箱式电阻炉设计

1、辽宁工业大学热工过程与设备课程设计（说明书）题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率110kg/h，功率30kw,温度w 600 C）院（系）：材料科学与工程学院专业班级：材料083学号：学生姓名：指导教师：起止时间：2011-12-262011-1-8课程设计任务及评语号 学课程设计 （论文）题目COO6 吋kw 阻 O M 3 式 率 箱 功 小 h 热 创 丿 O11率 产生课程设计论文>任务kwO3率 功 o11率聊 算 戈 计 耐 寸算 与 喺 野 尺计 算算 择 指 吐 F积率算比比线选 图能 丸"C 构m功计率司接粹图配性 W00择结表炉率功时与林件装术献 66选体均

2、热效载温配件元炉技文 i C 的炉平加热空升分元体阻子考 豹、贻型定体算予子炉率>热电炉参 壬侃 炉确砌计炉炉空功也也 ) 计借)- 二三 设工 一 二三四五六七八九十十十十 T 一 - /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k /_k指导教师评语及成绩日月年 成院（系）：材料科学与工程教研室：材料科学与工程-3 -目录一、炉型的选择 - 4 -二、确定炉体结构和尺寸 - 4 -三、砌体平均表面积计算 - 5 -四、计算炉子功率 - 6 -五、炉子热效率计算 - 8 -六、炉子空载功率计算 - 8 -七、空炉升温时间计算 - 8 -八

3、、功率的分配与接线 - 9 -九、电热元件材料选择及计算 - 9 -十、电热体元件图 - 10 -十一、电阻炉装配图 - 10 -十二、电阻炉技术指标（标牌） - 10 -参考文献 -.1.1 - 4 -设计任务：按工作要求可设计一台热处理电阻炉，其技术要求为：(1) 用途：中低碳钢、合金钢毛坯或零件的淬火、正火处理，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；(2) 生产率： 110kg/h；(3) 工作温度：最高使用温度w 600C；(4) 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择根据设计任务给出的技术要求和生产特点，本设计宜选用箱式热处理电阻炉。二、确定

4、炉体结构和尺寸1炉底面积的确定 因为无法确定产品类型，故无法用一次装料量来计算炉底面积，只能用炉底强度来计 算。已知生产率为 110kg/h，则选择箱式炉用于淬火和正火时的单位面积炉底强度h为115kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积2F1 = P/h= 110/115 = 0.96m2有效面积与炉底总面积的比例系数 K=F/Fi=0.750.85,取系数为0.84,贝U炉底实际面 积：2F = F1/0.84 =0.96/0.84 =1.14m22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装出料方便,取 L/B=3:2 ,因此,可求得B =930m L =1310m考虑到便于砌

5、砖,根据标准砖尺寸,取 L =1380mm, B =920mm。3炉膛高度的确定 炉膛高度目前没有严格计算方法, 根据统计的资料炉膛高度 H 与炉底宽度 B 之比 H/B 通常在 0.50.9 之间,本设计根据炉子工作条件并考虑利于辐射与对流传热等因素,这里 取H/B = 0.85,再根据标准砖尺寸，最终选定炉膛高度H = 780mm。因此，确定炉膛尺寸如下：- 5 -长 L = 230 為=1380mm宽 B = 115 卷=920mm高 H = 65 >12 =780mm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空 间，确定工作室有效尺寸为L 效=1320

6、mmB 效=860mmH 效=720mm4炉衬材料及厚度的确定箱式电阻炉侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作环境类似，可采用相同炉衬结构，即二层结构：115mm耐火的轻质粘土砖和150mm保温的膨胀蛭石。轻质粘土砖牌号为QZ-13， 密度为1.3 g/cm3的，膨胀蛭石的密度为0.2g/cm3。炉底采用厚为115mm的搁砖和厚为65mm 的轻质粘土砖以及保温填料砌成。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如附图1所示：贝L 外=L+2X(115+150) = 1910mmB 外=B+2> (115+150) = 1450mmH 外=H+(115+150) +65+230+115+ = 1579mm

7、式中：f -拱顶矢高，此炉子采用60°标准拱顶，拱弧半径 R = B,则f = R(1-cos30)° =124mm。1. 炉顶平均面积炉顶内面积：F顶内=(2 nR) >= 1.330m2 炉顶外面积：F顶外=B外> L外=2.770m炉顶平均面积：F顶均=7 F顶内F顶外=1.919m22. 炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙面积及前后墙面积，为简化计算将炉门包括在前墙内，贝2 炉墙内面积：F 墙内=2LH+2BH = 2 >1.380 0.780+2 0.920 0.780=3.588 m 炉墙外面积：F 墙外=2H 外(L 外+B 外)=2 X1.579

8、 (1.910+1.450) = 10.611m?炉墙平均面积：F墙均二、.F墙内F墙外=6.170 m23炉底平均面积炉底内面积：F 底内=BXL=0.920 >1.380= 1.2696 n 炉底外面积：F底外=B外沌外=1.450 X.910 = 2.7695m2炉底平均面积：F底均=、.F底内F底外=1.875m2四、计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率1 .加热工件所需的热量 Q件由文献附表6得，工件在600T及20C时比热容分别为C件2=0.682KJ/(kg C),C 件 1=0.494KJ/(kg C),则:Q 件=g(C 件 2t1 - C 件 it0)=110 >

9、.682 600-0.494 20) = 43925.20 kJ/h2. 加热辅助夹具所需的热量Q辅根据公式Q 辅=5% Q 件=0.05X 43925.20=2196.263. 通过炉衬的散热损失Q散对于炉墙散热，首先假定炉壳内外温度及两层材料界面上的温度，t1=600C,t2 = 60C,t 界=520 r ,则：耐火层S1的平均温度：t1均=(600+520)/2=5600保温层S2的平均温度：t2均=(520+60)/2=2900轻质粘土砖的热导率由文献 附表3得33刀=0.407+0.349 1X >1 均=0.407+0.349 X X560=0.60244W/(m 0)膨胀

10、蛭石的热导率，由t2均=2900得力=0.07+0.00025 tX匀=0.07+0.00025 290 = 0.1425 W/(m °C当炉壳温度为60C，室温为20C时，由文献附表2可近似计算得a沪12.7W/(m2 C)a) 求热流q 墙=(600-60) / (S1/ 入什 S2/ 入 2 +1/ a )=(600-60) / (0.115/0.60244+0.15/0.1425+0.062=414W/ mb) 计算交界面上的温度t界t 界=ti - q墙亘=600-414 115/0.60244=52TC, 丸1验算中间温度：(521-520) /521=0.2%<5

11、%，说明假设温度合理，不需要重新设定c) 计算炉墙散热损失炉墙散热损失：Q墙散=q墙F墙均=414 >6.170=2554.38 W炉顶散热损失：Q顶散=q墙F顶均=414X1.919=794.47 W炉底散热损失：Q底散=q墙F底均=414X1.875=776.25 W则：整个炉体散热损失 Q散=Q墙散+Q顶散+ Q底散=4125.10W=14850.36KJ/h4计算开启炉门的辐射热损失根据公式：Q辐=3.6 X 5.675F肛呂I - ' Ia 1100 丿100 丿其中 Tg=600+273=873 K, Ta=20+273=293K,炉门开启率 &=0.1;炉子

12、正常工作时炉门全开，根据实际情况和工作要求可设炉门宽b=320m m,高h=0.85b=272mm,则炉门开启面积：F=bXh=0.320 X.272=0.08704 m2由于炉门开启后，辐射口为矩形，炉门高度与炉墙厚度之比为 0.272/0.265=1.03,经文献中图1可查得：=072贝44Q 辐=3.6 X 5.675F S 輕 -Ta 1100丿 000丿=3.6 爲.675 0.08704 0.72 0.1 5808.41-73.70)=733.58KJ/h5计算开启炉门溢气热损失因为溢气热损失Q溢=VC (ta-tb) S其中 V为进入炉内的冷空气量，根据公式可近似V=2200 b

13、 h h? =99.8679m3/hC为空气在温度ta tb之间的平均比热，即C= (1.181+0.435 ) /2=0.808。ta=600C, tb=20C。则：Q 溢=VC (ta-tb) S99.8679 X.808 X600-20) 0X=4680.21kJ/h6.其它热量损失其他热量损失约为散热损失的50%，故Q 它=0.5Q 散=0.5 X 14850.36=7425.18kJ/h7.计算热量总输出因为Q控=0,则Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它=43925.20+2196.26+0+14850.36+733.58+4680.21+7425.18=73810.79

14、kJ/h8炉子额定功率的计算P额=KQ总3600其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.5,则P 额=(1.5 初810.79)/3600=31kw与标准炉子相比较，取炉子功率为 45kW。五、炉子热效率计算1. 正常工作时的效率Q件n二=43925.20/73810.79 100% =59.5%Q总2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率n=Q 件 / Q 总-(Q 辐+Q 溢)=43925.20/73810.79-(733.58+4680.21)=64.2%六、炉子空载功率计算P 空=Q散 +Q 它=(14850.36+7425.18)/3600=6.19kW3600七、空炉升温时间计算本设计炉

15、子的耐火层，保温层结构相似，由于个人知识所限，采用粗略计算。将其近 似看作箱体。1. 蓄热量的计算223V 膛=780X920X1380+( £20 2-9202 /2)/4=0.99 m3V 总=1579X1910X1450=4.373 m3V 膛+耐=895X1150X1610+3035 2-10352 /2)/4=1.658 m3V1= V 膛+耐-V膛 =1.658-0.99=0.668 用3V2= V 总-V 膛+耐=4.373-1.658=2.715 m查阅资料可知耐火材料的重度 p=1.3X103kg/m3,保温材料的重度p=0.2 %03kg/m3设t耐，t保是耐火层

16、和保温层在炉子工作时的平均温度。Ci, C2为耐火材料和保温材料在t耐，t保时的比热。C01，C02为耐火材料和保温材料在室温下的比热。所以得Q 蓄=Vi p (Cit 耐一C01 to) + V2 p (C2t 保Co2to)=0.668 X.3 K)3X(0.836+0.263 1X560) 560-(0.836+0.236 10X20)3>20+2.715 X2 X03X0.6573 (290-20)=559938.1kJ进而可得空炉升温时间 t升=559938.1/(3600 30)=5h八、功率的分配与接线根据设定的要求，电热元件可采用 YY型接法。即45kW的功率为三区，一根

17、加热， 每根原件功率为15KW，均匀分布在炉膛两侧及炉底，每根电热体的电压为220V。炉膛电热元件内壁表面负荷为：F 电=2F电+F电=2X1.320 0.720+1.320 070=3.0m22W=P 安/F 电=45/3.0=15kW/m结果表明表面负荷率符合15kw/m2的要求。九、电热元件材料选择及计算因热处理炉的最高使用温度600E，应选用Cr13AI4合金作电热元件。1. 计算600E时电热元件的电阻率 p当炉温为600r时，电热元件温度取 600r，由文献附表12查得Cr13AI4在20C 时电阻率 p0 =1.26Qmm2/m，电阻温度系数 a=15%0-5r-1，则600E下

18、的电热元件电阻 率:p=1.26mm2/m2. 确定电热元件表面功率根据本炉子电热元件工作条件取 W允=5.6W/cm2。3. 每组电热元件功率由于采用YY接法，即三相星形接法，每组元件功率：P组=45/n=45/3=15kW4. 每组电热元件端电压由于采用丫丫接法，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=380.3=220 V5. 电热元件直径取 d=3.5mm线状电热元件直径：d=34.33 p组组/(W组W实)=3.48mm6. 每组电热兀件长度和重量3 2 2每组电热元件长度为：L组=0.785粕-(U组d /P组p)=24.626m取24.63m每组电热

19、元件重量：G组=(n /4d2L组pm式中-p由文献附表12查得p=7.4g/cm2，所以可得：G组=(n /4c)L组p=1.75kg7. 电热元件的总长度和总重量电热元件总长度由式(5-27)2得L总=3L组=3X24.63=73.89m电热元件总重量由式(5-28)2得G总=3G组=3Xl.75=73.89kg8. 校核电热元件表面负荷2W实=P 组/ nL 组=0.06W/cmW实W允，结果满足设计要求。9. 电热元件在炉膛内的布置依炉膛尺寸确定在炉子侧墙和炉底各安置一组电热体，每个电热体来回四折安装，因此L 折=D/4=24.63/4=6.16mL' L-60=1380-50=1330mm螺旋节径 D=(6-8)d，本设计取 D=7d=7X3.5=24.5mm 取 D=25N= L 折/ nD=6.16/(3.14 2X)=79H= L'