热工过程与设备课程设计箱式热处理电阻炉设计

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1、辽 宁 工 业 大 学热工过程与设备 课程设计（说明书）题目：箱式热处理电阻炉设计院（系）：新能源学院专业班级：材料科学与工程141学 号：姓 名：指导教师：起止时间：2015-12-212016-01-03课程设计任务及评语院（系）：新能源学院 教研室：材料教研室学 号141609012姓 名专业班级材料科学与工程141课程设计题目箱式热处理电阻炉的设计生产率330kg / h，额定工作温度600，炉底强度115kg / mh；炉底强度系数0.85；纤维毡保温材料课程设计（论文）要求与任务(1) 炉型的选择(2) 确定炉体结构与尺寸(3) 计算砌体平均表面积(4) 计算加热炉功率(5) 计算

2、炉子热效率(6) 计算炉子空载功率(7) 计算空炉升温时间(8) 功率分配与接线(9) 电热元件材料选择与计算(11) 电热体元件图(12) 电阻炉装配图(13) 炉子技术性能指标(14) 参考文献时间安排（1）布置设计任务，设计方案讨论、选择炉型 1天（2）炉膛尺寸、炉体结构和尺寸、绘制炉衬示意图。 2天（3）炉子的加热功率、热效率、空炉升温时间。 2天（4）功率的分配；电热元件尺寸、布置，绘制电热元件示意图。 1天（5）绘制电热元件布置图和电阻炉装配示意图。 1天（6）撰写、编辑、排版、修改设计说明书。 4天（7）考核、答辩。 1天指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年

3、月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书目 录1 炉型的选择12 炉体结构及尺寸12.1 炉底面积的确定12.2 炉膛尺寸的确定12.3 炉衬材料及厚度的确定23 砌体平均表面积计算34 炉子功率45 炉子热效率计算76 炉子空载功率计算87 空炉升温时间计算88 功率的分配与接线99 电热元件材料选择及计算910 电热体元件图111 电阻炉装配图212 电阻炉技术指标3参考文献44设计任务：为某厂设计一台箱式热处理电阻炉，其技术条件为：(1) 用途：碳钢、合金钢毛坯或零件的正火、淬火，处理对象为中、小型零件、非长杆类零件，无定型产品，小批量，多品种。(2) 生产率：330kg

4、 / h。(3) 额定工作温度：600 。(4) 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。1 炉型的选择根据给定的技术要求选取低温箱式炉，箱式炉结构简单，操作方便，容易准确控制温度，炉膛温度分布均匀，故设计额定温度（最高使用温度）600，为低温回火炉类热处理炉。2 炉体结构及尺寸炉体结构尺寸根据工件的形状，尺寸，装炉量以及炉子生产率来决定。同时考虑到炉子的传热特点、检修和装出料方便。在保证炉子生产率的情况下，尽量减小炉膛尺寸以降低能量消耗。2.1 炉底面积的确定根据炉底强度指标计算炉底面积。因为零件产品为无定型产品，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。根据已知的生产率p

5、为280 kg / h，炉底强度h为110 kg/m2h，故可求得炉底有效面积F1 = p / h = 330/ 115= 2.87m2式中 F1 炉底有效面积，2.87m2；p 炉子生产率，330kg / h；h 炉底强度，115kg /（mh）。因为有效面积与炉底实际面积存在关系式K = F1 / F = 0.85，得炉底实际面积F = F1 / 0.85= 2.87 / 0.85 = 3.38m22.2 炉膛尺寸的确定对于箱式热处理电阻炉，炉底长度与宽度之比约为3:2，所以由炉底长度公式 L = 可知 L = 2.25 m 由炉底宽度公式 B = 得 B = = 1.5m根据炉膛高度H与

6、宽度B之比H / B =0.8，可以知道H =1.5 0.8= 1.2 m。因此，可以确定炉膛尺寸如下 L= 2250mm B = 1500 mm H= 1200mm2.3 炉衬材料及厚度的确定低温箱式炉炉墙选取一层材料，为耐火纤维毡。耐火纤维毡，密度0.1 g / cm2，导热系数= 0.116。衬包括炉墙、炉底和炉顶三部分。依次计算炉墙，炉底，炉顶。1.炉墙对于炉温在小于等于600的电阻炉，可用耐火纤维毡做砌体。根据经验，初步选取厚度为200 mm。炉墙内表面温度t0即为炉子的额定工作温度600 。炉壳温度t1为20，空气温度t2为50，即t0 = 600 ，t1 = 20 ，t2 = 5

7、0则有：耐火纤维毡层S的平均温度为： t均 = = = 310 ， = 0.116 W/(m)(1) 热流q q墙 = =327（W/m2）（2）计算交界面上的温度t1 由 t1= t0 q S / 得 t1 = 600 327 0.2 / 0.116= 36.2 验算界面温度 （t1 t1）/ t1=（50 36.2）/ 36.2= 27.6% 30 % ，结果合理，不需要重新假设界面温度。2.炉底炉底在高温下承受工件的压力，装出料时常受到工件的冲击或磨损，因此，要求有较高的耐压强度，砌层厚度也要求比炉墙厚一些。一般电阻炉的炉底结构是在炉底钢板上用硅藻土砌成方格子做支撑，格子内再填充蛭石粉，

8、上面在铺几层硅藻土或轻质砖，再往上为耐火砖。3.炉顶由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即一层：耐火纤维毡厚度200 mm。炉宽小于3.5 4.0 m的电阻炉采用拱顶。本设计炉采用拱顶60拱角。 3 砌体平均表面积计算砌体平均面积包括，炉顶平均面积，炉墙平均面积与炉底平均面积之和。砌体外廓尺寸：外廓尺寸是指在炉膛的尺寸之外加上炉墙的厚度的尺寸。L外= L + 2 200= 2250+ 2 200= 2650mmB外= B + 2200 = 1500+ 2 200 = 1900mmH外= H +g+200 =1200+113+200=1513 mmf = R ( 1 c

9、os 30 ) =200 mm 式中 f 拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，则拱弧半径尺 R = B =1500mm。图1 炉衬结构图4. 炉子功率电阻加热炉所需功率的大小，与炉子的生产率，升温时间，炉膛尺寸，炉子结构，工件的工艺规律和操作方法等因素有关。在设计中必须考虑各方面因素以确定合适的功率。用计算的方法通过复杂的公式利用热平衡法确定炉子功率。炉子的总功率应满足热量支出的总和。不同的电阻炉热量的支出具体项目和数量也不相同。根据箱式炉的热量支出的项目，计算热量支出的具体数值并求和。从而求得总功率。1加热工件所需的热量Q件 Q件是指电阻炉在加热过程中作用在零件上的有效的热量Q件 = g (C

10、2 t2 Cl t1 ) 式中 g 炉子生产率；g = 200 kg / h。C2 工件在额定工作温度（即600 ）时的热容；C2 = 0.682 kJ / kg。Cl 工件在常温（20）时的热容；Cl = 0.494 kJ / kg。t2 炉子的额定温度（即600）；t1 室温温度，取20 。 则 Q件 = g (C2 t2 Cl t1 )= 330 (0.682 6000.49420) =131775.6kJ / h 2加热辅助工具夹所需的热量Q辅 辅助工具为料盘，工夹具等辅助工具，由于不同的加热工序所用不同的工夹具，所以此次计算只带入炉底板计算。 Q辅 = 0.05 Q件式中 Q件加热工

11、件所需的热量Q辅= 0.05 Q件=0.05131775.6=6588.78kJ3.通过炉衬的散热损失Q散低温电阻炉炉衬厚度为一层，通过侧墙与前后墙散失的热量也要考虑在总体热量之内。 Q散= q A均 式中A均箱式电炉各散热面积平均值16.070 m2 q 热流密度220.97 kJ/(hm2)，它与炉壳表面状况、外壁温度有关。因为A均= = ( h + f ) L+( h + f ) B+L B + L外 B外+L外 H外+H外 B外/2=(2.25+0.46)1.96+(1.2+0.63)1.96+1.832.71+(2.251.5+2.251.4+1.41.5)2/2=22.48 m2所

12、以Q散= q A均 =327 33.48=7350.96kJ4.通过开启炉门的辐射热损失Q辐当夹取工件的时候，需要开启炉门，当开启炉门的同时会产生热量的辐射散失Q辐 = 5.67 A 3.6式中 T1 炉膛的温度 K；T2 炉外空气的温度 K；A 炉门开启面积0.48m2； 遮蔽系数，取0.79； 炉门开启时间比率取0.2。由于正常工作时，炉门开启面积A= 0.6 0.48= 0.288 m2Q辐 = 5.67 A 3.6= 5.67 0.48 0.79 0.2 3.6= 2006 kJ / h 5.通过开启炉门的溢气热损失Q溢当炉门开启的时候由于冷热空气的对流造成热量的散失。热空气向外流出冷

13、空气流入造成炉内温度的降低。Q溢 = V C ( t 1 t2 ) = 818 1.37 (600 20 ) 0.2= 129996.56kJ / h式中 t1 室温温度，取20。t2 炉子内热空气温度，取600。V 进入炉内的冷空气量818m3 / h。C 空气在温度之间的平均比热1.37kJ / (m3)。对于电阻炉，V可以按下式近似计算V = 2200B= 2200 0.8 0.6= 818 m3 / h式中 B 炉门的宽度0.8 m； H 炉门的开启高度0.6 m； 6.其它热损失Q它除了以上各种热散失以外，还有很多考虑不到的其他因素造成的热散失，其中包括密封性不良，砖块之间的契合度差

14、，内部老化等。一般其他热损失近视取炉衬散热的50 % 100%或者总热损失的10 %，本次计算选取Q它= 30 % Q散。Q它 = 0.3 Q散 = 0.37350.96=2205.288kJ / h7.总热量支出Q总总的热支出包括Q件 ，Q辅 ，Q散 ，Q辐 ，Q溢 ，Q它 。 Q总= Q件 + Q辅 + Q散 + Q辐 + Q溢 + Q它= 131775.6 + 2205.288+ 7350.96+ 2006+ 129996.56+ 6588.78=155308.188kJ / h8.热功率P总将热量转换为功率，通过转换系数将两者进行转变。P总 = Q总 / 3600 = 155308.1

15、88 / 3600 =43.14 kW 从热平衡的观点来看，P总热功率就是所需的功率。但是考虑到生产中的某些情况，如车间电压降低或电热体老化引起的功率下降以及适应强化加热制度所要求的功率等，因此，炉子的功率应有一定的储备，炉子的额定（安装）功率应为P = KP总 。其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.5，故P = 1.5 43.14 = 64.71 kW，取65kW。5 炉子热效率计算单位时间加热工件能力的称为热效率，热效率越大，炉子的利用率越大，热效率过小说明炉子设计的不合理，需要重新设计，热效率的范围一般在30%到80%之间。工作时的效率是指在工件在炉内加热时的效率 = = = 84.

16、8 %6 炉子空载功率计算空载功率是指在没有工件加入炉内的时候，将炉内温度提升到额定工作温度时的功率 P空 = = （7350.96 + 2205.28）/3600= 2.65 kW7 空炉升温时间计算不同耐火层，保温层的蓄热不同，耐火层蓄热多而保温层相对较少，为简化计算将炉子侧墙，前后墙，炉顶按照相同数据计算，而炉底的构造比较复杂，统一按照轻质粘土砖计算。1.炉墙及炉顶和炉底蓄热本设计中温炉有二层砌体，不同砌体尺寸除了考虑到炉膛尺寸以外还需要考虑到前一层耐火层的尺寸。因为 V1=V外 = (2.25+20.2)(1.5+20.2)1.2+0.168+0.23+0.2 = 2.651.91.8

17、 = 9.063m3 V2=V内 = 2.251.41.5 = 4.725m3所以 V =V1 -V2=9.0634.725=4.338 m3因为tp =(t0 + t1) / 2=(600 + 50)/ 2=325 由参考文献查得C = 0.2 +7 10-5tp =7+7 10-5325= 0.2228 kJ / (kg) = 0.1 103= 100 kg /m3蓄热量式中 V 耐火层和保温层的体积（m2） 耐火材料和保温材料的重度（Kg/ m2） t 耐火层和保温层在炉子工作温度时的平均温度（m2） C 耐火材料和保温材料在 t粘和t蛭时的比热 C 耐火材料和保温材料在温室下的比热 故

18、 Q蓄=4.33280.1103(0.2426000.201420)=61252.56kJ2.空炉升温时间空炉升温时间是指，在没有工件的情况下，将电阻炉加热到额定工作温度的时间。升= = = 0.2h对于一般周期作业炉升温时间在0.1 0.8小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。8 功率的分配与接线因为该热处理电阻炉的炉膛宽度B = 1.252m，炉膛超过1米炉膛为大型箱式炉，功率分配除了在侧墙和炉底之外，还应在炉门口增加一些功率，即在炉长1 / 4 1 / 3处，将功率加大为功率的15 % 25 %左右。本设计功率均匀分布在炉膛两侧及炉底。供电电压为车间动力电网380 V。核算炉膛布置电热

19、元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负击应在15 25 kW / m2之间。9 电热元件材料选择及计算金属电热体材料有合金和纯金属材料两种。电热体要求高的电阻率，电阻温度系数小，材料有足够的耐热性与高温强度，热膨胀系数要小，材料要具有良好的加工性，材料成分要符合国家资源情况，来源容易成本低。由于该热处理炉的最高使用温度为600，属于中温箱式炉，故选用线状Cr13Al4合金作电热元件，接线方式采用星型接法。1.求600 时电热元件的电阻率当炉温为600 时，经查得Cr13Al4在20 时电阻率0 = 1.26 mm2 / m，电阻温度系数 = 15 10-5 -1。t = 0( 1 +

20、t)= 1.26 ( 1+15 10-5 600 )= 1.35 mm2 / m2.确定电热元件表面功率由查资料以及该工作表面温度和该电热元件有敞开型和封闭型两种。由参考文献W = 5.6W / cm2。3.每根电热元件的功率每根电热元件的功率以10-25kW为宜，每组3根，64.71 kW / 15kW = 4.3，取3根，所以电热元件共一组三根，每根功率P = P / n =64.71/ 3 =21.57 kW。4.线状电热元件直径:电热元件的直径取决电热体的功率、电压、电阻率和表面负荷率d = 式中P 每根电热元件的功率。14.0 kJW允 电热元件的允许表面负荷 5.6 W / cm2

21、。U 每根电热元件的相电压380 V；t 电热元件的电阻率；1.35 mm2 / m；故 d = =3.15mm取d=3mm5.每根电热元件长度L = = 34.3m取L=34m6.电热元件总长度L总 =3L = 3 34= 102 m7.每根电热元件的重量G总 =式中 为电热元件的密度，查资料确定为 7.4 g / cm3G总=5.22kg,8.电热元件总质量G总 =3 G= 3 5.22 = 15.66kg9.校验表面负荷 W实 = P / d L = (14.0 103)/ ( 2.5 10-1 38 102 ) =4.69 W / cm2W实= 4.69 W / cm2 W允 =5.6

22、 W / cm2，结果满足设计要求。10.电热元件在炉膛内的布置 电热体在炉膛内应该绕成螺旋形状。这样既能稳定传热，又能节省空间。查表可得，螺旋节距h =（2 4)d才合理。螺旋节径D=( 6 8 )d，本设计取D= 6 d，h=3.7d。D = 3d = 4 3 = 12 mmh = 4d =4 3= 12 mmL=10热处理电阻炉的功率分配在两个侧墙以及炉底，且平均分配，即在炉子的侧墙及炉底各安装两组电热体，。除去弯曲处占的位置。在每折的长度为L1= 1879 50 = 1827mm。将每根电热体分为四折，L折 = L/ 4 = 34.3 4 =8.5m螺旋体圈数 N = L折 / D=8

23、.5/(3.14 12 10-3) = 212.5圈h = L 1/ N= 1827 / 201.70 = 9.07h / d =9.07 / 2.5= 3.6265 在2 4的范围之内满足设计要求 根据计算，选用Y方式接线，采用d = 2.5所用电热体重量最小，电热元件节距h在安装时适当调整，在炉口处适当增加功率 。10 电热体元件图电热体螺距为9.07 mm、直径为2.5 mm。电热体具体尺寸及安装见图2 - 图4。图2 金属电热体的安装方式（侧墙）图3 金属电热体的安装方式（炉底）图4 螺旋型电热体11 电阻炉装配图电阻炉装配炉见图5。1 电气元件 2 热电偶 3 炉底板 4工作室 5

24、炉壳 6 重锤筒 7 炉门 8手摇链轮 9 行程开关图5 电阻炉装配图12 电阻炉技术指标额定功率：64.71kW；额定电压：380 V；最高使用温度：600 ；生产率：330 kg / h；相数3；接线方法YY；工作有效尺寸2250 mm 1500 mm 1200 mm；外形尺寸：2650 mm 1900mm 1513 mm；参考文献1 吉泽升.热处理炉及车间设备M.机械工业出版社2 吴光英.现代热处理炉M.机械工业出版社3 热处理手册 第三册（第三版）M.该书编委会.机械工业出版社4 刘英义，赵 松.热处理电阻炉的热量损失与节能措施J.鞍山科技大学学报. 2006，29 （3）：278-2835 严玉珍.箱式电阻炉的改造J.热处理技术与装备.2013，34（4）：51-556 杨雁斌，郑业方.节能改造热处理井式电阻炉J.金属加工(热加工).2012，（15）：32-35