井式电阻炉课程设计.doc

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1、目 录一 设计任务 1二 炉型的选择 1三 炉膛尺寸的确定 1四 砌体平均表面积计算 2五 电阻炉功率的计算 2六 电阻炉热效率计算 6七 炉子空载功率计算 6八 空炉升温时间计算 6九 功率的分配与接线 9十 电热元件材料选择及计算 9十一、炉子技术指标12十二、绘制炉型图12参考文献一、设计任务设计种类：轴类工件，杆件和长管件的回火加热（材料为中碳钢，低合金钢）生产能力：160 kg/h零件最大尺寸：50*1800mm作业制度：3班制生产二、 炉型的选择根据技术条件要求，工件材料为中碳钢或者低合金钢，热处理工艺为回火，对于中碳钢或低合金钢回火最高温度大约为600700，所以选择中温炉（上限

2、950）即可。金属热处理多用箱式炉、井式炉或者连续电阻加热炉。同时工件规定是长轴类，选择箱式炉，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。三、炉膛尺寸的确定1、炉底面积的确定：用炉底强度指标法计算，炉底有效面积：查表5.1得gs=100Kg/（m2h），又Gs=160Kg/hFa=1.6（m2）由于存在关系式=0.780.85，取系数上限，得炉底实际面积：F=1.88（m2）2、炉底直径的确定： 由公式F=R2= D=1.55m3、炉膛高度的确定：由于加热工件的最大长度为1800mm，工件距炉顶和炉底各约150mm250mm，则炉深 H=1800+25

3、0+250=2300mm4、炉衬材料及厚度的确定：炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。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）为了减少炉衬热损失和缩短冷炉升温时间，在满足耐火、保温和机械强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则将使保温性能降低；（4）炉衬外表面温升以保持在4060为宜，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。对于950的井式炉，用一层轻质粘土砖作为耐火层，硅藻土砖及蛭石粉做保护层，在炉膛底部

4、应干铺一层粘土砖作为炉底。对于深度较大的炉子，在耐火层和炉口砖之间应当留1525mm膨胀缝，炉膛底部应留有清楚氧化皮的扒渣口，炉衬外有炉壳保护。综上所述，炉墙采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm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轻质粘土转+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+85mm蛭石粉。炉底采用QN-1.0轻质粘土转(67*2)mm+50mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和硅藻土粉复合炉衬。炉壳用5mm钢板制作。四、砌体平均表面积计算D外=D+2*(115+80+115)=15

5、50+620=2170(mm)H外=H+C底+f+h拱角C底=67*2+50+182=366mmf=R(1-cos30)=D(1-cos30)=1550*(1-cos30)=208mmh拱角=(65+2)+(135+2)*2=341mm、H外=2300+366+208+341=3215(mm)(1) 炉顶平均面积F顶内=2.51m2F顶外=5.03 m2F顶均=3.63 m2（2） 炉墙平均面积F墙内=2*=2*3.14*0.775*2.3=11.19 m2F墙外=2*=2*3.14*1.085*3.215=21.91 m2F墙均=15.95m2（3） 炉底平均面积F底内=3.14*0.775

6、2=1.89 m2F底外=3.14*1.0852=3.70 m2F底均=2.69m2五、电阻炉功率计算本炉采用理论设计法，理论设计法就是采用热平衡来确定炉子功率的方法。其原理是炉子的总功率即热量的收入，应能满足炉子热量支出的总和。电阻炉的种类和作业形式不同，热量支出的具体项目和数量也不相同。根据热平衡计算炉子功率：（1） 加热工件所需的热量查表可知，工件在950及20时比热容分别为=0.636，=0.486，所以=Gs()=160*(0.636*950-0.486*20)=95117KJ/h（2） 加热辅助构件（料筐、工具夹、支承架、炉底板、料盘等）所需的热量=G辅()=0 KJ/h（3） 加

7、热控制气体所需的热量 =C()=0 KJ/h（4） 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失指炉膛内的热量通过炉体散发到大气中的损失。在炉子加热阶段，通过炉衬的散热损失属于不稳定态传热。由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内=对于炉墙散热，如图所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，=850，=450，=60。则耐火层s1的平均温度=900，硅酸铝纤维层s2的平均温度=650，硅藻土砖s3的平均温度=255，s1,s3层炉衬的热导率由表得=0.294+0.212*900= 0.485W/(m)=0.131+0.23*255= 0.190W/(m)普通硅酸铝

8、纤维的热导率由表查得，在给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由=650，得=0.128W/(m)当室温为20时，由表近似计算得=12.17W/(m2)1） 求热流=600.2W/m22） 验算交界面上的温度, =-=950-600.2*=807.7=*100%=4.9%,满足设计要求，不需重算。 =-=807.7-600.2*=432.6=*100%=3.8% ,满足设计要求，不需重算。3） 验算炉壳温度=-=432.6-600.2*=69.370满足要求4）计算炉墙散热损失=600.2*15.95=9573.2W同理可以求得=808.1，=434.2，=63，=598.3

9、W/m2 =807.1，=430.4，=67，=602.8W/m2炉顶通过炉衬散热=598.3*3.63=2171.8W炉底通过炉衬散热 =602.8*2.69=1621.5W整个炉体散热损失=9573.2+2171.8+1621.5=13366.5W =48119.4kJ/h（5）开启炉门的辐射损失设装出料所需时间为每小时6分钟，可得因为=950+273=1223K, =20+273=293K,故炉门开启面积 F=3.14*=1.89炉门开启率 由于炉门开启后，辐射口为圆形，且H与 R 之比为0.2/0.775=0.26，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.2/0.31=0.65，查表知=0.7

10、，故=3.6*5.675*1.89*0.7*0.1*=6027kJ/h（6）开启炉门溢气损失溢气热损失 其中， m3/h 冷空气密度 kg/m3, 由表得kJ/(m3), , 为溢气温度，近似认为=+=20+=640，=276.9*1.29*1.342*（640-20）*0.1=29715.9kJ/h（7）其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%-20%，故=10%*(+)=0.1*（95117+0+48119.4+6027+29715.9）=17897.9kJ/h（8）热量总支出=+=95117+0+48119.4+6027+29715.9+17897.9=196877.2kJ/h（9

11、）炉子的安装总功率其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则=76,.5kW与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。六、 电阻炉热效率计算1. 正常工作时的效率=*100%=48.3%2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率*100%=59%七、 炉子空载功率计算=18.3kW八、 空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因升温时炉底底板也随炉升温，也要计算在内。1. 炉墙及炉顶蓄热=2*1.509*(34*0.067+0.135)*0.115=0.837m3=2*1.509*(34

12、*0.067+0.135)*0.115=0.837m3=0.97*(1.509+0.276)*0.115=0.199 m3=2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080=0.627 m3=2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080=0.627m3=1.071*(1.509+0.276)*0.0.080=0.153m3=2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115=0.901 m3=2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115=0.901m3=2.360*1.490*

13、0.115=0.404m3所以因为 =878.8查表得 1.07kJ/(kg)查表得0.98kJ/(kg)查表得0.90kJ/(kg)所以得 + + =（0.837+0.199）*0.8*1.07*（878.7-20）+（0.627+0.153）*0.25*0.98*（620.2-20）+（0.901+0.404）*0.55*0.90*（251-20）=761508.9+114698.2+149220.2=1025427.3kJ2. 炉底蓄热计算 =0.143m3 =1.601*1.079*0.05=0.086m3=1.601*1.079*0.182=0.314m3 =808.1，=434.2

14、，=63，=598.3W/m2 =807.1，=430.4，=67，=602.8W/m2 =878.6查表得 1.07kJ/(kg)查表得0.98kJ/(kg)查表得0.90kJ/(kg)所以得=0.143*1.0*1.07*(878.6-20)+0.176*0.25*0.98*(618.8-20)+0.633*0.5*0.90*(248.7-20)=222339.9 kJ3. 炉底板蓄热查表得950和20时钢板的比热容分别为=0.679和=0.473。经计算炉底板重量G=242kg，所以有=G()=242*(0.670*950-0.473*20)=151743.6kJ所以=1025427.3

15、+222339.9 +151743.6=1399510.8kJ得升温时间为=5.18h对于一般周期作业炉，其升温时间在28小时内均可，故本炉子设计符合要求。九、 功率的分配与接线75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成接线。供电电压为车间动力网380V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1525kW/m2之间。=2*1.714*0.64+1.714*0.869=3.74m2=20.05kW/m2表面负荷在常用的范围之内，故符合设计要求。十、 电热元件材料选择及计算由最高使用温度950，选用线状合金作电热元件，接线方式采用380V单相接法。1. 求950时电热

16、元件的电阻率当炉温为950时，电热元件温度取1100，查表得0Cr27Al7Mo2在20时电阻率 ，电阻温度系数 ，则1200下的电热元件电阻率为1.40*(1+4*1100)=1.462. 确定电热元件表面功率查表知，=1.7W/cm23. 每组电热元件功率由于采用三相接法，每组元件功率=10kW4. 每组电热元件端电压由于采用三相接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压5. 电热元件直径线状电热元件直径为=4.2mm取6. 每组电热元件长度和质量每组电热元件长度为=0.785*=45.9m每组电热元件质量为式中，所以得=4.52kg7. 电热元件的总长度和总重量

17、电热元件的总长度为=3*45.9=137.7m电热元件总重量为=3*4.52=13.56kg8. 校核电热元件表面负荷W/cm2，结果满足设计要求。9. 电热元件在炉膛内的布置将3组电热元件分为12折，布置在炉墙及炉底上，则有=11.5m布置电热元件的炉壁长度mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度低于1000，查表知，螺旋直径D= (46)d，取D=5d=5*5=25mm螺旋体圈数N和螺距h分别为=146圈=15.4mm=3.08按规定，h/d在24范围内，满足设计要求。根据计算，选用YY方式接线，采用所用电热元件重量最小，成本最低。电热元件节距h在安装时适当调整，路口部分增大功率。10、电热

18、元件引出棒及其套管的设计与选择（1）、引出棒的设计引出棒用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti，=12mm，L=500mm，丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。（2）、保护套管的选择根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，选用SND724016号套管，高铝矾土，重量0.5Kg，d引=16mm，D引=36mm，长度300mm。（五）、热电偶及其保护套管的设计与选择（1）、热电偶的选择 由于炉内最高的温度为950.长期使用的温度在1000一些，所以选用镍铬-镍硅热电偶。由于炉膛不分区，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24

19、mm，插入长度为500mm。保护材料为双层瓷管。（2）、热电偶保护套管的选择这些条件，应该选用SND724020,高矾土，重量0.4Kg。d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。十一、炉子技术指标额定功率：75kw 额定电压：380V最高使用温度：950 生产率：160kg/h相数：3 接线方法：Y工作室有效尺寸：1550*2300 出厂日期：十二、绘制炉型图炉子总图，主要零件图的等（见附图）参考文献：1、 阎承沛 真空热处理工艺与设备设计 机械工业出版社2、 杨君刚 材料加热炉基础 西北工业大学出版社3、 曾祥模 热处理炉 西北工业大学出版社