105KW中温箱式电阻炉设计

热解决设备设计阐明书设计题目105KW中温箱式电阻炉设计佳木斯大学佳木斯大学目录TOC\o\h\z1前言 11.1本设计目、意义 11.1.1本设计目 11.1.2本设计意义 11.2本设计技术规定 11.2.1技术规定 11.3热解决炉发呈现状 21.3.1国外热解决行业能源运用状况 21.4国内热解决行业存在问题 22设计阐明 32.1炉型选取 32.2拟定炉体构造和尺寸 32.2.1依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸L*B*H 32.2.2拟定工作室有效尺寸L效B效H效 32.2.3炉衬材料及厚度拟定 32.2.4砌体平均表面积计算 42.2.5炉顶平均面积 42.2.6炉墙平均面积 42.2.7炉底平均面积 42.3计算炉体热散失 52.3.1求热流量 52.3.2验算交界面上温度t2墙t3墙 52.3.3验算炉壳温度t4墙 62.4计算炉墙散热损失Q墙散 62.4.1计算炉墙散热损失 62.4.2启动炉门辐射热损失Q辐 62.4.3启动炉门溢气热损失Q溢 72.4.4其他热损失Q它 72.4.5工件吸取热量 72.5炉子生产率计算 72.5.1炉子生产率计算 72.5.2正常工作时效率 72.5.3保温阶段关闭炉门时效率 72.6炉子空载功率计算 82.7空炉升温时间计算 82.7.1炉墙及炉顶蓄热 82.7.2炉底蓄热计算 82.7.3炉底板蓄热 92.8功率分派与接线 92.9电热元件材料选取及计算 102.9.1求950℃时电热元件电阻率pt 102.9.2拟定电热元件表面功率 102.9.3每组电热元件功率 102.9.4每组电热元件端电压 102.9.5电热元件直径 102.9.6每组电热元件长度和重量 102.9.7电热元件总长度和总重量 102.9.8校核电热元件表面负荷 112.9.9电热元件在炉膛内布置 112.10炉子技术指标 113附录 123.1装配图 123.2电阻丝 133.3电阻丝接线示意图 144参考文献 15前言本设计目、意义本设计目设计一台电阻加热炉，额定功率为105KW，使其加热温度在650℃-1000℃之间，周期式成批装料，长时间持续生产本设计意义通过本次热解决炉设计，理解中温热解决炉基本构造，掌握热解决炉设计基本办法，熟悉热解决炉在工厂中实际应用以及进一步纯熟工程制图办法，为后来工厂实际奠定基本。本设计技术规定技术规定1用途：中碳钢，低合金钢毛坯或零件淬火，正火及调质解决，解决对象为中小型零件，无定型产品，解决批量为多品种，小批量。2额定功率：105KW3工作温度：中温（650℃4生产特点：周期式成批装料，长时间持续生产。热解决炉发呈现状国外热解决行业能源运用状况在国外推出热解决节能办法中，重要考虑就是改进设备和革新工艺技术办法，重要办法有如下几种方面：加强合理运用热能理论研究和实际应用。采用直接控制炉内氛围碳势、氮势、氧势传感器和执行机构，可以获得一定节能效果。采用新型保温材料，可减少20%以上热损失。采用直接加热工件办法，可减少蓄热损失和辐射损失，也可有效节约能源。改进料盘、夹具构造，减轻耐热钢构件重量，增长强度，减少料盘夹具无效加热损失。国内热解决行业存在问题由于国内工业起步较晚，现行热解决装备水平普遍落后，重要有如下几种方面：设备负荷率低，装炉量局限性。设备运用率低。加热设备落后。无效热消耗多。工艺落后。当前，国内热解决工艺普遍落后，过于保守。设计阐明炉型选取依照设计任务给出生产特点，拟选用中温箱式热解决电阻炉，不通保护氛围。拟定炉体构造和尺寸依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸L*B*H经验公式：P安=Ct升0.5F0.9（T/1000）由于炉门为启动式，故散热量较大，取C=30[(kw*h0.5)/(m1.8*℃1.55)],空炉升温时间假定为4h，炉温为T=1000℃，故105=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55计算得F=8.69m依照炉膛面积计算公式F=2*B*H+2*L*H+B*L+2*∏*B*L*（60o/360o）(1)依照经验普通有L=2BH=0.7B(2)依照(1)(2)式计算得L=2.05mB=1.03mH=0.72m依照原则热解决炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm）及在各方向上砖缝不能重叠，以保持其强度，必要用半块砖，故取L=1.96mB=0.9mH=0.68m考虑每块砖之间缝隙2mm,拟定最后尺寸L=(230+2)*8+(230*0.5+2)=1973B=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=9H=(65+2)*10+37=707拟定工作室有效尺寸L效B效H效为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定空间，拟定工作室有效尺寸为L效=1700mmB效=700mmH效=500mm炉衬材料及厚度拟定由于侧墙，前墙及后墙工作条件相似，采用相似炉衬构造，即113mmQN-1.0轻质黏土转+50mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+113mmB级硅藻土砖。炉顶采用113mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡，+115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN-1.0轻质黏土砖（67*3）mm+50mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质黏土砖，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，依照炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。砌体平均表面积计算L外=L+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2B外=B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=15H外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182=707+130+310+268+50+182=1647式中：f拱顶高度，此炉采用60o原则拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f=R(1-cos30o)求得。炉顶平均面积F顶内=2∏R/6*L=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025mF顶外=B外*L外=2.483*1.527=3.903mF顶均=√F顶内*F顶外=√2.025*3.903=2.82m炉墙平均面积炉墙平均面积涉及侧墙及先后墙，为简化计算将炉门涉及在前墙。F墙内=2LH+2BH=2H（L+B）=2*0.707（1.973+0.967）=4.150mF墙外=2H外（L外+B外）=2*1.647（2.483+1.527）=13.39mF墙均=√F墙内*F墙外=√4.15*13.39=7.45m炉底平均面积F底内=B*L=0.967*1.973=1.93mF底外=B外*L外=2.483*1.527=3.90mF底均=√F底内F底外=√1.93*3.9=2.74m2计算炉体热散失由于炉子侧壁和先后墙炉衬构造相似，故作统一数据解决，为简化计算，将炉门涉及在前墙内。依照公式Q散=t1-tn+1/∑Si/入iFi对于炉墙散热，一方面假定界面上温度及炉壳温度，t2ˊ墙=780℃，t3ˊ墙=485℃，t4ˊ墙=耐火层S1平均温度ts1均=（950+780）/2=865硅酸铝纤维层S2平均温度ts2均=（780+485）/2=632.5℃硅酸土砖层S3平均温度ts3均=（485+60）/2=272.5S2S3层炉衬热导率由附表3查得λ1=0.29+0.256*10-3ts1均=0.29+0.256*10-3*865=0.511W/（m·℃）λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*272.5=0.194W/（m·℃）普通硅酸铝纤维热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范畴内近似以为其热导率与温度呈线形关系由ts2均=632.5℃得λ2=0.129W/（m·℃当炉壳温度为60℃室温为20a∑=12.11W/（m·℃）求热流量q墙=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ）=（950-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=730.4W/㎡验算交界面上温度t2墙t3墙t2墙=t1-q墙*（s1/λ1）=950-730.4*（0.115/0.511）=788.6Δ=（t2墙-t2ˊ墙）/t2ˊ墙=（788.6-780）/780=1.1%Δ〈5%满足设计规定不需要重算。t3墙=t2墙-q墙*（s2/λ2）=788.6-730.4*（0.05/0.129）=497.8Δ=（t3墙-t3ˊ墙）/t3ˊ墙=（497.8-485）/485=2.64%Δ〈5%满足设计规定不需要重算。验算炉壳温度t4墙t4ˊ墙=t3墙-q墙*（s3/λ3）=497.8-730.4*（0.115/0.194）=64.9℃〈满足普通热解决电阻炉表面升温不大于50℃规定计算炉墙散热损失Q墙散计算炉墙散热损失Q墙散=q墙*F墙均=730.4*7.45=5441.48W同理可以求得t2顶=844.3℃t3顶=562.6℃t4顶q顶=485.4W/㎡t2底=782.2℃t3底=568.5℃t4底q底=572.2W/㎡炉顶通过炉衬散热Q顶散=q顶*F顶均=485.4*2.82=1368.83W炉底通过炉衬散热Q底散=q底*F底均=572.2*2.74=1567.83W则整个炉体散热损失（其中1W=3.6KJ/h）Q散=Q墙散+Q底散+Q顶散=5441.48+1368.83+1567.82=8378.13=30161.32KJ/h启动炉门辐射热损失Q辐设装出料所需时间为每小时6分钟Q辐=3.6*5.765FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕Tg=950+273=1223KTa=20+273=293K由于正常工作时，炉门启动高度为炉膛高度一半，故炉门启动面积F=B*（H/2）=0.967*0.707/2=0.343m炉门启动率δt=6/60=0.1由于炉门启动后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.351/0.978=0.36，炉门启动高度与炉墙厚度之比为0.351/0.28=1.25，由图1-14第一条线查得Φ=0.7故Q辐=5.675*3.6FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕=5.675*3.6*0.343*0.1*0.7*（22372-73.7）=11406.62KJ/h启动炉门溢气热损失Q溢Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt近似以为qva=1997B*H/2=1997*0.978*0.351*√0.351=406.14冷空气密度Ρa=1.29㎏/㎡有附表得Ca=1.342KJ/（㎡·℃）ta=20℃tˊgtˊg=ta+2/3（tg-ta）=20+2/3（950-20）=640Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt=406.14*1.29*1.342*（640-20）*0.1=43592.29KJ/h其他热损失Q它普通其他热损失为上述热损失10%～20%则Q它=0.13（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=0.13（Q件+30161.32+11406.62+43592.29）=0.13Q件+11070.83KJ/h工件吸取热量由于炉子安装功率为105KW，又P安=KQ总/3600其中K为功率储备系数，本炉子设计中取K=1.4则P安=1.4Q总/3600=75KWQ总=105*3600/1.4=270000KJ/h得Q件=153777.82KJ/hQ它=31061.95KJ/h炉子生产率计算炉子生产率计算低合金钢工件在650和20比热容为C件2=0.770KJ/（㎏·℃）C件1=0.486KJ/（㎏·℃）由Q件=P（C件2t1-C件1t0）得P=Q件/（C件2t1-C件1t0）=153777.82/（0.77*650-0.486*20）=313.37K正常工作时效率η=Q件/Q总=153777.82/270000=56.95%保温阶段关闭炉门时效率η=Q件/Q总-Q辐-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%炉子空载功率计算P空=Q散+Q它/3600=（30161.32+31061.95）/3600=17KW空炉升温时间计算由于所设计炉子耐火层相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、先后墙及炉顶按相似数据计算，炉底由于砌砖办法不同，进行单独计算。因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。炉墙及炉顶蓄热V粘侧=2*[1.973*（13*0.067+0.135）*0.115]=0.458mV粘先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.354V粘顶=0.97*（1.973+0.276）*0.05=0.251V纤侧=2*[（1.973+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05]=0.187V纤先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.154V纤顶=1.071*（1.973+0.276）*0.08=0.193V硅侧=2*[（13*0.067+0.135）*（1.973+0.115）*0.115]=0.484V硅先后=2*[1.43*（17*0.067+0.135）*0.115]=0.419V硅顶=2.3*1.43*0.115=0.378由式Q蓄=V粘p粘c粘（t粘-t0）+V纤p纤c纤（t纤-t0）+V硅p硅c硅（t硅-t0）其中t粘=（t1+t2墙）/2=（950+788.6）/2=869.3t纤=（t2墙+t3墙）/2=（788.6+497.8）/2=643.2t硅=（t3墙+t4墙）/2=（497.8+64）/2=281.3查附表3得C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.066KJ/（㎏·℃）C纤=0.81+0.28*10-3t纤=0.99KJ/（㎏·℃）C硅=0.84+0.25*10-3t硅=0.91KJ/（㎏·℃）因此得Q蓄1=（V粘侧+V粘先后+V粘顶）p粘c粘（t粘-t0）+(V纤侧+V纤先后+V纤顶)p纤c纤（t纤-t0）+(V硅侧+V硅先后+V硅顶)p硅c硅（t硅-t0）=962391+82365+152300=1044908.3KJ炉底蓄热计算V粘底=[4*（0.02*0.12+0.133*0.065）+（0.04*2+0.065）*0.113+（0.113*0.12）*2]*1.973+（1.43-0.115*2）*（2.3-0.115）*0.065=0.324V纤底=2.538*1.527*0.05=0.164V硅底=2.538*1.527*0.128=0.600由于t粘=（t1+t2底）/2=（950+782.2）/2=866.1t纤=（t2底+t3底）/2=（788.2+568.5）/2=675t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311查表得C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.065KJ/（㎏·℃）C纤=0.81+0.28*10-3t纤=0.999KJ/（㎏·℃）C硅=0.84+0.25*10-3t硅0.918KJ/（㎏·℃）因此得Q蓄底=V粘底Ρ粘C粘（t粘-t0）+V纤底Ρ纤C纤（t纤-t0）+V硅底Ρ硅C硅（t硅-t0）=399880KJ炉底板蓄热依照附表6查得950℃和20别为0.670和0.473，经计算炉底板重量为242KgQ蓄板=G（c板2t1-c板1t0）=242(636.5-9.46)=151743.6KJ得Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板=1044908.3+399880+151743.6=1596531.9KJ得升温时间τ升=Q蓄/3600P安=4.22h对于普通周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合规定。功率分派与接线105KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，构成Y、△或YY、△△接线。供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，对于周期作业炉，内壁表面负荷应在15-35kW/m2之间，惯用为20-25kW/m2之间。F电=2F电侧+F电底=2*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71W=P安/F电=105/4.71=22.29KW/㎡表面负荷在惯用范畴20-25kW/m2之内，故符合设计规定。电热元件材料选取及计算由最高使用温度1000℃理论计算求950℃时电热元件电阻率pt当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃时电阻率p20=1.40Ω·mm2/m,电阻温度系数a=4*10-5℃pt=p20（1+at）=1.46Ω·mm2/m拟定电热元件表面功率由图5-3，依照本炉子电热元件工作系数取W允=3W/㎝2每组电热元件功率由于接线方式采用YY，每组元件功率P组=105/n=105/（3*2）=17.5KW每组电热元件端电压由于接线方式采用YY，供电电压为车间动力电网380V，故每组电热元件端电压既为每组电压U组=380/√3=220V电热元件直径由公式得d=34.3√P2组ρt/（U2组·W允）〕3=4.99㎜取d=5mm每组电热元件长度和重量L组=0.785*10-3（U2组d2）/（P组ρt）=37.18mG组=∏*d2L组ρm/4式中ρm由附表12查得ρm=7.1g/㎝2得G组电热元件总长度和总重量总长度L总=6*L组=6*37.18=223.08m总重量G总=6*G组=6*5.18=31.08㎏校核电热元件表面负荷W实=P组/（