热处理课程设计---950℃中温井式电阻炉的设计.doc

西安建筑科技大学课程设计（论文）摘 要本次课程设计热处理设备课程设计是热处理设备实践教学环节的重要组成部分，其目的是通过课程设计加深对本课程基础知识的理解，提高综合运用知识的能力；掌握本课程的主要内容、工程设计或撰写论文的步骤和方法；提高制图能力，学会应用有关设计资料进行设计计算和理论分析的方法，以提高独立分析问题、解决问题的能力。本设计是950中温井式电阻炉的设计，实际生产率为90kg/h。首先选择15CrMo阀座的热处理工艺，选择其中的正火和低温回火，分析其工艺特点，画出工艺曲线，然后通过合理的选择炉体材料和估算炉衬厚度，校核炉衬厚度以及表面温度来确定炉体结构，应用热平衡计算法确定炉子的加热功率，分析蓄热散热，估算空炉升温时间等，最后根据炉子的技术参数合理的选择电热元件，并分析其接线方式和布置方法，完成整个炉子的设计。关键词：中温井式电阻炉，热处理，热流密度，散热损失目 录1. 15CrMo阀座的热处理工艺设计032.炉型的选择043.确定炉体结构和尺寸044.炉衬材料的确定和厚度估算055.炉衬厚度的校核066.砌体平均表面积计算087.计算炉子功率098.炉子热效率计算139.炉子空载功率计算1310.空炉升温时间计算1311.功率的分配与接线1612.电热元件材料选择及计算1613.炉子技术指标1914.编制使用说明书1915.参考文献1916.致谢201 15CrMo阀座的热处理工艺设计 多品种，小批量，工件最长2.1m，周期式长时间生产。热处理最高工作温度为950。炉外壁温度小于60。1.1 15CrMo阀座加工制造工艺流程 正火机械加工渗碳淬火回火检验成品15CrMo正火92010 0.5h 空冷渗碳 93010 68h 空冷淬火 84010 1h 油冷回火18010 1.5h 空冷1.2 正火和回火的热处理参数加热温度加热方法加热介质保温时间冷却方法冷却介质最终组织正火920中温井炉空气0.5h出炉空冷空气细P+F回火180中温井炉空气1.5h出炉空冷空气M+碳化物1.3 热处理工艺曲线温度/油淬930106h8401092010空冷30min30min180101.5h空冷淬火渗碳正火时间/t回火1.4 常见热处理缺陷1 过烧：由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。2 裂纹 淬火温度过高，回火不足可造成工件残余应力大，即使在合理的磨削条件下也可能产生磨削裂纹。3 变形（翘曲）：各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力，在磨削之间插入人工时效。另外，应特别强调磨削过程中应经常翻面，注意使零件正反两面的磨削量基本一致，使两面引入的磨削应力尽量达到平衡2 炉型的选择根据设计任务要求，所以选择950的中温井式电阻炉合适。3 确定炉体材料和结构3.1 炉底面积的确定 因为没有定型的产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。已知生产率g=90kg/h查热处理设备表310中单位面积生产率80120kg/h，取go为100kg/h。所以炉底有效面积F1= g/go=90/100=0.9由于炉底有效面积与炉底实际面积存在关系式F1 / F=0.750.85井式电阻炉取上限0.85所以有F= F1 / 0.85=0.9/0.85=1.0593.2 炉底直径的确定 由公式3.3膛高度的确定由于加热工件最长2.1m，而且一般工件距离炉顶和炉底在150mm250mm。则炉膛深度H=2100+250+250=2600mm3.4 炉衬材料的确定和厚度的估算炉衬由耐火层和保温层组成，对于950的井式电阻炉，用一层轻质粘土砖作为耐火层，硅藻土砖及蛭石粉作为保温层，在炉膛底部应铺粘土砖，如下：炉墙采用一层QN1.0轻质粘土扇形砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+B级硅藻土砖；炉底采用二层QN1.0轻质粘土砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+蛭石粉和B级硅藻土复合炉衬。炉盖采用一层QN1.0轻质粘土砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+蛭石粉3.4.1 炉墙厚度的估算3.4.2 炉底厚度的估算3.4.3炉盖厚度的估算3.5 炉衬厚度的校核3.5.1炉墙厚度的校核3.5.2 炉顶盖厚度的校核3.5.3 炉底厚度的校核4 砌体平均表面积的计算4.1 炉顶平均面积的计算4.2 炉墙平均面积的计算4.3 炉底平均面积的计算5 电阻炉功率的计算一般炉子的能量消耗项包括加热工件吸收的能量Q件（有效热）、通过炉壁的散热损失Q散（空载时主要能量消耗项，无效热损失）、砌体畜热量Q畜（周期作业炉主要能量消耗项，无效热损失）、炉内气体外溢和对外辐射热损失Q溢和Q辐（与炉子温度和操作状态有关，对高温炉应特别注意该两项能量损失，对敞开炉盖的炉子，此项热损失有时成为能量消耗的重要项目）、可控气体的热损失Q控（决定于气体消耗量，采用密封式自动装卸料的炉子，其气体消耗量和热能损失可大为降低）、炉内金属构件直接伸出炉外的短路损失Q短（在机械化作业炉子上较为严重，对于一般炉子应尽量避免）、料盘和夹具等反复加热和冷却带来的辅助构件热损失Q辅（有时也占较大比例，在可能的情况下应尽可能减少辅助构件或不使辅助构件反复拉出炉外）、供电设备和导线引起的电能消耗Q供（对直接从电网供电的炉子一般较小，仅占总损失的1，但对经变压器降压、低压大电流供电的炉子，此项电能消耗也很可观），此外，炉子能量消耗还有许多项目难于计算，设计时归入其它热损失Q它项目中。 根据热平衡计算炉子功率5.1 加热工件所需的热量Q热查表可知，工件在950和20时的比热容为Ct=0.636 kJ/(kg) Co=0.486 kJ/(kg)5.2 加热辅助构件所需热量辅助工件包括料框、炉底板、工具夹支撑架、料盘等，相对较小，忽略不计。5.3 加热控制气体所需的热量5.4 通过炉衬的散热量损失Q散 由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理。5.4.1 计算炉墙散热损失5.4.2 计算炉盖散热损失5.4.3 计算炉底散热损失5.4.4 整个炉体的散热损失5.5 开启炉盖的辐射损失 设装出料时间为每小时6分钟，则其开启率t 根据公式 由于正常工作，炉盖开启时，炉口几乎全部打开则开启面积F 由于炉盖开启时，辐射口为圆形，且H与R之比为0.20/0.58=0.34,炉盖开启高度与炉墙厚度之比为0.20/0.34=0.65查热加工基础辐射曲线知=0.7所以有5.6 开启炉盖溢气热损失 溢出气体所带出的热量与气体的密度和比热容等有关，而且还与炉膛加热温度相关，根据井式电阻炉气体热损失经验公式可计算。由溢气热损失公式得5.7 其他热损失的计算其他热损失之和约为上述热损失之和的10%20%故有5.8 热量总支出的计算5.9 炉子安装功率的计算查热处理手册可知与标准的中温井式电阻炉比较，取炉子功率为65kw。6 炉子热效率的计算6.1 正常工作时的效率6.2 在保温阶段，关闭炉盖时的效率7 炉子空载功率的计算8 炉子空温时间计算 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。8.1 炉墙及炉顶蓄热计算=2 1.509（390.067 + 0.135）0.1150.954=2 1.509（390.067 + 0.135）0.1150.954=0.97(1.509+0.276)0.1150.199=2(1.509+0.115)(390.067+0.135)0.0800.714(1.509+0.115)(390.067+0.135)0.080=0.7141.071(1.509 +0.276)0.080.1532(1.059+0.115)(390.067+0.135)0.1151.0262(1.059+0.115)(390.067+0.135)0.1151.026=2.3601.4900.1150.404所以根据公式可知Q蓄V粘粘c粘（t粘 t0）+ V纤纤c纤（t纤 t0）+ V硅硅c硅（t硅 t0）又因为所以根据公式可得Q蓄1（ + + ）黏c黏（t黏 t0） + （ + + ）纤c纤（t纤 t0） + （ + + ）硅c硅（t硅 t0）所以8.2 炉底蓄热的计算(0.1150.065+0.1130.067)6+0.04220.1131.430 0.143m31.6011.0790.050.086m31.6011.0790.1820.314m3已知所以根据公式可得0.1431.0651031.08(867.1 20.0)+0.0860.251031.00(674.8 20.0)0.3140.5501030.920(309.420.0)经计算整理可知=199389.05kJ8.3 炉底板蓄热的计算查表得950和20时低合金钢的比热容分别为对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38小时均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应该在4小时以内。9 电热元件功率的分配与接线 65kW的功率平均分配在炉膛两侧和炉底，组成三相接法接线。供电电压为标准车间动力电网380V。 对于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15 35kW/m2之间，常用为20 25kW/m2之间。有10 电热元件材料的选择及规格的计算 由于炉膛最高使用温度为950，则选用0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用380V三相接法。10.1 950时电热元件的电阻率计算 当炉温为950时，电热元件温度取1100，查附表1可知在20时电热元件的电阻率 10.2 确定电热元件的表面功率 查附表可知,在950时10.3 每组电热元件功率 由于采用三相接线法，所以每组电热元件功率10.4 每组电热元件的端电压 已知车间动力网标准端电压为380V，由于采用三相接线法，故每组电热元件端电压为单相电压10.5 电热元件直径的选择 根据公式 为了保证工件能顺利加热的指定温度，取d=5.0mm。 10.6 每组电热元件长度和重量 每组电热元件的长度可根据公式 每组电热元件的重量可根据公式 查手册可知 所以10.7 电热元件的总长度和总质量 总长度为 总质量为 10.8 校核电热元件的表面负荷 根据公式可知10.9 电热元件在炉膛内的布置 根据设计要求，为了使加热更加均匀，将三组电热元件分别分为6折，布置在炉墙和炉底上则有 布置电热元件的炉壁长度 丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000时，查热处理设备可知螺旋直径D=（46）d取D=5d=25mm 螺旋圈数N和螺距h分别为 按热处理设备表317中要求h/D在24范围，则上述3.5刚好符合要求，设计合理。 根据上述计算，采用三相方式接线法，采用直径为5mm的电热元件重量较小，成本也较低。 电热元件节距h在安装时适当调整，炉口和炉底部分增大功率，以保证工件的受热均匀。11 炉子主要技术指标额定功率：65kW 额定电压：380V最高使用温度：950 生产率：90.00kg/h相数：3 接线方法：Y工作室有效尺寸：2600 12001200 出厂日期：2012.07.13 12 编制使用说明书（略）13参考文献1 热处理手册 第三分册，机械工业出版社，19892 吉泽升，热处理炉 ，哈尔滨工程大学出版社，19993 刘孝曾，热处理炉及车间设备 ，机械工业出版社，20014 热处理设备及设计 ，山东人民出版社，197914 致谢在