中温井式电阻炉设计

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1、一、设计任务1、专业课程设计题目12、专业课程设计任务及设计技术要求1二、炉型的选择1三、炉膛尺寸的确定11、炉膛有效尺寸（排料法）11.1确定炉膛径D 11.2确定炉膛有效高度H 21.3炉口直径的确定21.4炉口高度的确定 3四、炉体结构设计 31、炉壁设计 32、炉底的设计53、炉盖的设计64、炉壳的设计7五、电阻炉功率的确定71、炉衬材料蓄热量叩82、加热工件的有效热量Q 9件3、工件夹具吸热量Q 10夹4、通过炉衬的散热损失。10散5、开启炉门的辐射热损失。辐 126、炉子开启时溢气的热损失。溢127、其它散热Q 13它8、电阻炉热损失息和。13总9、计算功率及安装功率13大、技术经

2、济指标计算131、电阻炉热效率132、电阻炉的空载功率143、空炉升温时间14七、功率分配与接线方法141、功率分配142、供电电压与接线方法14八、电热元件的设计151、I 区152、II 区163. 电热元件弓I出棒及其套管的设计与选择184. 热电偶及其保护套管的设计与选择18参考书目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、90x1000中碳钢调质用。.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巾90x 1000中碳钢调质用炉对于中碳钢调质最高温

3、度为 870+（3050）C,所以选择中温炉（上限950C）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， 选择周期式中温井式电阻炉，最高使用温度950C。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸（排料法）1.1确定炉膛径。工件尺寸为巾90x1000,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二（2 x90xd=890mmD =d+2x100200=1100又因炉壁径比料筐大2003

4、00mm故取：D =1500mm查表得可用砌墙砖为BSL - 427 - 467 (A=168,B=190.8,R=765,r=675)型轻质粘土扇形砖。由该砖围成的炉体的弧长为：S= D=3.14x1500=4710mm砖的块数为：4710-168=28.04块，取整后N=28对 D 进行修正得：D 砌=28x168-3.14=1500mm,取 D =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=1450mm由于电阻炉采用三相供电，放置电热元件

5、的搁砖应为3n层，H 砌=3nx(65+2)+67,n=6.88.取整后取 n=7再将n=7代入上式，得H砌=1474mm选用代号为SND-427-09的扇形搁砖每层搁砖数目为N=D50=94.2,取整为94块。D 效=1100mmD =1500mm砖的块数：N=22修正后：D =1500mm搁砖21层H 砌=1474mm每层搁砖数目：N=94搁砖总数n=94x21=1976块搁砖总数吁110皿由于炉口用肝砖眼仞.498n=1976 块1.3炉口直径的确定效=74xN将D效=1100mm代入，得N=46.7,取整后顷，再将N=47代回上式，则得到D 炉口=1107mmo扇形砖选择8SL。427

6、.077兀 D 炉口 =166xN得 D=20.8 取=21到 D炉 口=1107mm。N=211.4 炉 口高度的确定按一般的设计原则，炉口可由斜行楔形砖和2层直行砖堆砌而成。H 炉口=233mm故 H = ( 65+2 )x3+32=233mm 炉口四、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

7、度，否则会降低使用寿命；(4)要保证炉壳表面温升小于60C,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1层为耐火层，其厚度一般为90mm，采用轻质粘土砖RNG-0.6；第II层为B级硅藻土砖+耐火纤维，其厚度取标准砖115 mm,第III层为保温层，采用8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：两层炉寸q=(t3-t0)，由设计参考书温升50C,则炉壁温度60C，室温20C是a =12.17W/(m2*0C)所以 q=12-17x40=486

8、.8w/(m2*0C)RNG-0-6型轻质粘土砖：人1密度 p. = 600 kgm3 ；S = 90mm 1w；(m。C)； 0.836 + 0.263x 10-31均 Kjf(Kg C)。热导率人=0.165 + 0.19 x 10-311均比热容C =1硅酸铝纤维t3=60C11 =950C密度p2=120 kg/m3；热导率入 2=0.032+0.21 x ( 103t 均)*2w/(m*0C)；比热容 C=1.1KJ/(kg*0c)。2由t2 = y 土 +奸+ 2b (0.5咔+、- g5)代入数据得:1t = 0 23 10 001 - 0.165 + P0.1652 + 2x

9、0.194x 10-3(0.5 x 0.194x10-3 x9502 + 0.165 x 950 - 0.09 x 641.50)=820C入 m=0.032+0.21 x( 820+50 )/ 2x1000*2=0.0727w/m.CS2=1 / 486.6x0.0727x(820-60)=113.5mm取 S2=115mm2、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。IIt3=60C炉底砖的厚度尺寸可参照炉壁的厚度尺寸，一般为230690mm。由于要承受炉 工件的压力，且装出炉有冲击的作用。故炉底板要求又较高

10、强度。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。结构：厚度/ mm材料：砌砖型号：1115膨胀蛭石粉+硅藻土砖B级BSL - 427 - 280II67重粘土砖RNG-1.3BSL - 427 - 013III67重粘土砖RNG-1.3BSL - 427 - 013S2=115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,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。

11、炉盖结构图设计条件：炉膛温度950C，壳体温度60C ,室温20C。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。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的厚版，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。235钢板，炉底选用8

12、mm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5炉门和缝隙辐射散热量Q辐、其他热损失。它等。先预估算功率P估，采用炉膛面积法，P估 = 5

13、0 X D砌 X H砌=110.55kw蓄炉衬材料的蓄热量是指炉子从室温升到工作温度整个硼体所吸收的热量。计算式为：Q =Vp(cr -ct 蓄2 211第 I 层：P = 600Kg/m3 ；(ncn _|_ R2Q、C =0.836 + 0.263x10-3 =L068KJ/(KgC)2k 2 J；C2 = 0.836 + 0.263 x 10-3 x 20=0.8417 Kj/(7g.C)；V = HX7l (r2 一,2)121Q = 1.474 x 600 71 C. 842 - 0. 752 82 + 950 x 1. 068 - 20 x 0. 8471 壁2=369103.42

14、KJ第 II 层：p =120Kg/m3 ；c =C =l.lKj/(g.C);V =HX7l(l2 ,2)232.9552-0. 842(820 + 60x 2、-20 x 1. 1 x 1.4747=52994.7KJQ 炉寸=Q1+Q2=369103.42+52994.7=422098.12KJ简化计算炉底蓄热:Q炉寸二4. 22 x 105KJ(950 + 820、2x 1.068 - 20 x 0. 8417)Q =7i x r2 x 90 x 10-3 x 600 x 蓄把EQE4456；KJ。蓄=兀 X r2 X 115 X 10-3 X 120 x 820； 60 x 1. 1

15、 - 20 x 1. 1把 r=750 代入得：Q 蓄 2=14556.59KJQ 蓄=Q1+Q2=129032.56KJ简化炉顶的蓄热量Q 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：T =1 = 680163-24= 1.71h升 3600P 3600 x 110.55Q =总蓄6.8 x 105KJ则估计取整2小时，工件升温时间用经验公式工件直径x imi*m得到工件升温时间取1.5小时，保温时间0.5小时，装炉时

16、间0.3小时。则：t =2+1.5+0.5+0.3=4.3h工件重量：t 升=1.71h取2小时t = 4.3G = PVN = 16 x 兀0.09T x 7.8 x 103 = 793. 943kg p 2 /g = 793. 943 = 184. 637 = 185 kgh件 4.3Q = g (c t - ct) 件 件 2 211=185 x 950 x 0.6789 - 20 x 0.4939)= 148771.39 KJ /h3、工件夹具吸热量QG=793.9kg夹因本次所设计正火炉不需使用夹具，故Q夹=0。4、通过炉衬的散热损失Q散散热损失就是炉膛热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到

17、车间的热损失。一.工皿，一，,j工 Q =因为炉顶、炉底散热一个较多，一个较少，因而在计算中将炉顶、炉底简化件1.48 x 105KJ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。*:=:i:-:-:-s 既.心炉衬蓄热情况简化计算图S1人F1 m1t 一 t1 s 0+ -2X2Fm2x 3.61 a F先求出各层炉墙材料的平均热导率:气=0.165 + 0.19 x10-3 x 950 ；820 = 0.333w (*c )气=0. 032 + 0. 21 x(820 + 20 )=0. 06904 w；m.0 C各层炉墙的厚度 S 列

18、出如下:S = 0. 09m； S=11. 487m2 ；214. 721m2公式中七是炉膛和室温t广 95昨；，。=2。将以上数据代入求2 ，所示如下：x 3. 6950 - 200.090.1151+ + 0. 333 x 11.4870. 069 x 14. 72112. 2 x 16. 633得 Q 散=23632KJ5、开启炉伽融热损失()辐计算公式如下：Q 辐=5.675 x(100 )x 3.6 F 5tT与孔分别是炉膛部和炉外空气的绝对温度(K)；F一炉门开启的面积：F =2=0.95m 2中一炉口辐射遮蔽系数:233=0. 2018D 1110,查表可知：=0.835厂炉门开

19、启率：80.3 = 0. 06976 4. 3将以上娜代入公式计算得。辐=219顷23632KJ6、炉子开启时溢气的热损失。溢计算公式如下:其中：V = 220祈 R2(R ；5 = 0.3 = 0. 06976 ;t 4.32 -1711=2200兀f1.11 T J1.11 x 1.4 x 0.5 x .50 + 20)x 0.06976 = 58177.96KJI 2 B 2|7、其它散热Q它一般如下估算:Q它=(0.51.0)Q散Q = 21923KJ辐则：Q 它=0.6 x 23632 = 14179.2KJ8、电阻炉热损失总和。总Q = Q + Q + Q + Q + Q = 26

20、6683.55KJ总 件 散 辐 溢 它9、计算功率及安装功率P =业=69.229KW计 3600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、= 69.229 x 1.3 r 1.5W：取P、= 90KW :大、技术经济指标计算Q =溢5.8 x 104 KJ1、电阻炉热效率门=S件 X 100% = 14877139 X 100% = 55.7%Q266683.55总Q、它=14179.2KJ一般电阻炉的热效率为40%80%，满足要求。2、电阻炉的空载功率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，义称为空炉损失。用下式计算：_

21、Q散+ Q它360023632 + 14179.23600P 心=10.5kw =11.6%P总Q总=2.66 x 105 KJ3、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：t = Q器=680163.24 = 2.09h升 3600P安 3600 x 90七、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的各个 部分。井式炉功率大于75Kw是要考虑分区，H/D大于1也要分区。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

22、分三区计算，上下区功率分别为：上区42Kw,下区都是48Kw。P计=109.89 Kw2、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成要求采用低电压供电的大截面电阻版外，-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。P安=150 K w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0 Cr25Al5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1区9层42KWII区12层48KW门=55.55%选用0Cr25Al5线状电热元件，电压380V

23、。1、I区1.1供电电压和接线选用三相380V、星形接法P = P安 = 42 = 14( KW)P=13.3 KwU = 380 = 220( V)1.2确定电热元件的单位表面功率因炉膛最高温度不超过950C,结合选材0Cr25Al5查表得W允=1.71W/cm3t 升=2.3h1.3确定元件尺寸P 2 p d = 34.3 x 3： Pt3 u 2W 允p = p0Q + 51) = 1.4 x(1 + 4 x 105 x 1100) = 1.5Qmm2/m代入上式得d=5.2mm,取d=5.5mmU2d22202 x(5.5 )L = 0.785 x 10-3= 0.785 x 10-3

24、 x= 56mPp14 x 1.5tL =nL=3x56=168 ( m )G = gM -L =0.169x168=28.392 kgG=G x n = 28.392 x 3 = 85.176kg三相380V星形接法W = 址 =lx4=1.447wcm3 1.71 Wcm3 符合 要求 兀 dL 3.14x5.5 x561.4电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每3排串接成一相。每 排电热元件的展开长度:L 折=56+3 = 18.67m每排电热元件的搁砖长度：L =兀（D - 60） - 25 = 4496.6mm砌电热元件螺旋直径：螺旋直径D =（46）d取

25、:D = 4d = 4 x 5.5 = 22mm螺旋体圈数N和螺距h分别为：N = 折 = 18670 = 270 圈 兀 D 3.14 x 22h = L =冬=16.65mm 取 h=20mmN 2702 v * = 3.6 v 4,满足h =（24）d的要求。I区：P = 14( KW)U=220(V)W允= 1.71W/cm3d=5.5mmL=56m电热元件螺旋节距h在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。L 总 =168( m)2、II 区2.1供电电压和接线选用三相380V、星形接法G 总=85.176kgP = % =竺=16KW 3N 3380U = 380 = 220(

26、 V) v32.2确定电热元件的单位表面功率同上：W允= L71W/cm32.3确定元件尺寸d = 34.3 x 3 P2P t3 u 2WL 折=18.67m允P = P0d + 51) = 1.4 x(1 + 4 x 10-5 x 1100) = 1.5Qmm2/mL = 4496.6mm代入上式得d=5.74mm,取d=6.0mmU 2d 22202 X 62L = 0.785 x 10-3 = 0. 785 x 10-3 x = 56. 24mPpt16 x 1.52D = 22mmL =nL=3x56.24=168.72 ( m )G = gM - L =0.236x168.72=3

27、3.913 kgG总=33.913 x 3 = 101.74kgh=20mmW = 0 =100 x 16=1.51 1.71 w.cm3 丸dL3.14 x 6 x 56.24符合要求2.4电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每4排串接成一相。每排电热元件的展开长度：L折=56.24 - 4 = 14.06m每排电热元件的搁砖长度：II区：L =兀(D砌60) 25 = 4496.6mm电热元件螺旋直径：螺旋直径D =(46)d取：D = 4d = 4 x 6 = 24mmP216KW螺旋体圈数N和螺距h分别为：N = L折 =14060= 186.4 圈U =

28、220( V)丸D3.14 x 24h = 土 =竺暨=22.95mN 187W允= L71WE取 h=23mm2 v 23 v 4，满足h =(24)d的要求。 6d=6mm电热元件螺旋节距h在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。3. 电热元件引出棒及其套管的设计与选择3.1弓I出棒的设计L=56.24mL 总=168.72 ( m )弓I出帮必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti, 0=16mm,丝状电热元件与弓I出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。弓I出棒长度：L 引=25+90+115+120=350mm3.2.保护套管的选择G总=101，74k

29、g根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，所以确定L 炉墙=90+115=205 (mm),弓| 出棒的直径 d=16mm,因此选用SND - 724 - 020号套管，高铝矾土，重量0.35kg,d 套=25mm, D 套=。40 mm,长度 250mm。4. 热电偶及其保护套管的设计与选择4.1热电偶的选择 镍硅热电偶。所以选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择， 外径16mm,插入长度为400mm。保护材料为双层瓷管。由于炉最高的温度为950C.长期使用的温度在1000C以下，所以选用镍铬-L=14.06m4.2热电偶保护套管的选择L=4496.6mL帷=205mm。热电偶外径16mm,插入长度为300mm。根据这些条件，应 该选用 SND - 724 - 021,高矾土，重量 0.4kgd 套=25mm、D 套=40mm,长度 为300mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。D=24mm参考书目1、华小珍、霞等：热处理炉课程设计指导书，航空大学出版,2008.11.2、华小珍等：热处理炉，航空大学出版,2008.23、吉泽升等：热处理炉，工程大学，2000年h =23mmL /350mmd=25mmD 套=40mmL=250mmd=25mmD 套=40mmL=300mm