电阻炉设计举例

1、2021-6-22 1 热处理设备热处理设备 主讲主讲教师：李强教师：李强 辽宁工业大学辽宁工业大学 材料学院材料学院 重重 点：点： 设计方法与步骤设计方法与步骤 教学要求教学要求：了解箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。了解箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。 为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为： (1)(1)用途：用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正 火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处 理批量为多品种，小批量；理批量为多品种，小批量； (

2、2)(2)生产率生产率：160kg/h； (3)(3)工作温度工作温度：最高使用温度最高使用温度950； (4)(4)生产特点生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。周期式成批装料，长时间连续生产。 1 1炉底面积的确定炉底面积的确定 因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，因无定型产品，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。已知生产率只能用加热能力指标法。已知生产率p为为160kg/h，按表，按表 51选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为为 120kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积，故可求得炉底有效面积 根据

3、设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电 阻加热炉，不通保护气氛。阻加热炉，不通保护气氛。 2 0 1 33.1 120 160 m P P F 有效面积与炉底总面积存在关系式有效面积与炉底总面积存在关系式F1/F=0.750.85， 取系数上限，得炉底实际面积取系数上限，得炉底实际面积 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L =1.741m， B=0 .869m。 21 57. 1 85. 0 33. 1 85. 0 m F F 由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取

4、 L/B=2：1，而，而F=LB=0.5L2，因此，可求得，因此，可求得 mLB mFL 886. 02/772. 12/ 772. 15 . 0/57. 15 . 0/ 见图示 2 2炉底长度和宽度的确定炉底长度和宽度的确定 3 3炉膛高度的确定炉膛高度的确定 按统计资料，炉膛高度按统计资料，炉膛高度H与宽度与宽度B之比之比H/B通常在通常在 0.50.9之间，根据炉子工作条件，取之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据左右，根据 标准砖尺寸，选定炉膛高度标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.640m。 因此，确定炉膛尺寸如下：因此，确定炉膛尺寸如下： mmH mmB mmL 64037

5、9265 86922113224026542120 17412 2 1 23072230 ）（高 ）（）（）（）（宽 ）（）（长 炉底支撑砖厚度炉底支撑砖厚度 拱角砖矮边拱角砖矮边 高度高度 炉底搁砖宽度炉底搁砖宽度 砖砖 缝缝 长度长度 砖长砖长 为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工 件与炉膛内壁之间有一定的件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为：空间，确定工作室有效尺寸为： L效 效=1500mm ； ； B效 效=700 mm； ； H效 效=500mm 4 4炉衬材料及厚度的确定炉衬材料及厚度的确定 由于侧墙、前墙及后

6、墙的工作条件相似，采用相同由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同 炉衬结构，即炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖+50mm密度为密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡的普通硅酸铝纤维毡+ 113mrnB级硅藻土砖。级硅藻土砖。 炉顶炉顶 采用采用113mmQN 1. 0轻质粘土砖十轻质粘土砖十80mm密度为密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩。 炉底炉底 采用三层采用三层QN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖(67 3)mm + 50mm密度为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十的普通硅酸铝纤维毡十182mm

7、B级级 硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门炉门 用用65mmQN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖+80mm密度为密度为 250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。级硅藻土砖。 炉底炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质 高铝砖。高铝砖。（注（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）是砖缝的宽度。） 炉底板材料选用炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸耐热钢，根据炉底实际尺寸 给出，分三块或四块，厚给出，分三块或四块，厚20mm。 砌体外廓尺寸如图砌体外廓尺寸如图515所示所示 （教材

8、图（教材图5-9）。）。 L外 外=L+2 (115+50+115) = 2300mm B外 外=B+2 (115+50+115)=1430mm H外 外=H+f+(115+80+115)+67 4+50+182 炉炉 顶顶 厚厚 4 块粘土砖高块粘土砖高 炉炉 底保温层厚底保温层厚 =640+116+310+268+50+182 =1566 mm 式中：式中：f 拱顶高度，此炉子采用拱顶高度，此炉子采用600标准拱顶，取拱弧标准拱顶，取拱弧 半径半径R=B，则，则f可由可由f =R(1- co300 )求得。求得。 炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在炉墙面积包括侧墙及前后墙，为

9、简化计算将炉门包括在 前墙内。前墙内。 F墙内 墙内=2LH十 十2BH= 2H(L十十B) =20.640(1.741+0.869) =3 .341m2 F墙外 墙外=2H外外(L外外+B外外)=2 1.566 (2.300+1.430) =11 .68m2 1.炉顶平均面积炉顶平均面积 2 2 2 29. 2318. 3585. 1 318. 3300. 2430. 1 585. 1741. 1 6 869. 014. 32 6 2 mFFF mLBF mL R F 顶外 内 顶顶均 外外顶外 顶内 2炉墙平均面积炉墙平均面积 五、计算炉子功率五、计算炉子功率 1 1根据经验公式法计算炉子

10、功率根据经验公式法计算炉子功率 由式由式(514) 2 2 2 23. 236. 351. 1 36. 3300. 2430. 1 51. 1741. 1869. 0 mFFF mLBF mLBF 底外底内底均 外外底外 底内 55.19.0 5.0 ) 1000 ( t FCP 升安 炉底平均面积 墙外墙内墙均 .3 )(25.668.11341.3 2 mFFF 取式中系数取式中系数C=30(kW Wh0.5)/(m1.8 8C1.55)，空炉升温时间，空炉升温时间 假定为假定为升 升= 4h，炉温 ，炉温t =950，炉膛内壁面积，炉膛内壁面积F壁 壁 由经验公式法计算得由经验公式法计算

11、得P安 安75 (kW) kW t FCP m F 1 .74 ) 1000 950 (44. 6430 ) 1000 ( 44. 6 741. 1 360 60 869. 014. 32 869. 0741. 1)64. 0869. 0(2)640. 0741. 12 55. 19 . 05 . 0 55. 19 . 0 5 . 0 2 0 0 升安 壁 所以 （ (1)(1)加热工件所需的热量加热工件所需的热量Q Q件 件 由附表由附表6得，工件在得，工件在950及及20时比热容分别为时比热容分别为 C件 件2 = 0. 63kJ/(kg ) ， C件 件1=0.486kJ/(kg )，

12、根据式根据式(51) Q件 件= P(C件件2 t1C件件1to) =160 (0.63950-0.486 20) =95117 kJ/h （ p每小时装炉量）每小时装炉量） (2)通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失Q散散 由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据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处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内。 2根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率 ）（）（）（ 件 15/ 1122 hkJtctcPQ 根据式根据式(115） n i i i n F s tt 1 11 散 对于炉墙散热，如图对于炉墙散

13、热，如图516所所 示，首先假定界面上的温度及炉示，首先假定界面上的温度及炉 壳温度，壳温度， t2 墙 墙 = 780 0 ， t 3 墙 墙 = 485 ， t t4 墙 墙=60 则则 耐火层耐火层S1的平均温度的平均温度 ts1均 均=（ （950+780）/2=865， 硅酸铝纤维层硅酸铝纤维层S2的平均温度的平均温度 ts2均 均=（ （780+485）/2=632.5, 硅藻土砖层硅藻土砖层S3的平均温度的平均温度 ts3均 均=（ （485+60）/2=272.5， S1、S3层炉衬的热导率由附表层炉衬的热导率由附表3得得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均 均 =

14、0.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3均 均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(m)。 普通硅酸铝纤维的热导率由附表普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温查得，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，度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系， 由由tS2均 均= 632.5 ，得，得 2=0 .129W/ ( m) 当炉壳温度为当炉壳温度为60，室温为，室温为20时，由附表时，由附表2经近似经近似 计算得计算得=12. 17W /(m2 2) （综合传热系数）（综

15、合传热系数） 求热流求热流 2 3 3 2 2 1 1 /4.730 17.12 1 194.0 115.0 129.0 05.0 511.0 115.0 20950 1 mW a sss ttg q a 墙 不需重算。 不需重算。满足设计要求 墙 墙墙 墙墙墙 墙 墙墙 墙墙 %,5%64. 2%100 485 4858 .497 8 .497 129. 0 05. 0 4 .7306 .788 ,%,5 %1 . 1%100 780 7806 .788 6 .788 511. 0 115. 0 4 .730950 3 33 2 2 23 2 22 1 1 12 t tt S qtt t t

16、t S qtt 验算交界面上的温度验算交界面上的温度t t2 2墙 墙、 、t t3 3墙 墙 满足一般热处理电阻炉表面温升满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。室温的要求。室温20 验算炉壳温度验算炉壳温度t t4 4墙墙 S qtt709 .64 194. 0 115. 0 4 .7308 .497 3 3 34 墙墙墙 计算炉墙散热损失计算炉墙散热损失 Q墙散 墙散=q墙墙F墙均墙均=730 .4 6.25=4562.5W 同理可以求得同理可以求得 t2顶 顶=844 .39 ； t3顶 顶=562 .6 ； ； t4顶 顶=53 ； q 顶 顶= 485 .4 W/m2 t2底底=7

17、82 .2，t3底底568 .54，t4底底=53.7， q底 底=572 . 2 W/m2 炉顶通过炉衬散热炉顶通过炉衬散热 Q顶散 顶散=q顶顶F顶均顶均=485.4 2.29=1111.6 W 炉底通过护衬散热炉底通过护衬散热 Q底散 底散=q底底.F底均底均=572.2 2.23=1276 W 整个炉体散热损失整个炉体散热损失 Q散散=Q墙散墙散+Q顶散十顶散十Q底散底散 =4562 .5+1111 .6+1276 =6950 .1w （因为（因为1W=3.6kJ/h） 所以所以 Q散 散 =3.6 6950.1=25020 .4kJ/h 60 6 =0.1 炉门开启率炉门开启率 t

18、= (3)(3)开启炉门的辐射热损失开启炉门的辐射热损失 设装出料所需时间为每小时设装出料所需时间为每小时6分钟，根据式分钟，根据式(56) 100100 675. 56 . 3 44 ）（）（ 辐 TaTg F t 式中：式中：C黑体辐射系数；黑体辐射系数； F炉门开启面积或缝隙面积（炉门开启面积或缝隙面积（m）；）； 3.6系数；系数；炉口遮蔽系数；炉口遮蔽系数； t炉门开启率炉门开启率(即平均即平均1小时内开启的时间小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁，对常开炉门或炉壁 缝隙而言缝隙而言t=1。 2 640. 0 2 H 因为因为Tg=950+273=1223K，T=20+273=293

19、K， 由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 炉门开启面积炉门开启面积 F=B =0.869 =0.278m2 由于炉门开启后，辐射口为矩形，且由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与与B 之比为之比为 0.32/0.869= 0.37，（可看出此为一拉长，（可看出此为一拉长 的矩形），的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为炉门开启高度与炉墙厚度之比为 H/S=0.32/0.28=1.14，由图由图114第第1条线查得条线查得 =0.7，故，故 hkJ TTg FQ /75.8877 ) 100 293 () 100 1223 (7 .

20、 01 . 0278. 06 . 3675. 5 100100 675. 56 . 3 44 44 ）（）（ 辐 0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m) 图图1-14 tttt tt mkJCamkg agag ga a 640)20950( 3 2 20)( 3 2 ,20 )/(342. 110/29. 1 33 近似认为：为溢气温度， 得，由附表冷空气密度 hm HH BqVa/1 .31432. 032. 0869. 01997 22 1997 3 (4)(4)开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式溢气热损失由式(57 Q吸

21、 吸 )得 得 Q溢 溢 =qVC(t tg t)t 其中，其中，qV由式（由式（58 qva=1997BH ）得）得 H 其它热损失约为上述热损失之和的其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故，故 Q它 它=0.13(Q件 件+Q散散+Q辐辐+Q溢溢) =0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713) =23346 .1 kJ/h hkJ ttCqQ ta gaaVa /33713 1 . 0)20640(342. 129. 11 .314 ）（ 溢 3600 115 总 安 ）由式（ KQ P 其中其中Q辅 辅=0， ，Q控 控=0，由式 ，由式(5l0)得得

22、Q总 总=Q件件+Q辅辅+Q控控+Q散散+Q辐辐+Q溢溢+Q它它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h 3600 20293124 . 1 其中其中K为功率储备系数，本炉设计中为功率储备系数，本炉设计中K取取1.4，则，则 P安 安= =78.9 Kw 与标准炉子相比较，取炉子功率为与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。 由式由式(5(512)12) %3 .59 %100 )337137 .8877(2 .202931 95117 ）（ 溢辐总 件 QQQ Q %2 .47%100 2 .202931 95117 %100

23、总 件 Q Q ）（ 总 件 125%100 Q Q kw QQ P4 .13 3600 1 .233464 .25020 3600 它散 空 由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄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。算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。 1.炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 顶 粘 0.97(1.741+0.276) 0.115=0

24、.225m3 后前 粘 2(0.869+0.1152)(160.067+0.135)=0.305m3 侧 粘 21.741(120.067+0.135) 0.115=0.376m3 拱角砖的厚度拱角砖的厚度 顶 珍 2.31.430.115=0.378 m3 后前 硅 21.43(160.067+0.135) 0.115=0.397 m3 侧 硅 2(120.067+0.135) (1.741+0.115) 0.115=0.401 m3 顶 纤 1.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m3 后前 粘 2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05 =0.13

25、3 m3 侧 纤 2(1.741+0.115) (120.067+0.135) 0.05=0.174 m3 由式（由式（59） 得：得： ttt kgkJ tC ttt ttCVttCVttCVQ 2 .643 2 8 .4976 .788 2/ )( )/(066.1 3 .8691026. 084.01026.084.0 3 3 .869 2 6 .788950 2/ 33 21 000 纤 粘粘 墙粘 硅硅硅硅纤纤纤纤粘粘粘粘蓄 得查附表 ）（因为 ）（）（）（ 蓄蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（）（kJ） （59） )/(91. 0 4 .2781025

26、. 084. 01025. 084. 0 3 3 .281 2 6498 .497 2/ )( )/(99. 0 2 .6431028. 081. 01028. 081. 0 3 33 43 33 kgkJ tC ttt kgkJ tC 硅硅 墙墙硅 纤纤 得查附表 得查附表 1.炉底蓄热计算炉底蓄热计算 kJ ttCVVV ttCVVV ttCVVVQ 1032238 203 .28191. 0105 . 0378. 0397. 0401. 0 202 .64399. 01025. 0173. 0133. 0174. 0 203 .869. 0066. 1100 . 1225. 0305.

27、0376. 0 3 3 3 0 0 01 ）（）（ ）（）（ ）（）（ ）（）（ ）（）（ ）（）（ 所以得 硅硅硅 顶 硅 前后 硅 侧 硅 纤纤纤 顶 纤 前后 纤 侧 纤 粘粘粘 顶 粘 前后 粘 侧 粘蓄 查附表3得 ttt kgkJtC ttt kgkJtC ttt mV mV 3112/7 .535 .5682/ /999. 06751028. 081. 01028. 081. 0 3 6752/5 .5682 .7882/ /065. 11 .8661026. 084. 01026. 084. 0 1 .8662/2 .7829502/ 600. 0182. 043. 13 .

28、2 164. 005. 043. 13 . 2 43 33 32 33 21 3 3 ）（）（ ）（ 得查附表 ）（）（ ）（ ）（）（由于 底底 底 硅 底 纤 底 纤 底底 底 纤 底 粘 底 粘 底 底 粘 底 硅 底 纤 3 3炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表根据附表6查得查得950和和20时高合金钢的比热容分时高合金钢的比热容分 别为别为C板 板2 = 0 . 670kJ/( kg )和和C板 板1 =0.473kJ/(kg )。 经计算炉底板重量经计算炉底板重量G=242kg，所以有，所以有 Q蓄板 蓄板=G(C板板2t1-C板板1t0)=242 （636.5-9.46）=15174

29、3.6kJ kJ Q kgkJ tC 389880 )20311( 918.0105.06.0)20675( 990.01025.0164.0 )201.866(065.1100.134.0 )/(918.03111025.084.0 1025.084.0 3 3 3 3 3 底 蓄 底 硅 底 硅 所以得 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内小时内 均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态均可，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计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小

30、小 时以内。时以内。 由由式式(5(513)13)得空炉升温时间得空炉升温时间 Q蓄 蓄=Q蓄蓄1+Q蓄底蓄底+Q蓄板蓄板 =1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ h P Q 8 . 5 753600 6 .1578861 3600 安 蓄 升 75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、 或或YY,、接线。供电电压为车间动力电网接线。供电电压为车间动力电网380 V 。 核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业 炉，内壁表面负荷应在炉，内壁表面负荷应在1535kw/m

31、2之间，常用为20 25kw/m2之间。 表面负荷在表面负荷在20 25kW/m2常用的范围之内，故符合设计常用的范围之内，故符合设计 要求。要求。 2 2 /05.20 74. 3 75 / 74. 3869. 0741. 164. 0741. 122 mkWFPW mFFF 电安 电底电侧电 1 1图表法图表法 由附表由附表15查得查得0Cr25A15电热元件电热元件75kW箱式炉箱式炉YY接接 线，直径线，直径d = 5mm时，其表面负荷为时，其表面负荷为1. 58W/cm2。每组元。每组元 件长度件长度L组组=50.5m，总长度，总长度L总总 = 303. 0m,元件总重量元件总重量G

32、总总 =42 .3kg, 2 2、理论计算法、理论计算法 (1)求求950时电热元件的电阻率时电热元件的电阻率t 当炉温为当炉温为950时，电热元件温度取时，电热元件温度取1100，由附表，由附表 12查得查得0Cr25A15在在20时电阻率时电阻率20=1.40mm2/m， 由最高使用温度由最高使用温度950，选用线状，选用线状0Cr25Al5合金合金 作电热元件，接线方式采用作电热元件，接线方式采用YY。 (4)(4)每组电热元件端电压每组电热元件端电压 由于采用由于采用YY接法，车间动力电网端电压为接法，车间动力电网端电压为380V，故，故 每组电热元件端电压即为每相电压每组电热元件端电

33、压即为每相电压 由于采用由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率接法，即三相双星形接法，每组元件功率 (2)(2)确定电热元件表面功率确定电热元件表面功率 由图由图53，根据本炉子电热元件工作条件取，根据本炉子电热元件工作条件取 W允 允 =1.6W/Cm kW n P5 .12 23 7575 组 电阻温度系数电阻温度系数=410-5-1，则，则1100下的电热元件电阻下的电热元件电阻 率为率为 t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m (5)(5)电热元件直径电热元件直径 线状电热元件直径由式线状电热元件直径由式(524)得得 取取d=5mm (6)(6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由式每组电热元件长度由式(525)得得 每组电热元件重量由式每组电热元件重量由式(526)得得 VU220 3 380 组 mmWUPd t 9 . 4)6 . 1220/(46. 15 .123 .34)/(3 .34 3 22 3 22 允组组 m P dU L t 07.52 46. 15 .12 5220 10785. 010785. 0 22 3 22 3 组 组 组 M LdG 组组 2 4 电热元件总长度由式电热元件总长度由式(527)得得 L总 总=6L组组 =6 52.07=31