井式电阻炉课程设计教材

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

2、中温炉（上 限 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=Gs= gs160100=1.6（m2）由于存在关系式 F =0.780.85，取系数上限，得炉底实际面积： FaF= Fa = 1.6 =1.88（ m2）0.85 0.852、炉底直径的确定：由公式 F= R2= D D= 4F = 4

3、* 1.88 =1.55m4 3.143、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 150mm 250mm，则炉深 H=1800+250+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、（ 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

5、。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)=1550+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22 D 2F 顶内

6、 =6=2* 3.14=621.552 =2.51m21.552 =5.03 m224 D2 4* 3.14F 顶外 =66= 5.03- 2.51= 5.03ln2.512) 炉墙平均面积=3.63 m2F墙内=2 R内* H内=2*3.14*0.775*2.3=11.19 mF墙外=2 R外* H外=2*3.14*1.085*3.215=21.91 m21.91-11.1921.91 ln11.19=15.95m2(3) 炉底平均面积F 底内= R2内 =3.14*0.7752=1.89 m2F 底外 = R2 外 =3.14*1.0852=3.70 m2ln 3.703.70-1.891

7、.89=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 Q热查表可知，工件在 950及 20时比热容分别为 Ct =0.636 kJ /(kg C) ，Co =0.486 kJ /(kg C) ，所以Q热=Gs(Cttf -Coto )=160*(0.636*950- 0.486*20)=95117KJ/h2) 加热辅助构件(料筐、工具夹、支承架、炉底板、料盘等)所需的热

8、量 Q 辅Q辅=G辅(Cttf - Coto)=0 KJ/h3) 加热控制气体所需的热量 Q控Q控=G控C(tf -to)=0 KJ/h4) 通过炉衬的散热损失 Q 散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t1 tn 1 nSSii 1 i Fi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， t2墙 =850， 950 850t 3墙 =450， t 4墙 =60。则耐火层 s1 的平均温度 ts1均=900，硅酸2铝纤维层

9、 s2 的平均温度 ts2均 850 450 =650，硅藻土砖 s3 的平均温度22ts3均 450 60 =255，s1,s3 层炉衬的热导率由表得321=0.294+0.212*10 3 *900= 0.485W/(m )3 =0.131+0.23*10 3 *255= 0.190W/(m )普通硅酸铝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 ts2均 =650，得2 =0.128W/(m )当室温为 20时，由表近似计算得=12.17W/(m2 )1) 求热流q墙 =tf - tos1 s2 s31123950- 200.115 0.080 0

10、.115 10.485 0.128 0.190 12.172=600.2W/m22) 验算交界面上的温度 t2墙 , t3墙st2墙=tf -q墙 =950- 600.2*=807.71 0.485*100%=4.9%=t2墙 -t 2 墙 = 807.7 850t 2 墙8505% ,满足设计要求，不需重算t3墙=t2墙-q墙 s22 =807.7-600.2* 00.012880 =432.6t3 墙 - t 3墙 = 432.6 450*100%=3.8%t 3墙4505% ,满足设计要求，不需重算3) 验算炉壳温度 t4墙t4墙=t3墙-q墙s33 =432.6-600.2*30.11

11、50.190=69.370满足要求4) 计算炉墙散热损失Q墙散 =q 墙 F墙均 =600.2*15.95=9573.2W同理可以求得2 t2顶 =808.1， t 3顶=434.2， t4顶 =63， q顶=598.3W/m22 t 2底=807.1， t 3底=430.4， t4底=67，q底=602.8W/m2炉顶通过炉衬散热Q顶散 =q顶 F顶均 =598.3*3.63=2171.8W 炉底通过炉衬散热Q底散 =q底 F底均 =602.8*2.69=1621.5W 整个炉体散热损失Q散 Q墙散 Q顶散 Q底散=9573.2+2171.8+1621.5 =13366.5W =48119.

12、4kJ/h5）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3.6 5.675 F t因为Tg =950+273=1223K, Ta =20+273=293K,故炉门开启面积 F= * R=3.14*0.7752=1.89m2炉门开启率 t 6 0.160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Q辐 3.6 5.675 F t1223 4 293 4100 100门开启高度与炉墙厚度之比为 0.2/0.31=0.65，查表知 =0.7，故=3.6*5.675*1.89*0.7*0.1* =6027kJ/h6）开启炉门溢气损失溢气热损失Q

13、溢 qva aca (tg ta) t其中， qva 1997D * H* H 1997* 1.55* 0.2* 0.2 276.9 m3/h冷空气密度 a 1.29 kg/m3, 由表得 ca 1.342kJ/(m3 ), ta 20 , 2 2t g为溢气温度，近似认为 tg =ta + tg ta =20+ 950 20 =640，33Q溢 qva aca（tg ta） t=276.9*1.29*1.342* （640-20）*0.1 =29715.9kJ/h7）其它热损失 其它热损失约为上述热损失之和的 10%-20%，故Q它 =10%*（ Q热 +Q控 +Q散 +Q辐 +Q溢 ）=0

14、.1* （95117+0+48119.4+6027+29715.9） =17897.9kJ/h8）热量总支出Q总=Q热+Q控+Q散 +Q辐+Q溢+Q它 =95117+0+48119.4+6027+29715.9+17897.9 =196877.2kJ/h9）炉子的安装总功率P KQ 总P安安 3600其中 K 为功率储备系数，本炉设计中 K 取 1.4，则= 1.4 * 196877.23600=91.65kW与标准炉子相比较，取炉子功率为 90kW六、电阻炉热效率计算1. 正常工作时的效率196877.2*100%=48.3%2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率Q热Q总 Q 辐 Q 溢100%

15、=59%95117196877- 6027 29715.9七、炉子空载功率计算Q散Q它 =3600 =48119.4 17897.9 =18.3kW3600八、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V粘侧 =2*1.509*(34*0.067+0.135)*0.115=0.837mV粘前后 =2*1.509*(34*0.067+0.135)*0.115=0.837mV粘顶 =0.97*(1.509+0.276)*0.

16、115=0.199 m3V纤侧=2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080=0.627 mV纤前后 =2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080=0.627mV纤顶 =1.071*(1.509+0.276)*0.0.080=0.153m3V硅侧 =2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115=0.901 m 3前后 3V硅前后 =2*(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115=0.901m 3V硅侧 =2.360*1.490*0.115=0.404m3所以Q蓄V粘粘

17、 c粘t 粘t0V纤纤c纤t纤t0V硅硅c硅t硅t0因为 t 粘t 1 t2墙2=950 807.7=878.8查表得 C粘 0.84 0.26 * 10 3 * 878.8 1.07kJ/(kg )t 2墙t3 墙2807.7 432.62620.2查表得 C纤 0.81 0.28*10 3 * 620.2 0.98kJ/(kg )t4墙t硅t 3墙269.3 432.62251查表得C硅 0.84 0.25 * 10 3*251 0.90kJ/(kg ) 所以得Q蓄1 V粘 V粘V粘粘 c粘 t粘 t0+ V纤侧 V纤前后 V纤顶 纤 c纤 t纤 t0+ V硅侧 V硅前后 V硅顶 硅 c硅

18、 t硅 t0=(0.837+0.199)*0.8* 10 3 *1.07* (878.7-20)+(0.627+0.153)*0.25*103*0.98* (620.2-20)+( 0.901+0.404)*0.55* 10 *0.90* (251-20)=761508.9+114698.2+149220.2=1025427.3kJ2. 炉底蓄热计算V粘底= 0.115* 0.065 0.067* 0.113 *6 0.042* 2 * 0.113 * 1.43=0.143m3 V粘底 =1.601*1.079*0.05=0.086m3V粘底 =1.601*1.079*0.182=0.314m

19、32t 2顶=808.1， t3顶=434.2， t 4顶=63， q顶=598.3W/m22t 2底=807.1， t 3底=430.4， t4底=67，q底=602.8W/m2222查表得 C粘 0.84 0.26 * 10 3 * 878.6 1.07kJ/(kg )查表得C纤底 0.81 0.28 * 10 3 * 618.8 0.98kJ/(kg )2查表得 C硅 0.84 0.25* 10 3* 248.7 0.90kJ/(kg )所以得Q蓄底=0.143*1.0* 103 *1.07*(878.6-20)+0.176*0.25* 103 *0.98*(618.8-20) +0.6

20、33*0.5* 10 *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 C板2 =0.679 kJ /( kg C) 和C板1=0.473kJ /(kg C)。经计算炉底板重量 G=242kg，所以有板Q蓄板=G( C板2 t1 - C板1t 0 )=242*(0.670*950-0.473*20)=151743.6kJ所以 Q蓄 Q蓄1 Q蓄底 Q蓄板=1025427.3+222339.9 +151743.6=1399510.8kJ得升温时间为Q蓄升升 3600P安=1399510.8=5.18h3600* 75对于一般周期作

21、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90kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成 Y、 或YY 、 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。F电2F电侧2F电底 =2*1.714*0.64+1.714*0.869=3.74m 2P安2W 安 =20.05kW/m2F电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 0Cr 25 Al 5合金作电热元件，接线方式采 用 380V 单相接法。1. 求

22、 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，查表得 0Cr27Al7Mo2在 20时电阻率 20 1.40 mm2 / m ，电阻温度系数4 10 5 C 1，则 1200下的电热元件电阻率为t 20 1 t 1.40*(1+4* 10 5 *1100)=1.46 mm2 /m2. 确定电热元件表面功率查表知， W允 =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P组 =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U组380220V5. 电热元件直径线状电热元件直径

23、为t P组1.46 * 102d 34.3* 3 t 组2 34.3* 3 2 =4.2mmW允U组21.7* 2202取 d 5mm6. 每组电热元件长度和质量每组电热元件长度为L组 0.785* 10-3U组2d2P组 t=0.785*10-3 *222202 * 4.2210 * 1.46=45.9m每组电热元件质量为L组45.9 =11.5m10式中 M 7.1g / cm3 ，所以得2 3.14 2G组 4 d2L组 M = 3.4电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度为L总 3L组 =3*45.9=137.7m电热元件总重量为G总 3G组 =3*4.52=13.56kg 校核电热元件表面负荷W实P组101.39 W/cm 2实dL组 3.14* 0.05* 45.9W实 W允 ，结果满足设计要求。 电热元件在炉膛内的布置 * 4.22 *45.9* 7.1=4.52kg布置电热元件的炉壁长度L L 50 2300 50 2250 mm 丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度低于 1000，查