热处理炉课程设计

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1、目录设计任务（见教材80 页）1炉型选择1确定炉膛尺寸1理论确定炉膛尺寸1实际确定炉膛尺寸2确定炉膛有效尺寸3炉衬材料的选择及其厚度的确定3炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算3炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算6炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算7炉子外形尺寸的确定和砌体平均表面积的计算9用热平衡计算法计算炉子功率10炉子热效率的计算13功率的分配和接线方法14校核炉膛内壁表面负荷（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（见教材80页）炉型选择根据设计任务给出的生产特点，选用中温（6501000C）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

2、尺寸理论确定炉膛尺寸（1） 确定炉底总面积炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产率P = 60kg h，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p0二120kg.f(m2 - h)。因此，炉子的炉底有效面积(可以摆放工件的面积)F可按下式计算:=0.5m 2120通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.750.85之间选择。炉子小取小值; 炉子大取大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F为，F 0.5F =1 = 0.625m 20.80 0802) 确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比-在3/2

3、2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的B方便，本设计取=2，则炉子炉底长度和宽度分别为：BL 飞 0.5 -栏5 = l.H8m;L 1 118B = - = 0.559m22(3) 确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比H在0.50.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大B值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：H = 0.7 B = 0.7 x 0.559 = 0.391m实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺寸(230X 113X65mm)，并考虑砌缝宽度(砌砖时两块砖之间的宽度，2mm)、上、下砖体应互相错开以及在炉底方便布置 电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽

4、度和高度， 进一步确定炉膛尺寸如下：L = (230 + 2) x 5 = 1160mm = 1.16m ；B = (55 + 2) x 2 + (113 + 2) x 3 + (38 + 2) x 2 = 57 x 2 +115 x 3 + 40 x 2 = 539mm = 0.539mH = (65 + 2) x 6 = 402mm = 0.402m注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。确定炉膛有效尺寸为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞， 应使工件与炉膛内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有 效尺寸确定如下：L 效=950

5、mmB = 450 mm效H = 350 mm效炉衬材料的选择及其厚度的确定炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于 60C。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换 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。这三部分外壁对周围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，必须分别进行计算。炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门 看作前墙的一部分。设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN0.8）

6、, 保温层是60mm厚、密度为350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的A 级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表 3 和附表 4）。这种炉衬 结构在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于60C，应首先求出热流密 度，然后计算进行验证。在炉墙内壁温度950C、炉壳周围空气温度20C的稳定导热条件下，通过炉 墙向周围空气散热的热流密度为：950 - 20九1九2人叫1）S,S2,S3 的确定S,S2,S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的厚度（m）。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S2,S3的厚度为：S = 113 + 2 = 115mm ； S = 60m

7、m ； S = 230 + 2 = 232mm。1232）人,心，叭的确定123为人,九2,人分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的 平均热导率（W/m C）;咲是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m C）。要求出人,九2,人和叫，首先必须假定各层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t，= 850C，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻2土砖之间的界面温度t = 620 C，炉墙外壳温度t = 55C60C。如图所示。34丄求轻质粘土砖的平均导热率查教材附表3,可得轻质粘土砖（QN0.8）的平均导热率为：九=0.294 + 0.212 x 10-31（ t 为平均温度）1

8、 p p九=0.294 + 0.212 x 10-3） = 0.294 + 0.212 x 10-3（950 + 850）1 2 2=0.485 W/m 匸丄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 = 850 + 620 = 735 C。根据教材附p 2 2表4查得，密度为350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡700C、1000C的热导率 分别为0.121 W/mC和0.122 W/mC。在700C1000C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：O】22一O】2】丛-DM杯1000 - 700735 - 700=0.121W/m c丄求硅藻土砖的平均导

9、热率查教材附表3，可得 A 级硅藻土砖的平均导热率为：九=0.105 + 0.23 x 10 -313p十 丄 /- c九=0.105 + 0.23 x 10-3 x (-3一) = 0.105 + 0.23 x 10-3 x ()3 2 2 =0.183 W/m 匸丄求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为55C，周围空气为20C时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：a = 11.81 W/m2 C 为C3) 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950 - 200?1150.060.232r+ + +0.4850.1

10、210.18311.819302.086=445.8Wm 24) 验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求丄轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度-2为:1- q r=950 - 4458 x 肱=8443 C1-2 2844.3 - 850-,2850相对误差为二0.67% 5%，满足设计要求，不必重算。丄硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:-3=- 2- q=8443 - 4458 x 牆=6232 C2-33623.2 - 620-,3620相对误差为二0.52% 5%，满足设计要求，不必重算。丄炉墙外壳温度为:S0.232-=-q-3 = 623.2-445.8x= 5

11、8CV60C；43 九0.183 因炉墙外壳温度小于60C，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若 实际计算后，外壳温度大于60C，必须重新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设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN0.8）,保温 层是厚度60mm、密度350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀 珍珠岩。在炉顶内壁温度950C、炉壳周围空气温度20C的稳定导热条件下，通过炉 顶向周围空气散热的热流密度为：950 - 20九1九2九3汽1）S 1, S 2 , S 3 的确定S,S2,S3分别是轻质粘土砖（QN0.8）、普通硅酸盐耐

12、火纤维毡和膨胀珍珠 岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S2,S3的厚度为：Si =115mm ； S2 = 60mm ； S3 =115mm。2）人,九2,九3,汽的确定人,九2,人分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率 （W/m弋）；是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/mc）。要求出人,九2,人 和，首先必须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t：= 860C,硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度2t = 580C，炉顶外壳温度t、55C60C。34丄九的确定丄九,的确定2丄九3的确定丄汽的确定3）热流密度的计算将以上

13、数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：9301.852=502.2W m2950 - 200.1150.060.1151+ + +0.4860.1210.11013.524) 验算界面温度和炉顶外壳温度丄轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度12为:12 =q= 950 - 5022 x 雳=831.0 C1t 一 t2 2831.0 - 860112860相对误差为二3.4% 5%，满足设计要求，不必重算。丄硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:2- q=8310 - 5022 x 需=582 C2t -133582 - 580113580相对误差为二0.32% 5%，满

14、足设计要求，不必重算。丄炉顶外壳温度为:t = t - qS3 = 582 - 502.2 x 0.115 = 57CV60C；43 九0.1103因炉顶外壳温度小于60C，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若 实际计算后，外壳温度大于60C，必须重新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结构为，耐火层是(65+2 )X 3=201mm厚的轻质粘土砖 (QN0.8)，保温层是厚度80mm、密度350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和 (113+2) + (65+2)X2=249mm 厚的 A 级硅藻土砖。在炉底内壁温度950C、炉壳周围空气温度20C的稳

15、定导热条件下，通过炉 底向周围空气散热的热流密度为：950 - 20S_S_S 11 + 2 + 3 + -九 九 九 a123工1) S 1, S 2 , S 3 的确定S,S2,S3分别是轻质粘土砖(QN0.8)、普通硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S,S2,S3的厚度为:S = 201mm ； S = 80mm ； S = 249mm。1232）人,九2,九3,汽的确定人,九2,人分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的平均热导率（W/mc）；咲是炉底外壳对周围空气的综合传热系数（W/mc）。要求出 人,九2,人和咲，首先必须假定界面温度

16、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t = 810C，硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖之间的2界面温度t = 560 C，炉底外壳温度t = 55C60C。34丄九的确定丄人的确定2丄九3的确定也咲的确定3）热流密度的计算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=358.5Wm 2q =950 - 20q = 0201 0.080.249V+ + +0.4810.1190.1789.554）验算界面温度和炉底外壳温度 丄轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度12为:S0.201t = t - q-1 = 950 - 358.5 x = 800.1 C21 九

17、0.4811t -1r2 2800.1 - 810112810相对误差为=1.2% 5%，满足设计要求，不必重算。丄硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:t3S0.08=t - q 二=800.1 - 358.5 x = 559.2 C； 2 九0.1192t -133559.2 - 560t,3560相对误差为二 0.1% 5% ,满足设计要求，不必重算。丄炉底外壳温度为:S0.249t = t -q-3 = 559.2-358.5x= 57.7CV60C；4 3 九0.1783因炉底外壳温度小于60C，故炉底炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若 实际计算后，外壳温度大于60C，必须

18、重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。炉子外形尺寸的确定和砌体平均表面积的计算1. 炉子外形尺寸的确定1) 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 = 1160 + 2 x (115 + 60 + 232) = 1974mm = 1.974m外2) 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 = 539 + 2 x (115 + 60 + 232) = 1353mm = 1.353m外3) 炉子外形高度炉子的外形高度由以下五部分组成(图 5-8 右图):炉膛高度、拱顶高度、 炉顶厚度、炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。其中炉 膛高度、

19、炉顶厚度、炉底厚度已经求出。若炉子采用 60标准拱顶，取拱弧半 径R二B，则拱顶高度可由下式求出：f = R (1 - cos 30 ) = 539 x (1 - cos 30。) = 72mm;为方便砌筑，预留安装电热组件所需的高度及炉底板厚度可取 65+2=67mm。综合以上五部分的高度，炉子外形高度为：H 外=402 + 72 + (115 + 60 +115)+(201 + 80 + 249)+ 67 = 1361mm = 1.361m;2. 砌体平均表面积的计算炉子砌体平均表面积的计算方法有两种：算术平均值和几何平均值。本设计 采用几何平均计算法。此方法首先需要算出炉子内壁和外壁的面

20、积。1) 炉顶平均表面积的确定 炉顶内壁是弧面，内壁面积为：60 o2F =- 2“R - L 二 _ x 3.14 x 0.539 x 1.160 = 0.654m2 ；顶内360o6；炉顶外壁是平面，外壁面积为：F _= L x B 二 1.974 x 1.353 二 2.67m2顶外 外 外则炉顶平均面积为：F = ；Fx Fm = /0.654 x 2.67 = 1.32m 2顶均顶内 顶外2) 炉墙平均表面积的确定 炉墙包括两侧墙和前、后墙。为简化计算，将炉门视作前墙，则炉墙平均面积为：F 二 FxF二.2H (L + B) x 2H (L + B )墙均墙内 墙外外 外 外= .J

21、2 x 0.402x (1.160 + 0.539) x 2 x 1.361x(1.974 +1.353) =3.52 m 23) 炉底平均表面积的确定炉底平均面积为：F = FxF= (B x L) x (B x L )低均低内 低外外 外丿0.539 x 1.160 x 1.353 x 1.974 = 1.29m 2用热平衡计算法计算炉子功率热平衡计算法是根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则，来确 定炉子功率的方法。1. 炉子的主要能量消耗项1) 加热工件所需要的热量由教材附表6查得，低合金钢在 950C和20C时的比热容分别为：C950 = 0.636 kj/(kg C )和

22、C20 = 0.486kJ/(kg C )，热处理炉的生产率P = 60kg. h，则加热工件所需要的热量为；Q = P(C x 950 - C x 20) = 60 x (0.636 x 950 - 0.486 x 20)件95020=35669kg/h2) 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失包括炉顶、炉墙和炉底三部分，有：Q Q + Q + Q q F + q F + q F散 顶 墙 底 顶 顶均 墙 墙均 底 底均502.2 x 1.32 + 445.8 x 3.52 + 358.5 x 1.29 2694.59W 9700.52kJ / h3) 开启炉门的辐射热损失这部分热损失可由

23、下式求得：(T 4a1100 丿式中C0黑体辐射系数;F 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H0.402故 F B x 0.539 x 0.217m 2 ；220.201一遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为f -竽-0201m，它与炉墙厚度之比为0.115 + 0.06 + 0.232 5，查教材图曲线1得=0.56；5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t0.1；T 炉气的热力学温度，为950+273=1223K；gT 炉外空气的热力学温度，为20+273=293K，a将上述数据代入公式中，得：0辐二 3.6 x 5.675 x 0.

24、217 x 0.56 x 0.1 x(1223、100丿二 5535.82kJ / h4）开启炉门的溢气热损失 对于一般的箱式电阻炉，炉门开启后要吸入冷空气。通常以加热吸入的冷空 气所需要的热量作为该项热损失，即有：Q溢 = q P C W T）溢vt g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（58）式得：H 帀0.402-0.402q = 1997B= 1997 x 0.539 xx= 97m3 / hva 2 2 2 2P a 20C冷空气的密度，为1.29kg /m3；C 空气在TT （即20950C ）温度间的平均比热容。就本设计来 aa

25、g说，是平均温度（950+20）/2=485C的比热容。查附表10可知，空 气在 400C、00C 的比热容分别为 1.3302kJ/（m3. C）和 1.3440 kj/（m3.C）。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有：1.3340 1.3302 C 1.3302=n C = 1.342 kJ/zm3 500 400485 400 akJ/（m - C）5炉门开启率。0.1。t22T 溢气温度，近似为（T -T ） + T =（950-20） + 20 = 640 C。g 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：O = 97 x 1.29 x 1.34

26、2 x 0.1 x （640 -20） = 10411.32 kJ： h溢.5） 其它热损失 此项热损失包括未考虑的各种热损失和一些不易精确计算的各种热损失。就 箱式电阻炉来说，该项热损失可取以上各项热损失之和的 10%20%。本设计取 15%，该项热损失为：Q = 0.15( Q + Q + Q + Q )=其.15 x (35668件8 + 9散00.5? + 55溢5.82 +10411.32)=9197.47 kJh2. 炉子的理论输入功率根据热平衡计算法，在理论上炉子的输入功率应为上述各项能量消耗的总 和，即：Q = Q + Q + Q + Q + Q总 件 散 辐 溢 其它=356

27、68.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(kJ/h)3. 炉子的安装功率上面计算的炉子输入功率(即各项能量消耗总和)是维持炉子正常工作必不 可少的热量支出。但在实际生产中还需考虑一些具体情况，如炉子长期使用后炉 衬局部损坏会引起热损失增加，电压波动、电热组件老化会引起炉子功率下降， 有时工艺制度变更要求提高炉子功率。这些具体情况要求炉子功率应有一定的储 备，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 3600式中k 功率储备系数，对周期作业炉，K = 1.31.5。本设计可取1.4。将相关数据代入公式中，可得：

28、27.42kW门 1.4 x 70513.93P宀女 3600取炉子的安装功率为 30kW。炉子热效率的计算1. 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：耳件 x 100% 35668.8 x 100% 50.6%Q 总70513.93一般电阻炉的热效率在 30%80%之间。本设计的炉子热效率在此范围内，设 计合理。2. 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：n = 纭 x 100% =35668.8x 100% = 65.2%Q总 一（Q辐 + Q溢）70513.93 -5535.82 -10411.323. 炉子空载功

29、率的计算炉子空载时，能量消耗项只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此 时炉子的功率为：P 二。散 +。其它二 970052 + 卯97.47 二 5.23kW空 36003600功率的分配和接线方法炉子的安装功率为30kW。电热元件采用三相星形接法，也称“Y”接法（如 图所示）。即将电热元件分为3组，每组10 kW,炉墙两侧各布置1组电热元件, 炉底布置 1 组电热元件。校核炉膛内壁表面负荷（选做）电热元件材料的选择和理论计算1. 电热元件材料的选择炉子的最高使用温度为950C,可选用0Cr25Al5合金丝材，绕制成螺旋管 状作为电热元件。2. 炉膛950C时电热元件的电阻率炉子正常使用

30、时，电热元件的温度比炉膛温度高100C200C。当炉膛 温度为950C，电热元件的温度取1100C。由教材附表12 得, 0Cr25Al合金20C 时的电阻率P20 = 1.400.mm2 /m，电阻温度系数a = 4x 10-5 C -1 ，则1100C时 电热元件的电阻率为：P1100 =P 20（1 + %） = 1.40 X （1 + 4 X 10-5 X 1100） = 1.46Q * mm 2/m3. 确定电热元件的允许表面负荷由教材图5-3 (a),根据设计的炉子的工作条件，取电热元件的允许表面负荷 W 二 1.6W /cm2。允4. 每组电热元件的功率和端电压由于采用三相星形即

31、“Y”接法，电热元件可分为三组。每组电热元件的功率为：30 = 10kW。3采用“Y”接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件的端电压为,3805. 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 p102 x 1.46,d = 34.33 组 n00 = 34.33= 4.24mm ；3| U 2 W 2202 x 1.6； 组允取丝材直径d = 4.5mm = 0.45cm。6. 电热元件的长度和重量1. 每组电热元件的长度由教材5-25 式确定为：U2d22202 x4.5L 二 0.785 x 10-3组 二 0.785 x 10-3 x-二 52.7m 二

32、 5270mm组P p10 x 1.46组 11002. 每组电热元件的重量由教材5-26式确定为：兀兀G =一d2L p = x 4.52 x 5270 x 7.1 x 10-3 = 5.95kg组 4组尸m43. 电热元件的总长度和总重量为：L总=3九且=3 x 52.7 =158.1mG 总=3G = 3 x 5.95 = 17.85kg 总组7. 校核电热元件的实际表面负荷=“实吨组且兀血组电热元件的实际表面负荷为：1.34 W cm2 W允=1.6 W；cm 2TT710 x 103W、= 一实 3.14 x 0.45 x 5270满足设计要求。8. 电热元件在炉膛中的布置将3 组电

33、热元件每组分为 6 折，布置于炉膛的两边侧墙和炉底，每折电热元 件的长度为：L = 土组=527 = 8.78m折 66电热元件应该距离前、后墙各25mm，布置电热元件的炉壁长度为：L - L 50 二 1110mm 二 1.11m9. 螺旋状电热元件的两个参数螺旋状电热元件的温度为1100C时，由教材表5-5得螺旋节径D在（4 6）d 的范围内选取。本设计选取的螺旋节径为：D 二 6d 二 6 x 4.5 二 27mm 而每折电热元件螺旋体的圈数为：8.78 x 103兀x 27=104 圈则螺距为：h = 10.67mm。N 104本设计中，螺距和电热元件丝材直径的比值为：-=1067 = 2.37。此值在 d 4.524 的范围内满足设计要求。10. 注意两个问题1）炉门口附近热量损失较大，可适当减小该处电热元件的螺距，以增大功 率。2）电热元件引出棒材料选用lCrl8Ni9Ti不锈钢，棒材直径10mm，长度 400mm。炉子技术指标额定功率：30kW额定电压：380V最高使用温度相数：3炉膛有效尺寸炉子外形尺寸950C生产率：60kg/h接线方法：Y950X450X350mm1974X 1353X 1361mm