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1、目录1 设计任务12 炉型的选择13 确定炉体结构和尺寸13.1 炉底面积的确定13.2 炉底长度和宽度的确定23.3 炉膛高度的确定23.4 炉衬材料及厚度的确定34 砌体平均表面积计算34.1 砌体外廓尺寸34.2 炉底的平均面积44.3 炉墙平均面积44.4 炉底平均面积45 计算炉子功率45.1 根据经验公式计算炉子功率145.2 根据热平衡计算炉子功率55.2.1 加热工件所需的热量Q件55.2.2 通过炉衬的散热损失Q散55.1 炉墙结构示意图65.2.3 开启炉门的辐射热损失85.2.4 开启炉门溢气热损失95.2.5 其他热损失95.2.6 热量总支出95.2.7 炉子安装功率
2、95.2.8炉子热效率计算105.2.9 炉子空载功率计算106 空炉升温时间的计算106.1炉墙及炉顶蓄热106.2炉底蓄热计算116.3炉底板蓄热126.4升温时间127 电热元件的选用与功率计算137.1功率计算137.2电热元件材料选择及计算137.3 理论计算法137.3.1 求950时电热元件的电阻率t137.3.2 确定电热元件表面功率147.3.3 每组电热元件功率147.3.4 每组电热元件端电压147.3.5 电热元件直径147.3.6 每组电热元件长度和重量157.3.7 电热元件的总长度和总重量157.3.8 校核电热元件表面负荷157.3.9 电热元件在炉膛内的布置1
3、5热处理箱式电阻炉课程设计1 设计任务设计一台箱式电阻热处理炉。其技术条件：用途：处理对象为20CrMnMo齿轮轴热处理淬火处理； 生产率：180 kg/h； 工作温度：最高使用温度950C；特点：长时间连续生产；批量：每次5件2 炉型的选择根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。3 确定炉体结构和尺寸3.1 炉底面积的确定因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底底面积，用按加热能力指标法，已知生产率P为180kg/h，从表1查得单位面积生产率PO为120kg/（m2h），故可求得炉底有效面积 F1=P/P0=180/120=1.5m2表1 各种热处理炉的单位炉底面积
4、生产率PO kg/（m2*h）工艺类别炉型箱式台车式坑式罩式井式推杆式淬火正火一般锻件正火铸件正火合金钢淬火100-120110-12080-140 80-10090-140 120-150100-160100-12080- 20150-180 150-200 120-180 120-140由于有效面积与炉底面积存在关系式F1/F=0.750.85，取0.85，得炉实际面积: F=F1/0.85=1.67/0.85=1.76m23.2 炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便，取L/B=2：1，因此，可求得L=1.876m B=L/2=1.876/2=0.938m根据标准砖
5、尺寸,为便于砌砖,取L=1.856m,B=0.936m。3.3 炉膛高度的确定按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9之间,根据炉子工作条件,取H/B=0.7左右,根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.707m。因此，确定炉膛尺寸如下：长 L=（230+2）8=1856mm宽 B=（120+2）4+（65+2）2+（40+2）2+（114+2）2=936mm高 H=（65+2）10+37=707mm为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工件室的有效尺寸为：L效=1600mm；B效=700mm；H效=500mm。3.4 炉衬材料及厚度的确定
6、 由于侧墙，前墙及后墙的工件条件相似，采用相同炉衬结构，即230mm（QN-0.8轻质粘土砖）+114mm（B级硅藻土砖）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 炉顶采用114mm（QN-1.0轻质粘土砖）+116mm（膨胀珍珠岩）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 炉底采用4层轻质粘土砖（674）mm+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +183mm（A级硅藻土砖+B级硅藻土砖复合炉衬）。 炉门用67mm（QN-1.0轻质粘土砖）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +65mm（A级硅藻土砖）。 炉底搁砖采用粘土砖，电热元件搁砖选用重质
7、高铝砖。炉底板料选用Cr-Cu-N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分四块，厚度20mm。4 砌体平均表面积计算4.1 砌体外廓尺寸L外=L+2（116+80+116）=2480mm；B外=B+2（116+80+116）=1560mm；H外=H+f+（116+80+116）+674+50+183=707+135+307+268+50+183=1645mm。式中：f-拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径R=B，则 f=R（1-cos30）求得f936(1-cos30)=125。再在炉外廓外面加一层厚为5mm的钢板来保护炉子，但其尺寸不包括在计算数据之内。4.2 炉底的平均面积F顶内=（2R/
8、6）L=(23.140.936)/6 1.856=1.818；F顶外=B外L外=1.562.48=3.8688；F顶均=2.652。4.3 炉墙平均面积炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前端墙内。F墙内=2HL+2BH=2H（L+B）=20.707(1.856+0.936)=3.948m2；F墙外=2H外（L外+B外）=21.644（2.48+1.56)=13.284m2 F墙均= = =7.242m2。4.4 炉底平均面积F底内=BL=0.9361.856=1.737F底外=B外L外=1.562.48=3.869；F底均=2.592。5 计算炉子功率5.1 根据经验公式计算
9、炉子功率1 P安=C0.5升F0.9(t/1000)1.55其中C=30，空炉升温时间假定为为4小时，炉温为950度。C系数，热损失大的炉子，C=30-35；热损失小的炉子，C=20-25。单位为(kwh0.5)/(m1.81.55)这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉。炉膛内壁面积=2（LH）（BH）+LB+2B60/360L=7.503所以 P安=C0.5升F0.9(t/1000)1.55 =156.13350.9236=84.97KW由经验公式计算法的P安85kw5.2 根据热平衡计算炉子功率5.2.1 加热工件所需的热量Q件查表5.1得，工件在950及20时比热容分别为C件2=0.636
10、KJ/（kg），C件1=0.486KJ/（kg）。表5.1低合金钢的平均比热容化学成分重量分数（%）在不同温度下的平均比热容(kjkg-1-1)CMnNiCr501002503005506006507007508008509000.231.510.4770.5440.7410.8370.8210.5360.340.693.530.780.4860.5570.7701.0510.6360.6360.320.690.4940.5520.7410.8370.9340.574Q件=P（C件2t1-C件1t2）=180（0.636950-0.48620）=107006.4KJ/h5.2.2 通过炉衬的散
11、热损失Q散由于炉子侧壁和前后炉衬结构相似，故作统一数据处理，简化计算，将炉门包括在前墙内，Q散=（t1-tn+1）/（si/iFi）3对于炉墙散热,如图,首先假定界面上的温度及炉壳温度, t2墙=825,t3墙=560,而知t4墙=60,则：5.1 炉墙结构示意图耐火层s1的平均温度ts1均=(950+825)/2=887.5；硅藻土砖层s2的平均温度ts2均=（820+560）/2=692.5；硅酸铝纤维层s3的平均温度ts3均=（560+60）/2=310。s1，s2层炉衬的热导率由 表5.2查得表5.2 热处理炉常用耐火材料和保温材料材 料和牌 号耐火度荷 重软 化耐 压强 度kgcm-
12、2密密度gcm-3热导率(Wm-1-1)最 高使 用温 度轻 质粘土砖QN116701650301.00.29+(0.256/1000）t1300硅藻砖B级5.50.131+0.23/1000）t900膨胀珍珠岩0.310.04+(0.22/1000)t10001=0.29+（0.256/1000）ts1均=0.29+（0.256/1000）*887.5=0.482 W/m；2=0.131+（0.23/1000）ts3均=0.131+（0.23/1000）692.5=0.290W/m；普通硅酸铝纤维的热导率由表5.3查得，在与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ts2均=
13、310，得3=0.084 W/m。表5.3 普通硅酸铝纤维的热导率（W/m）密 度温 度10040070010001000.0580.1160.210,3372500.0640.0930.140.2093500.0700.0810.1210.122当炉壳温度为60，室温为20时，由表5.4经近似计算达=12.17W/（.）。表5.4 炉墙外表面对车间的综合传热系数表W/(m2)（车间温度20）炉墙外表面温度（）侧墙综合传热系数表W/(m2)钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面4010.598.276012.179.59 求热流： q墙=（tg-ta）/（s1/1+s2/2+s3/3+1/）=（9
14、50-20）/（0.116/0.482+0.116/0.29+0.080/0.084+1/12.17）=556W/。 验算交界面上的温度t2墙，t3墙：t2墙=t1-q墙s1/1=950-5560.2407=816.2。=（t2墙-t2墙）/t2墙=（816.2-825）/825=1.1% 5%。满足设计要求。t3墙= t2墙- q墙s2/2=816.2-(0.116/0.290) 556=583.8=（t3墙-t3墙）/t3墙=（583.8-560）/560=4.2% 5%也满足设计要求。 验算炉壳温度t4墙t4墙= t3墙- q墙s3/3=583.8-(0.080/0.084) 556=5
15、4.370满足一般热处理电阻炉表面温升70的要求。4 计算炉墙散热损失Q墙散 =q墙*F墙均=5567.242=4026.5W.同理可求得：t2顶=817.5,t3顶=568,t4顶=53.5,q顶=548.3W/；t2底=695,t3底=566,t4底=50.8,q顶=440W/炉顶通过炉衬散热 Q 顶散=q顶F顶均 =548.32.652=1454.1W；炉底通过炉衬散热 Q 底散=q底F底均=4402.592=1140.48W；整个炉体散热损失 Q散= Q墙散 +Q顶散 + Q 底散=4026.5+1454.1+1140.48=6621.08W=23835.9KJ/h 5.2.3 开启炉
16、门的辐射热损失设装出料所需时间为每小时6分钟，根据Q辐=3.65.675Ft（Tg/100）4-（Ta/100）4 因为Tg=950+273=1223K，Ta=20+273=293K。由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故：炉门开启面积：F=BH/2=0.331；炉门开启率：t=6/60=0.1。由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.354/0.936=0.38，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.354/2/0.312=1.13，由图5.2第一条线查得=0.7，图5.2 孔口的遮蔽系数Q辅=5.6753.6Ft（Tg/100）4-（Ta/1004=5.6753.60.33
17、10.10.7（1223/100）4-（293/100）4=10556KJ/h。 5.2.4 开启炉门溢气热损失溢气热损失： Q溢qvaaca(tg-ta)t1其中：qva=1997BH/2H1/2/2=19970.9360.3540.3541/2=393.7m3/h，冷空气密度a=1.29kg/ m3，查表5.5得：Ca=1.342KJ/ （m3）1表5.5 空气和某些气体平均比热容KJ/(m3)温度（）0100200300400500600700800氧气1.30951.31261.33521.35611.37751.39801.41681.43451.4499氮气1.29871.3004
18、1.30381.31091.32051.33221.34521.35861.3717干空气1.30091.30511.30971.31811.33021.34401.35831.37251.3821ta=20；tg:为溢出温度，近似为tg=ta+2/3（tg-ta）=20+2/3（950-20）=640Q溢=qvaaCa（tg-ta）t=393.71.291.3426200.1=42257.1KJ/h 5.2.5 其他热损失其他热损失约上诉损失之和的10%20%，故取12%，Q它=0.14（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=0.14（107006.4+23835.9+10556+42257.1）=25
19、711.8KJ/h。5.2.6 热量总支出其中Q辅=0，Q控=0，则：Q总= Q件+Q散+Q辐+Q溢+Q辅+ Q控+ Q它=107006.4+23835.9+10556+42257.1+25711.8=209367.2KJ/h5.2.7 炉子安装功率P安=KQ总/3600，其中功率储备系数取1.4。P安=KQ总/3600=(1.4209367.2)/3600=81.4KW与标准炉子相比较，取炉子功率为85KW。5.2.8炉子热效率计算 正常工作时的效率：=Q件/Q总=107006.4/209367.2=51.1% 在保温阶段，关闭炉门时的效率：=Q件/Q总-（Q辐+Q溢） =107006.4/
20、209367.2-（10556+42257.1）=68.4%5.2.9 炉子空载功率计算P空=（Q散+Q它）/3600=（23835.9+25711.8）/3600=13.8KW6 空炉升温时间的计算由于所设计的耐火层结构相似，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，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。6.1炉墙及炉顶蓄热根据公式得因为查表得KJ/(kg) 查表得KJ/(kg) 查表得 KJ/(kg)炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得6.2炉底蓄热计算炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质黏土砖，炉底
21、的复合炉衬按硅藻土砖计算。由于近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。查表得KJ/(kg) KJ/(kg)查表得 KJ/(kg)查表得 KJ/(kg)所以得6.3炉底板蓄热查表得950和20时高合金钢的比热容分别为 KJ/(kg)和 KJ/(kg)，经计算炉底板质量G=250kg,所以有，KJKJ6.4升温时间根据公式得空炉升温时间为对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38h，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在5h以内。7 电热元件的选用与功率计算7.1功率计算85KW功率均匀分布在炉膛两侧几炉底，组成YY连线。供电电压为车间动力电网380
22、V。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1535KW/之间，常用2025KW/之间。F电=2F电侧+ F电底=21.8560.640+1.856869=3.99；W=P安/ F电=85/3.99=21.30KW/，表面负荷在常用的范围2025KW/之内，故符合设计要求。7.2电热元件材料选择及计算由最高使用温度950，选用线状0Cr25Al5合金元件接线方式采用YY。7.3 理论计算法7.3.1 求950时电热元件的电阻率t当炉温为950时，电热元件温度取1100，由表7.3.1查得0Cr25Al5在20的电阻率20=1.40.mm2/m。电阻温度系数=410-
23、5-1表7.3.1 常用金属电热材料性能项目密度gcm-3电阻率mm2/m工作温度正常最高Cr15Ni608.21.101000105011500Cr25A157.11.40105012001300则1100下的电热元件电阻率为：t=20（1+t）=1.40(1+410-51100)=1.46.mm2/m7.3.2 确定电热元件表面功率由图7.3.2，根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6W/cm2图7.3.2 合金电热元件允许表面负荷7.3.3 每组电热元件功率由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率：组P=85/n=85/(32)=14.2kw7.3.4 每组电热元件端电压由于采
24、用YY接法，车间动力电网端电压为380，故组电热元件端电压即为每组电压：U组=380/=220V。7.3.5 电热元件直径线状电热元件直径：d=34.3P组2t/（U组2W充）1/3 =34.314.221.46/（22021.6）1/3 =5.41mm，故取d=5.5mm。7.3.6 每组电热元件长度和重量每组电热元件长度： L组=0.78510-3U2组d2/ P组t =(0.78510-3220262)/14.21.46=55.4m每组电热元件重量：G组=/4 d2L组m其中：m=7.1g/c。所以得 ：G组=/4 d2L组m=/4 5.5255.4 7.110-5=9.34kg。7.3
25、.7 电热元件的总长度和总重量电热元件总长度：L总=6L组=655.4=332.4m；电热元件总重量：G总=6G组=69.34=56.04kg。7.3.8 校核电热元件表面负荷W实= P组/dL组=14.2103/(3.140.555907)=1.58W/c。W实W允，结果满足设计要求。7.3.9 电热元件在炉膛内的布置将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有：L折=L组/4= 55.4/4=13.85m；布置电热元件的炉壁长度：L=L-50=1856-50=1806mm。丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000，由表十三可知，螺旋节径D=（46）d，取D=6d=66=36mm。螺旋体圈数N和螺距h分别为：N=L折/D= 13.851000/(303.14)=138圈；h=L/N=1806/138=13.1mm，h/d=13.1/5.5=2.38。规定,在24范围内满足设计要求。根据计算，选用YY方式接线,采用d=5mm用电热元件重量最小,成本最低,电热元件节距h在安装的适当调整,炉口部分增大功率.电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti,=12mm,L=500mm
