热工设备课程设计-箱式电阻炉的设计

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1、热工课程设计说明书题目 箱式电阻炉的设计 学 院: 专 业: 姓 名: 班 级: 学 号: 指导教师: 年 月 日格式说明1. 上、下页边距均为2.54厘米，左、右页面边距均为3.17厘米，全文1.25倍行距；2. 一级标题：宋体 四号 加粗； 3. 二级（及二级以下）标题：宋体 小四 加粗；4. 正文文字：宋体 小四； 5. 参考文献：宋体 五号；6. 所有英文字体用Times New Roman;7. A4纸单面打印。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： 400mm200mm160mm 3. 使用温度： 1100

2、 4. 炉体表面温度：80 5. 电源、电压：单相220V三、 设计说明书内容：1.概述2.目录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.电热体计算。7.测温热电偶的选择四、 设计要求：1. 认真设计，积极思考，刻苦专研，独立完成，有所创新。2. 设计说明书：1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2张：图面布置合理，比例适当，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：周一、二：查阅资料，确定设计方案，进行设计计算。周三、四、五：画图，编写设

3、计说明书。箱式电阻炉设计说明书摘 要本文提出并设计了工作温度为1100的箱式电阻炉，其炉膛尺寸为400mm200mm160mm。通过对炉体材料和炉体结构的对比分析，选择了适当的耐火材料和保温材料，即耐火材料粘土砖和保温材料轻质粘土砖，确定了炉门炉墙炉顶的结构，并进行了热量计算，计算出了整体尺寸。其次，进行了功率计算，并且对功率进行了校核。计算结果验证了所选材料的合理，并预期能够运行保证运行温度。然后对当前普遍采用的电热体材料进行了分析，选择硅碳棒作为电热体材料，使用合理的供电电路，保证了炉膛的热源供给，并计算出所需使用的数目。最后，对当前所可以使用的热电偶进行了分析。目 录1. 概述72. 炉

4、体材料选择和炉体结构设计82.1炉顶82.2炉墙82.3耐火材料的选择82.4隔热保温材料的选择92.5炉门102.6炉底和地基102.7炉架及炉壳102.8 炉膛结构102.9热量计算113. 功率计算123.1 确定功率123.1.1 按面积负荷法确定功率123.1.2 按容积负荷法确定功率123.1.3 实际功率123.2 功率校核124. 电热体材料选择、电热体布置及供电电路设计134.1电热体材料要求134.2 可选材料134.3电热体布置144.4供电电路设计144.4.1供电电路144.4.2功率分布144.4.3功率调节145. 电热体计算156. 测温热电偶的选择161. 概

5、述 电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层干燥等。电阻炉与火焰炉相比，它具有结构简单，占地面积少，加热空间紧凑，空间热强度高，热效率高，温度便于实现精确控制等特点1。本次课程设计的目的就是将热工课程的理论知识应用到电阻炉设计的实验中去，理论与实践相结合，从而了解电阻炉的各部分元件的性能要求、构造及设计方法2。 通过本次设计增强了理论与实践相结合的能力，加强了动手动脑能力和逻辑思维能力，为今后的实验工作奠定了基础，积累了丰富的经验。 陶瓷工业

6、在社会主义建设、国防科学和人民生活中都占有重要的地位，它不仅与人类的日常生活文化有密切的关系，而且随着科学技术的发展，运用于电子、原子能等尖端材料中。2. 炉体材料选择和炉体结构设计2.1炉顶 电阻炉的炉顶有三种：拱顶、平顶及悬挂顶。如果炉膛宽度400600mm。则可采用整砖平顶3。2.2炉墙电阻炉的炉墙是由炉衬和金属外壳组成。炉衬包括：耐火材料及保温材料，炉衬的结构要求能够耐火、保温、密封，有一定的强度。炉膛温度与炉衬厚度之间的关系如下表。当炉膛温度200300时，炉衬可以不用耐火材料，而只用保温材料4。表1.电阻炉的炉膛温度与炉衬厚度的一般关系炉膛内的最高温度（）重质耐火材料的厚度（mm）

7、保温材料的厚度（mm）300600651652006008001152002508001000115250300100012001153003501200140016535040014001600230345400500160018003454604005002.3耐火材料的选择1、耐火材料的要求： 耐火材料的质里主要从它的高温实用性和耐火度，高温荷重，软化温度，热稳定性，抗化学腐蚀性和高温体积稳定性等几个方面综合考虑。2、几种可选的耐火材料的性能特点： （1）粘土耐火砖：粘土砖属于耐酸性耐火材料，热稳定性好，荷重软化开始温度在12501300以上，软化开始和坍塌变形温度间隔很大，拈七砖在陶瓷

8、工业窑炉上使用很广，使用温度在1300以下。 （2）高铝砖：高铝砖是用高铝矾土熟料加综合粘土成型，在14501500下烧成，它的耐火度及荷重软化温度均比粘土砖高，开始软化温度在14001500以上，抗化学腐蚀性也比较好，但是热稳定性较差，使用温度在14001600。 （3）半硅砖：属于半酸性耐火材料，荷重软化温度比粘土砖稍高，极冷极热性能比硅砖好，比粘土砖差。 （4）硅砖：含氧化硅95%以上，以石英砂烧制，若在其中加入Fe或者P，用石灰乳做矿化剂，以亚硫酸汁浆做。使用温度在13501400。荷重软化温度在1620以上，但热稳定性差，不适合砌筑间歇式窑炉。 （5）镁硅砖：是以方镁石（MgC）为主

9、要矿物组成，镁橄榄石为基质结合的，烧成温度16201650，荷重软化点1550以上。 （6）镁砖：耐火度超过2000，荷重软化温度1500，使用温度16501700，但热稳定性不好。（7）镁铝砖：氧化镁大于80%，氧化铝为51%，耐火度高达2130。（8）刚玉砖：刚玉砖和氧化铝为原料，16001800烧制而成，使用温度1800以下。2.4隔热保温材料的选择1.目的：减少窑体的热损失，提高热效率5。2.要求：要有较低的热导系数，工作热阻要高。有较低的比热和密度。使用温度要高（要有一定耐火度）。具有一定的机械强度，高温下体积稳定性和化学稳定性好，寿命长。便于施工，便于取得。3、分类：低温隔热保温材

10、料如：硅藻上、珍珠盐、石棉、矿渣棉,使用温度小于600。中温轻质耐火材料如：轻质硅砖、轻质粘土砖、高温耐火隔热材料：耐火纤维及制品，氧化铝空心小球及制品。 特点：隔热保温效果好，用于陶瓷窑炉。综合上述因素考虑，所选保温材料应为轻质粘土砖。2.5炉门 电阻炉的炉门开启方式通常包括：提升式和铰链式。大型炉多用提升式，小型炉一般用铰链式。电热隧道窑的炉门多采用卷帘式和插板式。小型电热隧道窑因为炉膛细而长，且坯件、制品进出频繁，所以一般无炉门，有时在窑的进出口设立封闭气幕6。2.6炉底和地基 小型电阻炉的炉底一般是用钢架直接架在钢板的外壳上，即炉底悬空。电热隧道窑还必需考虑地基，不应让地基各部分的承载

11、差别太大。安装时，还应考虑地基受热膨胀的因素2.7炉架及炉壳 电阻炉的炉壳通常采用35mm厚的钢板制成，其炉架常用各种钢材焊接而成。其炉壳和炉架的外表涂刷防锈红丹漆后再刷一层灰漆或银粉漆，这样能够减少炉壳的辐射散热损失。 氢气保护的钼丝电阻炉以及真空电阻炉等电热炉还必须设置观察孔和防爆器。薄膜防爆器的特点是：既可以保证密封性又能在一定的压力下破裂从而保护炉内的主要装置不受破坏7。2.8 炉膛结构 耐火材料选择粘土砖厚度为2030mm 保温层厚度内外壁厚度砖的厚度 炉体长：4002321505774mm 炉体宽：2002321505574mm 炉体高：1602321505534mm电阻炉的主视结

12、构图：炉壁和炉底均采用此种结构砌筑，在炉壁外表面用厚约2mm的耐火陶瓷棉做成的布覆盖。炉顶盖在设计时，考虑到其常移动打开，而且全部用轻质的陶瓷纤维做成的板材砌筑，使其密封性良好，将其周围研磨平整，在炉盖上压一定重量的重物。保温材料要能承重，选用轻质粘土上砖。2.9热量计算根据第一节所选的耐火材料粘土砖和保温材料轻质粘土砖。 粘土砖： 轻质粘土砖： t1 =1100 t3=80 设t2 =900 则 Q= 校核 误差：| |100%=1.8%5% 所以 Q=1215.7W/m2 综上t2温度适合耐火材料3. 功率计算3.1 确定功率3.1.1 按面积负荷法确定功率 已知炉膛尺寸：400mm200

13、mm160mm 所以炉膛内表面积为F20.40.20.40.160.20.160.352m因为炉子使用温度为 1100，取k 13kw/mNk1F130.3524.576kw3.1.2 按容积负荷法确定功率炉子有效容积V0.40.20.1612.810-3 m 3k2 120则Nk2 V2/3 12012.810-3 2/3 6.57kw3.1.3 实际功率 考虑到升温速度、电热体老化等因素，将以上计算功率乘以安全系数kk1.21.5取k1.3 N实kN1.26.57=7.88因此取最大功率7.88kw3.2 功率校核由第三节、第四节计算散失热量q=1215.7w/m 散热功率：1215.7F

14、表1215.70.3040.3696kw由上计算功率为7.88kw0.3696kw，可以使温度迅速升温，符合要求。4. 电热体材料选择、电热体布置及供电电路设计4.1电热体材料要求1.电热体的发热温度应当满足工艺要求。电热体的温度应比炉膛温度高50100。2.具有较高的比热阻和较小的电阻温度系数。3.在高温下电热体必须稳定，不易氧化，不与炉内的衬砖和气体发生化学反应。4.具有优良的机械性能。在高温下不变形，有足够的机械强度和良好的塑性和韧性，易于加工。5.热膨胀系数不能太大。如果热膨胀系数过大，电阻炉容易受损。6.电热体成本要低，尽量合理利用材料。4.2 可选材料1、钼属于高熔点的稀有金属，熔

15、点2630，具有金属光泽，硬而坚韧。钼在高温下具有加大的持久强度导电性能优良，膨胀系数小。具有抗腐蚀性，是一种易氧化的金属。钼丝炉必须有调节范围很宽的调压装置，一般采用感应变压器或自耦变压器。2、镍铬合金 也称为镍基合金，其熔点随合金成分而定，约为1400左右，可用于1100以下的电阻炉，其特点：高温氧化性能好，因为在其表面能生成Cr O 薄膜，它可以保护内部的镍合金不被氧化，所以不需要任何气体保护。3、铁铬铝合金 熔点比镍合金高，约为1500左右，目前我国生产的高温镍铬合金的温度可达13001400，铁铬合金加热火在其表面生成一层Al O 保护层，此保护层的熔点高，而且不容易氧化，它适合氧化

16、或中性气氛。但对碳、氯、氧的抗侵蚀能力不强，在高温与酸性耐火材料及氧化铁的反应剧烈。4、硅碳棒是最常用的非金属元件，其他主要成分是SiC 94.4,SiO 3.6,其余为铁铝氧化钙等使用温度为1400左右，具有良好的导热性、导电性和耐磨性，能承受较高的加热温度，低温时其电阻与温度成反比，硅碳棒在高温的条件下使用与空气中的CO2，O2等强烈反应，使其氧化，生成玻璃态的SiO2薄膜，因此电阻大。综合以上条件和性质，本实验选择硅碳棒作电热体材料。4.3电热体布置 硅碳棒电热体的安装：硅碳棒的安装方法需要根据炉内温度的分布情况来确定，一般是水平安装或者垂直安装。硅碳棒的发热部分应当与炉膛的有效尺寸相吻

17、合。硅碳棒的冷端部分应当伸出炉壁约50mm，炉壁上的耐热电绝缘管的内径约为硅碳棒冷端部分直径的1.5倍。炉壁上为硅碳棒预留的孔洞应在同一直线上。 4.4供电电路设计4.4.1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，供电线路尽可能缩短，以减少电能在线路中的损耗。三相电荷应尽可能平衡，两相不需平衡。 4.4.2功率分布 功率大的需要功率分布。升温、保温时采用不同的功率分布。本设计电阻炉功率不大，所以不用功率分布。4.4.3功率调节 为了调节炉内的温度制度及炉内温度

18、稳定，以满足制品的烧成工艺需要，必须对电阻炉进行功率的调节，即调节电热元件的发热功率，其调节方法，一般来说有两种： 1. 利用变压器调节。 2. 改变电热元件的连接方法来调节。 本电阻炉设计使用的是单相交流电，电压为220V。采用两根长电热体并联的方式连接电路。 5. 电热体计算 查硅碳棒实际表面功率与电阻炉温度关系图可知（国产硅碳棒电热元件的规格性能表硅酸盐工业热工设备）,硅碳棒实际允许单位表面功率，硅碳棒的有效面积F有效=W总/W允=7634/15=508.9cm2，根据炉膛尺寸，选取规格为8/200/150的硅碳棒，其F有效=50.26cm2，温度t=1200时，电压U=71V，电流I=

19、1408A，功率为1050W发热段长度为200mm，冷端长度150mm。因此可确定使用硅碳棒根数：n=508.9/50.26=1.13，即12根。又因为砖眼的直径为30mm，故选择合适。6. 测温热电偶的选择常用热电偶分为以下几种：1、铂锗铂热电偶，WELB型 铂含量9%，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01300工作。 优点：复线性好，灵敏度高。 缺点：小于800时测量有误差。2、镍铬镍钴电偶，WELB型 这种热电偶的电热特性相同，正极为镍镉铬，负极为镍硅或者镍铝。 优点：化学稳定性好，在氧化性或中性介质中长期使用在1

20、000以下，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的气氛中，温度超过500时容易腐蚀，因此在这种气氛中热电偶要加保护罩，精度比铂铑铂的低。3、镍铬铐钢电偶，WELB型 这种热电偶正极镍铬，负极铐铜（56%铜，44%镍）。 优点：热电热大，线性度较好，价格便宜。 缺点：电极材料在高温下易受氧化而变质，使用于还原或中性气氛中测量，测量上限长期使用在600，短期800。4、铜康铜电偶 这种电偶由铜和康铜（铜60%，镍40%）组成电极。 缺点：温度低时，复线性差。 使用温度：长时间使用在200以下，短时间是300。综合以上条件和性质，使用铂锗铂热电偶。参考文

21、献1李汉炎等编. 热工设备M. 天津：天津大学出版社, 19892姜洪舟主编. 无机非金属材料热工设备M. 武汉：武汉理工大学出版社, 20053姜洪舟，田道全主编.无机非金属材料热工基础M.武汉：武汉理工大学出版社,20124张保议,于宽,孙清洲. 箱式电阻炉炉衬结构的改进J. 金属热处理. 2001(09):10-115尹少武,王立,甘恢琪,宋洪科,陈俊宇. 用于制备氮化硅粉的高温电阻炉的设计与应用J. 冶金能源. 2007(01):20-246张弓. 小型箱式电阻炉检测方法分析J. 品牌与标准化. 2009(02):8-97吴洪. 综合性改造中温箱式电阻炉J. 应用能源技术. 2008(12):15-16