 S1S,S,S厚度〔m。1 2 32mm的砌缝宽度，则SSS的厚度为：1 2 3S 1132115mmS 60mmS 2302232mm。1 2 32),,，1 2 3

确实定,,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·℃〕; 是炉壳对四周空气的综合传热系数〔W/m℃。要求出和1 2 3

，首先必需假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘t850℃，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻2土砖之间的界面温度t620℃，炉墙外壳温度t55℃<60℃。如以下图。3 4求轻质粘土砖的平均导热率3，可得轻质粘土砖〔QN—0.8〕的平均导热率为：求轻质粘土砖的平均导热率 0.2940.212103t〔t为平均温度〕1 p ptt 950850 0.2940.212103(11=0.485W/m·℃

2)0.2940.212103( )2 2求硅酸盐耐火纤维毡的平均导热率tt 850620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t p

3 735℃。依据教材附2 2700℃、1000℃的热导率W/m·℃0.122W/m·℃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：0.121

0.121W/m·℃求硅藻土砖的平均导热率1000700 735700 2求硅藻土砖的平均导热率 0.1050.23103t3 ptt

62055 0.1050.23103(3求炉墙外壳对四周空气的综合传热系数=0.183W/m·℃求炉墙外壳对四周空气的综合传热系数

3 4)0.1050.23103( )2 220℃2为钢板或涂灰漆外表时，对四周空气的综合传热系数为：11.81W/m²·℃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：95020 930q 0.1150.060.232 10.485 0.121 0.183 11.81

2.086

445.8Wm2轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t为：2t t2 1

qS

1950445.8844.3844.3850850

0.1150.485

844.3℃

t t2 t硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：2硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：

0.67%5，满足设计要求，不必重算。t t3 2

qS2623.2623.2620620

844.3445.8

0.0600.121

623.2℃；

t 3 t炉墙外壳温度为：3炉墙外壳温度为：

0.52%5%，满足设计要求，不必重算。t t4 3

qS33

623.2445.8

0.2320.183

58℃＜60℃；60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设60℃，必需重选择炉墙炉衬材料及其厚度。炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算113mmQ—0.8113mm珍宝岩。20℃顶向四周空气散热的热流密度为：95020S1qS11)SSS确实定1 2 3

S1S2 1 2

33 S,S,S〔Q—0.81 2 32mm的砌缝宽度，则SSS的厚度为：1 2 3S 115mmS 60mmS 115mm。1 2 32),1 2

,,3

确实定,,1 2 3

1W/m℃;〔W/℃1

,,2 3和 ，首先必需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t860℃，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍宝岩之间的界面温度2t580℃，炉顶外壳温度t55℃<60℃。确实定确实定1确实定2确实定确实定确实定3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：95020 930q0.1150.060.115 10.486 0.121 0.110

1.852

502.2Wm2轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2为：t t2 1

qS

1950502.2

0.1150.486

831.0℃1831.0860860t 831.0860860

2 2 3.4%5，满足设计要求，不必重算。t硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：2硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t t3 2

qS22

831.0502.2

0.0600.121

582℃；582580580t 582580580

3 3 0.32%5，满足设计要求，不必重算。t炉顶外壳温度为：3炉顶外壳温度为：t t4 3

qSS3

582502.2

0.1150.110

57℃＜60℃；60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设60℃，必需重选择炉墙炉衬材料及其厚度。炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉底的炉衬构造为，耐火层是〔 65+2〕×3=201mm厚的轻质粘土砖Q—0.880mm350kg/m3的一般硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖。20℃底向四周空气散热的热流密度为：95020S1qS11)SSS确实定1 2 3

S1S2 1 2

33 S1,S2,S3分别是轻质粘土砖〔Q—0.8A级硅2mm的砌缝宽度，则S,S,S的厚度为：1 2 3S 201mmS 80mmS 249mm。1 2 32),1 2

,,3

确实定,,1 2 3

A级硅藻土砖的平均热导率〔W/m·℃〕; 是炉底外壳对四周空气的综合传热系数〔W/m·℃。要求出和1 2 3

，首先必需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t810℃，硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖之间的2界面温度t560℃，炉底外壳温度t55℃<60℃。确实定确实定1确实定2确实定确实定3确实定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：95020q0.2010.080.249 10.481 0.119 0.178

358.5Wm2轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t为：2t t2 1

qS

1950358.5

0.2010.481

800.1℃

t t2 t硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：2硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：

1800.1810810 1.2%800.1810810t t3 2

qS22

800.1358.5

0.080.119

559.2℃；559.2560560t 559.2560560

3 3 0.1%5，满足设计要求，不必重算。t炉底外壳温度为：3炉底外壳温度为：t t4 3

qS33

559.2358.5

0.2490.178

57.7℃＜60℃；60℃，故炉底炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。假设60℃，必需重选择炉墙炉衬材料及其厚度。炉子外形尺寸确实定和砌体平均外表积的计算炉子外形尺寸确实定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 11602(11560232)1974mm1.974m外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 5392(11560232)1353mm1.353m外炉子外形高度炉子的外形高度由以下五局部组成〔5-8右图膛高度、炉顶厚度、炉底厚度已经求出。假设炉子承受60°标准拱顶，取拱弧半RB，则拱顶高度可由下式求出：fR1cos305391cos30)72mm;65+2=67mm。综合以上五局部的高度，炉子外形高度为：H外40272608067;砌体平均外表积的计算算术平均值和几何平均值承受几何平均计算法。此方法首先需要算出炉子内壁和外壁的面积。炉顶平均外表积确实定60 2F 2RL 3.140.5391.1600.654m2；顶内 360 6炉顶外壁是平面，外壁面积为：F L B顶外 外

1.9741.3532.67m20.6540.6542.67F F顶内 F F顶内 顶外顶均

1.32m2炉墙平均外表积确实定积为：F F墙内 墙外F 2H(LB)2H (L F F墙内 墙外墙均 外 外 外 240216053)236197435〕=3.52m2F FF F低内 低外(BL)(B外L外)F 低均0.5391.1601.3530.5391.1601.3531.974用热平衡计算法计算炉子功率定炉子功率的方法。炉子的主要能量消耗项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：C 0.636kJ/(kg·℃)和C 0.486kJ/(kg·℃)，热处理炉的生产率950 20P60kgh，则加热工件所需要的热量为;Q P(C 950C 20)60(0.6369500.48620)件 950 20=35669kg/h通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失包括炉顶、炉墙和炉底三局部，有：Q Q Q Q散 顶 墙

q F顶

q F墙

q F底 底均502.21.32445.83.52358.51.292694.59W9700.52kJ/h开启炉门的辐射热损失这局部热损失可由下式求得：T

4 T

4Q 3.6C

F

g

a辐 0 100式中C——黑体辐射系数；0F——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，FBH0.5390.4020.217m2；2 2H

0.402

0.201m，得=0.56；

0.201

2 20.51-141t——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；Tg950+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：100 kJ Q3.65.6750.2170.560.112234100 kJ Q辐 开启炉门的溢气热损失气所需要的热量作为该项热损失，即有：Q q C(TT)溢 va a a t g a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〔5—8〕式得：q 1997Bva

19970.539 97m3/hH2H20.402H2H20.40220.402a——20℃1.29kg/m3；C ——空气在T ~T〔即20～950℃〕温度间的平均比热容。就本设计来a a g气在400℃500℃的比热容分别为1.3302kJ/(m³.℃)和1.3440kJ/(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：a1.33401.3302 C 1.3302Ca

1.342500400 485400 ——炉门开启率。0.1。t

kJ/(m³.℃)〔TT——溢气温度，近似为2 T)T (95020)20640℃。〔Tg 3 g a a 3将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：Q 971.291.3420.1640-210411.32kJh溢其它热损失10%~20%。本设计取15%，该项热损失为：Q 0.5Q Q Q Q )153566.8700.5辐535.8210411.3〕9197.47kJh炉子的理论输入功率和，即：Q Q总 件

Q Q Q Q散 辐 溢 其它=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(kJ/h)炉子的安装功率〔即各项能量消耗总和是维持炉子正常工作必不行，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：KQP 总安 K1.3~1.51.4。将相关数据代入公式中，可得：1.470513.93安P 安3600

27.42kW30kW。炉子热效率的计算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QQ总

100%35668.8100%50.6%70513.9330%——80%之间。本设计的炉子热效率在此范围内，设计合理。保温时关闭炉门的热效率保温关闭炉门时，无辐射热损失和溢气热损失，此时炉子的热效率为：Q QQ (Q总 辐

100% 35668.8 100%65.2%Q ) 70513.935535.8210411.32溢炉子空载功率的计算时炉子的功率为：QP 散Q

9700.529197.475.23kW空 3600 3600功率的安排和接线方法。马上电热元件分为3组，每组10kW，炉墙两侧各布置1组电热元件，1组电热元件。校核炉膛内壁外表负荷〔选做〕电热元件材料的选择和理论计算电热元件材料的选择0Cr25Al5状作为电热元件。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1100℃12时的电阻率201.40mm2/m，电阻温度系数4105℃1 时电热元件的电阻率为：110020(1t)1.40(141051100)1.46mm2/m确定电热元件的允许外表负荷5-〔a，依据设计的炉子的工作条件，取电热元件的允许外表负荷W 1.6W/cm2。允每组电热元件的功率和端电压由于承受三相星形即“Y”接法，电热元件可分为三组。每组电热元件的功率为：30组P 3组

10kW。Y”380V，故每组电热元件的端电压为，3803组U 220V3组电热元件的丝材直径电热元件的丝材直径可由教材5-24式确定，P2组1100P2组11003U