刘东辉-热处理设备-课程设计报告

1、北华航天工业学院热处理设备课程设计课程设计报告报告题目：650 C 90kg/h的箱式电阻炉设计作者所在系部：材料工程系作者所在专业：金属材料作者所在班级：B08821作者学号20084082104指导教师姓名:范涛、陈志勇完成时间：2011-10-20热处理设备课程设计任务书课题名称650 C90 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间2011-10-20指导教师陈志勇、范涛职称高工、讲师学生姓名刘东辉B08821总体设计要求和技术要点总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力， 了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、结构尺寸

2、 设计计算、绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握设计热处理设备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学生对工程技术问题 的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要点为：1.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。2. 工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3. 最高工作温度：W 650、750、850、950、1100C、12000（选一个温度）；4. 生产率：60-120kg/h （分7份）；5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作内容及时间进度安排1. 热处理设备设计准备2. 箱式电

3、阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、3. 计算电热元件尺寸、进行结构设计3. 核算设备技术经济指标4. 绘制电阻炉总图、电热元件零件图5. 编写设计说明书、使用说明书6. 设计总结7. 答辨0.5计算分配电阻炉加热功率0.50.51.00.50.51.0天0.5 天天天天天天天课程设计成果1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下:（1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析；（b）、设计计算过程；（c）、炉子技术指标；（d）、参考文献。2、 设计图纸：（1）电阻炉总图一张（A3）,要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（b

4、）、尺 寸及其标注方法正确；（c）、视图、剖视图完整正确；（d）、注出必要的技术条件。（2）零 件图3张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（A4）。3、使用说明书：电阻炉的技术规范及注意事项等。内容摘要650C 90kg/h的箱式电阻炉的设计。包括炉型的选择、选择炉体材料、箱 式电阻炉结构尺寸设计计算、计算分配电阻炉加热功率、计算电热元件尺寸、 核算设备技术经济指标、绘图（电阻炉总图一张，电热元件零件图，炉门图， 炉衬图）。关键词:箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指标6、八前言1.1 本设计的目的 1.2 本设计的技术要求设计说明2.1 确定炉体结构和尺寸 2.1.1

5、 炉底面积的确定 2.1.2 确定炉膛尺寸 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定2.2 砌体平均表面积计算 2.2.1 炉顶平均面积 2.2.2 炉墙平均面积 2.2.3 炉底平均面积 2.3 根据热平衡计算炉子功率2.3.12.3.22.3.32.3.42.3.52.3.62.3.7加热工件所需的热量 Q 件 通过炉衬的散热损失 Q 开启炉门的辐射热损失 开启炉门溢气热损失 其它热损失 热量总支出 炉子安装功率 2.4 炉子热效率计算 2.4.1 正常工作时的效率 2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率2.5 炉子空载功率计算 2.6 空炉升温时间计算 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热 2.6.2 炉底

6、蓄热计算 2.6.3 炉底板蓄热 2.7 功率的分配与接线 2.8 电热元件材料选择及计算 2.8.1 图表法 2.8.2 理论计算法 2.9 炉子技术指标（标牌） 参考文献6.6.7. 7 7 7 .8. 8 8 8 .9. 9 9 10 11 11 11 11 1.2. 12 . 12 .1.2 .1.2 12 13 14 .1.41.4 14 15 1.6、八-前言本设计的目的设计650C 90kg/h的箱式电阻炉本设计的技术要求设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；

7、最高工作温度：650C； . 生产率： 90kg/h； .生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。设计说明2.1确定炉体结构和尺寸2.1.1炉底面积的确定因无定型产品，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子 的生产率为 P=90,按表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为120kg/(m2 h)。故可求的炉底的有效面积2F1=P/P3=0.75 m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.780.85,取系数上限，得炉底实际面积2F=Fi/0.85=0.88m22.1.2确定炉膛尺寸由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便,取L/B=2 ,因

8、此，可求的:L= Jf / 0. 5=1.328 mB=L/2=0.664 m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.392 m B=0.680 m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，根据炉子的工作 条件，取H/B=0.7左右。则H=0.490 m可以确定炉膛尺寸如下L=(230+2) 6=1392 mmB=(120+2) 6 +(40+2) 2+ (113+2) X2=680 mmH=(65+2) 6+21=490 mm确定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空间，确定工作室有效尺寸为L 效=1200 mm B 效=500 mm H

9、效=350 mmF 壁=2+(L H)+(L XB)+2(BXH)+2X3.14 6+1/6 6=3.97m2由经验公式可知：_ C -0.51-0.9八#, CCCX 1.55P 安=C T 升 F (t/1000)取式中系数C=30(kM h0.5)/(m1.8 -E1.55):，空炉升温时间假定为 t升=4h，炉温t=650C。所以 P 安=30 6-0.5X3.970.9X (650/1000) 1.55 =26.61 kW暂取 P安=30kW2.1.3炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖+ 50mm密度为250kg

10、/m3的普通硅酸铝纤维毡+ 113mmB级硅藻土砖。炉顶采用113mmQN 1.0轻质粘土砖+ 80mm密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维 毡+ 115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层 QN 1.0轻质粘土砖(67X3) mm + 50mm的普通硅酸铝纤维毡+ 182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm QN 1.0轻质粘土砖+ 80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 + 65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr Mn N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚 20mm。2.2砌体平均表面积计算L 外=L+

11、2X(115+50+115)=1950 mmB 外=B+2X(115+50+115)=1240 mmH 外=H+f+(115+80+115)+67 X4+50+182 =1390 mm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可由f = R (1 cos30)求得。2.2.1炉顶平均面积F 顶内二述 X_ = O.680 X.392=0.991m262F顶外=B外为_外=1.724 m 2F顶均=JF顶内F顶外 =1.31 m2222炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。F 墙内=2LH + 2BH = 2H ( L+ B)= 2X0

12、.490 X1.392+0.680)=2.031 m2F 墙外=2H 外(L 外+ B 外) = 2X1.390 X1.950+1.240)=8.868 mI 2F墙均=JF墙内F墙外=4.24 m2.2.3炉底平均面积F 底内=BXL = 0.680 X.392= 0.947 m2F 底外=B 外 X_ 外=1.240 X.950=2.418 m2I QF底均=JF底内F底外=1.51 m2.3根据热平衡计算炉子功率2.3.1加热工件所需的热量Q件查表得，工件在650C及20C时比热容分别为 c件2= 1.051kJ/(kg C)，c件i =0.486kJ/(kg C)Q 件=卩9件2t1

13、c件 1t0)= 90X1.051 650-0.486 送0)= 60609 kJ/h2.3.2通过炉衬的散热损失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，为简化计算，将炉门也包 括在前墙内。t 1 - t n +1根据式 Q散=ns送齐i 二人 I Fl对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度,t 2 墙=540 C, t 3 墙=320 C,t 4 墙=60 C 贝U硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均 =320 ； 60 = 190C，S1、s3层炉衬的650 + 540耐火层s1的平均温度ts1均=2= 595C，540320 = 430C，硅藻土砖层s3的平均温度ts

14、3均=热导率由附表3得2 = 0.29+0.256 X0-3ts1 均=0.442W/(m C)32= 0.131+0.23 ts3均=0.175W/(m C)普通硅酸铝纤维的热导率由附表4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 = 430C，得12= 0.098W/(m C)当炉壳温度为60C，室温为20C时，由附表2近似计算得a尸12.17 W/(m C ) (1)求热流tg taq墙=勺+蛍+鱼+丄人1人2人3650 - 200. 115 + 0. 05 + 0. 115 + _10. 4420. 0980. 17512. 17=417.3W/ m2

15、验算交界面上的温度t2墙，t3墙t2 墙=t1 q 墙 s = 541.4C AlA= 541.4一540 = 0.26%t2 墙540A 5%满足设计要求，不需重算。t3 墙=2 墙一 q 墙=3282CA2A= 328. 2 一 320 = 2.6%t3 墙320A 5%满足设计要求，不需重算。验算炉壳温度t4墙t4墙=t3 墙一 q 墙=54.0C 1.392 (10 0.067+0.135) 0.115=0.258mV 前 后粘=2 (0.680+0.115 2)15 .067+0.135) 015=0.239m3V 顶粘=0.97 .392+0.276) 015=0.186m3V 侧

16、纤=2 (1.392+0.115) (100.067+0.135) 0.05=0.121m 前 后纤=2 (0.680+0.115 2)(15 0.067+0.135) 0.05=0.104m3 顶纤=1.071 .392+0.276) 08=0.143m33侧硅=2 (10 067+0.135) (K392+0.115) 0.115=0.279m 前 后硅=2 1.240 (15 0.067+0.135) 0.115=0.325m33顶珍 1.950 X240 0.115=0.278 mQ蓄=V粘P粘C粘（t粘一 to）+V纤P纤c纤（t纤一 to）+ V硅P硅C硅（t硅一 to）650 +

17、 541 4因为 t 粘=(t1 +12 墙)/2= 595.7C查附表3得33c 粘=0.84+0.26 10- t 粘=0.84+0.26 10- 595.7=0.995 kJ/(kg C )-541 4 + 328 2t 纤=(t2墙 +13墙)/2= 434.8C查附表3得C 纤=0.81+0.28 10-3t 纤=0.81+0.28 10-3 34.8=0.932 kJ/(kg C )- t 硅=(t3墙 +14墙)/2= 328.2 十 54.0 = 191.1C查附表3得5圭=0.84+0.25 10-3t 硅=0.84+0.25 10-3 91.1=0.888 kJ/(kg C

18、 )-所以得Q蓄1 = （V侧粘+ V前后粘+ V顶粘）P粘C粘（t粘一t0）+（V侧纤+ V前后纤+ V顶 纤）P纤C纤（t纤一t0）+（V侧硅+ V前 后硅+ V顶硅）P硅C硅（t硅一 t0）=493808 kJ/h2.6.2炉底蓄热计算V 底粘=4 3(0.02 区12+0.113 0065)+(0.04 2)00.113+(0.113 0为20) 2 1.392+(1.240-0.115 2)X(1.950-0.115) 0.0653=0.225mV 底纤=1.950 X.240 3.05 = 0.121m33V 底硅=1.950 1.240 0.182= 0.440m由于 t 底粘=

19、(t1 +12 底)/2= (650+508.8)/2= 579.4C查附表3得3c底粘=0.84+0.26 10-1 底粘=0.991 kJ/(kg C)t 底纤=(t2底 +13底) /2= (508.8+356.7)/2= 432.8C 查附表3得c 底纤=0.81+0.28 10-3t 底纤=0.931 kJ/(kg C)t 底硅=(t3底 +14底)/2= (356.7+50.3)/2= 203.5C查附表3得c底硅=0.84+0.25 10-3t 底硅=0.891 kJ/(kg r )所以得33Q 底蓄=0.225 X.0 X0 0.991 (579.4-20)+0.121 0.2

20、5 X0 0.931 (432.8-20)+30.440 0.5 10 0.891 (203.5-20)=172327 kJ/h263炉底板蓄热根据附表6查得650r和20r时高合金钢的比热容分别为 c板2 = 0.875kJ/(kg G)和c 板1 = 0.473kJ/(kg G)。经计算炉底板重量 G=180kg，所以有Q 板蓄=G(c板2t1- c板 1t0)=180 (0.875 650- 9.46)= 100672.2 kJ/hQ 蓄=Q 蓄 1 + Q 底蓄+ Q 板蓄=766807 kJ/h空炉升温时间伊=Q 蓄=6.1h3 600 P 安对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 3

21、8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计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。2.7功率的分配与接线1535kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成 丫、或丫丫、接线。供电电压为车 间动力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2 235kW/ m 之间，常用为2025 kW/ m 之间。2F 电=2F 电侧+ F 电底=2 1.392 0.490+1.392 0.680=2.31 mW = P 安/F 电=35/2. 31= 15.2kW/ m2故符合设计要求。2.8电热元件材料选择及计算由最高使用温度650r，选用

22、线状0Cr25AI15合金电热元件，接线方式采用 丫。2.8.1图表法由附表15查得0Cr25Al1电热元件35kW箱式炉丫接线，直径d = 4.8mm时，其表 面负荷为1.56W/ cm2。每组兀件长度 L组=49.6m,总长度L总=148.8m,兀件总重量 G总= 19.1kg。2.8.2理论计算法1、求650r时电热元件的电阻率 Pp= p0（1+ a t）= 1.40 X （1+4x 11000）= 1.46 Q mm确定电热元件表面功率2、3、当炉温为650r时，电热元件温度取1100C,由附表12查得0Cr25AI5在20E时 电阻率P0 = 1.40 m/m,电阻温度系数a= 4

23、X10-5r -1,M 1100C下的电热元件电阻率 为由图5-3,根据本炉子电热元件工作条件取 W允=1.6W/ cm2。 每组电热元件功率由于采用丫接法，即三相双星形接法，每组元件功率卩组=35/n=35/3= 11.7 kW4、每组电热元件端电压由于采用丫丫接法，车间动力电网电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压U 组=380/ J 3 =220V5、电热元件直径线状电热元件直接由下式得d= 34.3护2F/（U2 W允）=4.7 mm6、取 d=4.8 mm每组电热元件长度和重量每组电热元件长度由下式得2 23 U组d 亠3 2202 X 4 8L 组=0.785 X0-3 C p t =0.785 X0_4.-8 = 51.25