热工课程设计说明书井式电阻炉的设计

热工课程设计说明书指导教师：年月日热工课程设计任务书一、设计题目：箱式电阻炉的设计二、原始数据：1、电阻炉形式：箱式电阻炉2、炉膛尺寸：300×250×280mm4、炉体表面温度：80℃5、电源电压：380V电源三、设计说明书内容：3、炉体材料选择和炉体结构设计4、功率计算5、电热体材料选择、电热体布置及供电电路设计6、电热体设计7、测温热电偶的选择四、设计要求：1.认真设计，积极思考，刻苦钻研，独立完成，有所创新；2.设计说明书：一份思路清晰，论述充分；设计参数选择合理，设计计算步骤完整，结果准确，注明参考文献；3.设计图纸：2#图纸1张图面布置合理，比例适当，图面清洁，图面清洁，绘图线条类型正确，位置准确，尺寸标注正确、齐全；五.进度安排：第一周：查阅资料，确定设计方案，进行设计计算第二周：画图，编写设计说明书摘要本热工课程设计说明书是根据长春理工大学材料科学与工程学院2008年教学计划的热工课程的要求设计而成的，着重于阐述箱式电阻炉的具体设计过程，设计包括：炉膛设计、容积的设计、炉体材料的选择及炉体机构设计、功率的计算、电热体布置及供电电路设计、电热体尺寸计算、测温热电偶选择等。着重于阐述电阻炉结构的确定、发热体材料的选择、供电电路的设计等一系列设计电阻炉需要解决的实际问题。本设计是综和运用《材料工程基础》与《热工设备》这两门课程所学的传热学、耐火材料、保温材料、电热体材料、窑炉结构等方面的知识进行电阻炉的设计。通过本设计使学生进一步的理解和掌握课程所学的知识，同时对学生的查阅资料、参数的选择及确定、设计计算、制图等方面的设计技能的训练。本设计说明书可为实验室实用箱式电阻炉提供参考，也可为实验室井式电阻炉的维护提供依据概述 第一章电阻炉的形式和特点 第一节电阻炉的形式和特点 第二节选用箱式炉的原因 第二章炉膛容积和尺寸的确定 第一节炉膛容积的确定 第二节炉膛尺寸的确定 第三章电阻炉的结构设计 第一节炉体材料的选择 第二节炉膛的结构 第四章功率的计算 -11-第一节电阻炉功率的确定 第二节实际功率 第三节功率的校对及调节 第五章供热电路 -13-第一节供电电路 第二节功率的调节 第六章电热体材料的选择及电热体的计算 -15-第一节电热体材料的要求 第二节几种常见电热材料的介绍 第三节硅碳棒电热元件的计算及安装 第七章热点偶材料的简介 -18-第一节热电偶材料简介 第二节热电偶材料的确定 设计心得 参考文献 随着科技的不断发展，无机非金属材料产品早已超出一般工业用途的范围，迄今已经用于电子产业、原子能工业、火箭及宇宙科学等众多尖端技术领域。在这些领域中，高温制备特种用途材料所用的原料多为高纯度的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等耐高温的材料。于是制备这些原料对于热工设备来满足这些要求。于是，类型众多的电热窑炉以及一些相关的材料制备技术得以迅速发展并被广泛应用。电热窑炉有许多的优点，热效率高，产品质量高，能够在各种人工气氛中焙烧。而电阻炉就属于其中的一种。电阻炉是当电流通过电阻时，因电流的热效应产生热能，利用这种热能的炉子就称为电阻炉。在电热窑炉中，电阻炉的应用最广泛。本次课程设计的主要目的就是将热工课程的理论应用到电阻炉设计的实验中去，将理论和实践结合，从而使学生充分了解电阻炉的各部分元件的性能要求，构造及设计方法。通过本次设计课程将增强我们的理论与实践结合的能力，锻炼了我们的动手能力，加强了我们的逻辑思维能力，为今后的学习和工作打下了良好的基础，积累了经验。也让我们在设计和动手操作的过程中将所学知识运用到实践中去，分析使用中出现的各种问题，不断总结和改进，为将来在材料科学领域的进一步研究打下坚实的基础。第一章电阻炉的形式和特点第一节电阻炉的形式和特点电阻炉是把电流通到电热提上而发出热量，借热的传导，对流及辐射方式把热量传给制品。电阻炉通常是按照炉膛的结构及制品在电炉内的移动方式加以划分，可以分为如下几类：1、间歇操作电炉：这类电炉按炉温的高低，可以分为低温（工作温度低于600~700℃)、中温（工作温度为700~1250℃)外形像箱子，炉膛呈长六面体，靠近炉膛内壁放置电热体。1350~1400℃时，采用硅碳棒；炉温在1600℃可采用二硅化鉏棒为电热体。箱式电阻炉主要用于单个小批量的大、中、小型制品（2）井式电阻炉：炉膛高度大于长度和宽度（或直径炉门开在顶面，用炉盖密封，电热体通常布置在炉膛的侧壁上，多为圆形，正方形或长方形。适应于烧制管状制品，深井电炉通常沿高度分为几个加热区，各区温度分别控制功率来调节，使电炉沿整个高度温度分布均匀。高温陶瓷氢气钼丝炉最高工作温度为1700至1800℃,钨棒炉可达2500℃。2.半连续操作电阻炉：这类电炉又分为钟罩式电阻炉和台车式电阻炉，钟罩式电阻炉及台车式电阻炉具有不在狭长的炉室内码装制品的优点，便于操作，改善劳动条件。3.连续操作电热窑炉：电热隧道窑是陶瓷工业中较其他窑型先进的热工设备，已广泛使用，效果很好。它的构造与煤气窑相似，具有连续操作大批量生产的优点。应用较多的连续操作电热窑炉有：窑车式电热隧道窑；锟底式电热隧道窑；推板式电热隧道窑传送带式电阻炉；链式电阻炉。第二节选用井式炉的原因井式电阻炉的使用范围广，不同温度下可采用不同的电热元件，且制品的烧成范围也比较广，适用于的烧成范围也比较广，适用于大，中，小型的各类制品的生产加工，井式电阻炉的炉膛是方形的，根据具体要求的尺寸不同可以定做不同的规格。形状为立起来的箱型，中间的空心部分为炉膛，本电阻炉的设计使用温度为1350℃,制备玻璃等材料的时候，从顶部方便加料。与箱式电阻炉相比，井式电阻炉的工件装炉量要小得多，生产率很低。因此，井式电阻炉主要用于质量要求较高的细长工件的热处理。为改善炉温均匀性，可在炉盖上和炉底设置气流循环风扇。第二章炉膛容积和尺寸的确定第一节炉膛容积的初步认识一．电阻炉的影响因素：1.功率的影响：尺寸大，功率大。2.操作空间的影响。3.发热体的影响，发热体多，尺寸大。在具体确定电阻炉的尺寸时，除了依据制品的外型尺寸考虑杂炉内有效的放载制品外，还应该集合考虑电热体在炉内的安装方式。二．炉膛容积的初步认识1.窑的体积不易过大容积大，产量大，单位窑体热散失少，但容积过大，火焰不易到达窑的中心，是窑内温度气氛分布不均匀，降低产品质量，若窑均匀窑温和窑内气氛，不得不适当延长烧窑时间，这样有使燃耗量增加，拉长了窑的使用时间，降低了其使用寿命。2.窑的体积不易过小容积过小，产量小，火焰易充满全窑，窑内温度和气氛分布易均匀，但容积过小，其开设窑门的地方散失所占比例大，如果不注意窑门的封闭，可能引起室内温度和气氛不均，因此容积大小应视具体情况而定。第二节炉膛尺寸的确定一.炉膛尺寸的确定原则在具体确定电阻炉的尺寸时，要考虑制品的尺寸，炉的产量以及电热元件的安装形式，电热元件若安装在两侧炉宽就不能太大，否则在炉的宽度方向上温度分布不均匀，电热元件在炉膛上下，炉的高度也不能太大，理由也一样。对于棒状加热体，由于元件发热部分的长度一定，为使炉温均匀及元件的合理，炉膛高度和宽度应等于元件的发热部分的长度。功率大于5kw的大中型电阻炉，其工件与炉壁距离约为50至100毫米，功率小于5kw的小型电阻炉工件与炉壁距离约为二.炉膛的尺寸的确定考虑各方面的因素，本着炉膛尺寸确定的原则，此次设计箱式电阻炉炉膛尺寸确定为300×250×280mm。第三章电阻炉尺寸及结构第一节炉膛结构和尺寸1.炉膛材料炉膛材料选用粘土砖做保温材料，选轻质硅藻土硅砖作隔热材料，其导热系数分别为1=0.835+0.00058t、2=0.063+0.00014t2.炉膛尺寸炉膛尺寸为：300×250×280mm3.耐火材料和隔热材料的厚度确定窑内温度与窑外温度的传导主要为导热传热，而对流和辐射可以忽略不计，所以电阻炉热量的损失计算转化为双层平壁导热窑墙示意图如下：耐火材料1隔热材料2耐火材料选择高铝砖厚度为110mm。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=1350℃,炉外表面温度t3=80℃,耐火层厚度δ1=110mm，需要求出的未知量为界面温度t2以及保温层厚度δ211xx2103轻质粘土砖：λ2=t22103,设界面温度t2=1100℃。由稳态传热公式可得：δ2=120.5mm。考虑到轻质粘土砖的尺寸取δ2=120mm。电阻炉的尺寸如下：炉体长：300＋2×﹙110＋120＋5﹚=770mm炉体宽：250＋2×﹙110＋120＋5﹚=720mm炉体高：280＋2×﹙110＋120＋5﹚=750mm4.炉壳结构及材料炉壳是一个密封的构件，炉壳结构应便于对每个焊缝进行检漏。常用普通钢作炉壳材料，可选10、15、20号钢。炉壳尺寸一般为5～12mm。本次井式电阻炉的炉壳尺寸采用5mm。第四章功率的计算第一节电阻炉理论功率的确定1.基本参数：炉膛尺寸为：300×250×280mm使用温度为：1350℃2.面积负荷法确定功率炉膛内表面每平方米上布置的功率大，炉温就高，布置功率越小，炉温就低。功率计算公式：N=KF(F表示炉的内表面积)一般推荐如下：K/kW/m21700已知炉膛尺寸：300×250×280mm所以炉膛内表面积为F＝2×﹙0.25×0.3＋0.3×0.28＋0.28×0.25﹚=0.458m²3.容积负荷法确定电炉功率：根据箱式电阻炉，井式电阻炉长期实践总结可知电阻炉的功率与电炉的炉膛容积有一定关系。其关系如下：N=KV2/3kw（式中：V=炉膛的有效容积，K=随炉温不同的系数）4按容积负荷法确定功率根据箱式电阻炉、井式电阻炉长期实践总结，可知电炉的功率和电炉的炉膛容积、炉温有一定的关系：N=K2V2/3kW箱式炉井式炉K/kW/m22K/kW/m2295095022=140×﹙2.1×10-2﹚3＝10.66kw第二节实际功率的确定由于计算功率并不是所实际炉子的实际功率，实际考虑到进一步提高产量的可能，或者计算中选用数据与实际不一样，或者供电压的波动对功率的影响，电热体长期使用后的老化现象使电阻增大，以及缩短升温冷却时间等因素，在设计炉子时，一方面应考虑炉子的安全系数，另一方面应考虑炉子的功率储备，故实实际功率N实=14.92kw第三节功率的校核由第三节、第四节计算散失热量q=1609.8w/m2散热功率：Q=1609.8×F表＝1609.8×0.458＝0.7373kw由上计算功率为14.92kw＞0.7373kw，可以使温度迅速升温，符合要求。第五章供电电路及功率调节第一节供电电路电阻炉通常用工业频率50HZ的交流电，由车间电网供电，电压为220V，或者380V，炉子电压不宜过高，因为高温下耐火材料的导电性急剧增加，并使电流漏损的可能性增大。下图是整个电阻炉的或者其中一组电热体的一般供电电路，在电力动力部分里，电流通过总开关DK，熔断器RD和接触器C而进入炉子。炉子控制电炉中表示了工作的两种控制方法：用温度调节器的人工远距离控制和自动控制。万能开关HK的接触点1及2成闭路时，电流通过了接触器C的线圈，接触器的动合触点C闭合，炉子接通加热，节点1和2成开路时，炉子就被切断降温，这就是炉子的人工控制。在自动控制的情况下，万能开关HK的接触点1及2成开路，而接点1和4成闭路，这时炉子的接通切断靠温度调节器PT的继电器来进行。当炉内温度低于预定温度时，继电器成为闭路而炉子接通加热。当高于预定值时，情况相反，炉子被切断，这样来自动保持炉内温度的恒定不变。第二节功率的调节功率的调节包括两个方面：其一，炉子的总好点功率的调节，其二在炉子使用过程中不断调整电阻元件的耗电功率，以控制炉温按工艺要求均匀地变化。1.利用变压器来调节由于升温过程中电热体的电阻值变化很大，或在长期使用后，电阻会改变，所以在炉子和电力网之间还要配备一台变压器，以降低或调节电阻的输入电压。调节输给电热体的电压，即相当于调节电热体的发热量Q，从而调节温度。通常在升温过程中，需要逐步升高电压。当温度接近最高烧成温度时，往往要适当调低供电电压，减小升温速度，以防止炉温超过规定的温度。2.通过改变电热元件的链接方法来调节当炉子使用日久，电热体逐渐老化，而电阻也随之增加，发热功率不足，导致炉温难于上升。在有几个电热体的炉子里，就可以用改变电热体连接线路的方法来调节功率。通常是利用转换开关来实现的。第六章电热元件的选择和确定第一节电热元件材料的选择1.电热元件的要求：（1）最高使用温度大于炉的最高操作温度高（2）电热体的发热温度要满足工艺要求；（3）具有较高的比电阻和较小的电阻温度系数；（4）在高温下，化学性质稳定，不易氧化，不与炉内的衬砖和气体发生反应；（5）具有优良的机械性能；(6)热膨胀系数不能太大，如果热膨胀系数过大，尤其是间歇操作的炉子容易损坏；（7）电热体成本低，尽量价格便宜；2.几种常见电热材料①钼钼属于高熔点稀有金属，熔点2630℃,硬而坚韧，高温下具有持久，强度，导电性好，钼的抗腐蚀性强。仅有稀硝酸、沸腾的盐酸和热王水才能溶解钼，但钼容易氧化，适合应用于真空及还原气氛中。②钨其蒸汽压仍然很低，蒸发速度小，钨的导电性较好。钨在常温下比较稳定，不受空气侵蚀，在较高温时，钨激烈地被氧化，能与氯气，氮反应，生成六氯化钨，氮化钨，钨在高温时和碳及含碳气体反应生成碳化物，钨具有良好的抗腐蚀性，不与任何浓度的氢氟酸，王水，硝酸，硫酸和盐酸反应。③镍铬合金其熔点随合金的成分而定，约占1400℃,在1100℃以下的炉子均可使用作为电热元件，镍铬合金在高温下不易氧化，因为其表面生成氧化铬保护内部不被氧化，不需要任何保护气体，升温时，电功率稳定，另外其强度也较好，能绕制各种形状。⑤铁铬铝合金熔点比镍铬合金高，约在1500℃左右，加热后在其表面生成一层氧化铝膜起保护作用，但铁铬铝合金强度不高，过熔容易变形倒塌，造成短路；此外，这种合金加工性不太好，可焊性差。在高温下与酸性耐火材料和氧化铁反应，铁铬铝合金的线膨胀系数比较大，设计时考虑留有余地，供其伸缩。⑥硅碳棒最常用的非金属元件，其主要成分是SiC94.4%，SiO23.6%，耐磨性，能承受较高的加热温度，在高温条件下与空气中的CO2和O2反应，生成玻璃态的SiO2膜，使电阻增大。硅碳棒制成的电炉升温速度快，加热效率高，抗氧化性好，制作工艺较简单，所以本次设计选用硅碳棒作为电热元件。第二节电热元件尺寸的计算炉子的总功率N是已知的，发热体的长度根据炉膛的长度是定的，因此我们须计算硅碳棒的直径d,根数n。确定硅碳棒的根数应该以均匀加热制品为原则，且一般选择偶数。设计时，假设根数n为6，则有：n=F效/f效（F效为硅碳棒有效辐射面积，单位为cm2）（f效每根硅碳棒的有效面积，单位为cm2）F效=1000N总/w允2.硅碳棒的直径确定设直径为d，则有式中：w允—实际允许单位表面功率，w/cm2d—硅碳棒直径，mmL—硅碳棒的长度，mN—每根的功率，kw由于w允查表得：1350℃时，w允=10w/cm2其次，炉膛长为300mm，故取L的有效长为300mm，f效=100(d/20)2L=1/4d2L综上所述可得：当n=6，d=31.6mm,为了方便安装，最后取n=6，d=32mm。第三节电热元件的安装硅碳棒的安装由炉内温度决定，一般为水平和垂直安装两种。硅碳棒的发热部分尺寸必须和炉膛的有效加热尺寸相符合。为了保证正常导电，冷端部分应伸出炉墙外50mm左右，炉端耐热绝缘管之内径应为棒冷端部分直径的1.5倍左右。本电阻炉的电热体安装为水平垂直安装。硅碳棒安装的位置必须正确，炉墙上预留的硅碳棒的空洞应在一直线上，并尽量做到垂直或水平，在硅碳棒的两端安装部位缠绕几圈石棉绳。石棉绳不能太紧，一般留空隙为了它能在加热和冷却时能自由膨胀和收缩。硅碳棒两端夹头的夹子要夹紧，以保证通电时接触良好。夹头用铁皮喷铝片或者不锈钢做成。第七章热电偶材料的简介第一节热电偶材料简介常用的热电偶材料分类如下：1.铂铑-铂热电偶，WELB型铂含量90％，铑10％。这是一种贵金属热电偶，正极为铂锗合金，负极为纯铂。比热电偶可用于较高温度的测量，若长时间使用可在0-1300℃工作，短时间可达1600℃。优点是复线性好，灵敏度高。缺点是小于800℃时测量有误差。2.镍铬-镍钴电偶，WELBII型这种热电偶的热电特性相同，正极为镍铬，负极为镍硅或者镍铝。优点是化学稳定性好，在氧化性或中性介质中长期使用在1000℃下，短时间使用在1300℃,复线性好，灵敏度高，价格便宜。缺点：在还原介质及硫和硫化物气氛中，温度超过500℃时容易腐蚀，精度比铂铑-铂的低。3.镍铬-考铜电偶，WREA型这种热电偶正极镍铬，负极考铜（