热工设备与工程课程设计

1、辽 宁 工 业 大 学热工过程与设备 课程设计（说明书）题目：箱式热处理电阻炉设计院（系）：专业班级：材料工程及其自动化131学 号：姓 名：指导教师：起止时间：2014-12-152014-12-28课程设计任务及评语院（系）： 教研室：材料教研室学 号11111姓 名名字专业班级课程设计题目箱式热处理电阻炉的设计生产率220 kg / h，额定工作温度1200，炉底强度95 kg / m·h；炉底强度系数0.83；蛭石保温材料课程设计（论文）要求与任务(1) 炉型的选择(2) 确定炉体结构与尺寸(3) 计算砌体平均表面积(4) 计算加热炉功率(5) 计算炉子热效率(6) 计算炉子

2、空载功率(7) 计算空炉升温时间(8) 功率分配与接线(9) 电热元件材料选择与计算(11) 电热体元件图(12) 电阻炉装配图(13) 炉子技术性能指标(14) 参考文献时间安排（1）布置设计任务，设计方案讨论、选择炉型 1天（2）炉膛尺寸、炉体结构和尺寸、绘制炉衬示意图。 2天（3）炉子的加热功率、热效率、空炉升温时间。 2天（4）功率的分配；电热元件尺寸、布置，绘制电热元件示意图。 1天（5）绘制电热元件布置图和电阻炉装配示意图。 1天（6）撰写、编辑、排版、修改设计说明书。 4天（7）考核、答辩。 1天指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大

3、学 课 程 设 计 说 明 书目 录目 录I1 炉型的选择12 炉体结构及尺寸12.1 炉底面积的确定12.2 炉膛尺寸的确定12.3 炉衬材料及厚度的确定23 砌体平均表面积计算34. 炉子功率65 炉子热效率计算96 炉子空载功率计算97 空炉升温时间计算98 功率的分配与接线119 电热元件材料选择及计算1210 电热体元件图1411 电阻炉装配图1512 电阻炉技术指标16参考文献1717设计任务：为某厂设计一台井式热处理电阻炉，其技术条件为：(1) 用途：碳钢、合金钢毛坯或零件的正火、淬火，处理对象为中、小型零件、非长杆类零件，无定型产品，小批量，多品种。(2) 生产率：220 kg

4、 / h。(3) 额定工作温度：1200 。(4) 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。1 炉型的选择此段根据自己情况自己写根据给定的技术要求选取高温箱式炉，箱式炉结构简单，操作方便，容易准确控制温度，炉膛温度分布均匀，便于使用控制气氛，容易实现机械化自动化操作。箱式炉生产能力较低，适用于小规模生产。高温箱式炉，炉衬厚度大，可以减少热损失。满足设计要求。2 炉体结构及尺寸炉体结构尺寸根据工件的形状，尺寸，装炉量以及炉子生产率来决定。同时考虑到炉子的传热特点、检修和装出料方便。在保证炉子生产率的情况下，尽量减小炉膛尺寸以降低能量消耗。2.1 炉底面积的确定根据炉底强度指标计算炉底面积。因为

5、零件产品为无定型产品，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。根据已知的生产率p为220 kg / h，炉底强度h为95 kg/m2·h，故可求得炉底有效面积F1 = p / h = 220 / 95 = 2.32 m2式中 F1 炉底有效面积，m2；p 炉子生产率，kg / h。本设计给定的生产率为220 kg / h；h 炉底强度，kg /（m·h），因为有效面积与炉底实际面积存在关系式K = F1 / F = 0.83，得炉底实际面积F = F1 / 0.83= 2.32 / 0.83 = 2.79 m22.2 炉膛尺寸的确定 对于箱式热处理电阻炉，

6、炉底长度与宽度之比约为3:2，所以由炉底长度公式 L = 可知 L = 2.0 m 由炉底宽度公式 B = 得 B = = 1.36 m根据炉膛高度H与宽度B之比H / B = 0.8，可以知道H = 1.4 × 0.8= 1.08 m。因此，可以确定炉膛尺寸如下 L= 2000 mm B= 1360 mm H= 1080 mm此段根据自己情况自己写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= 2000 mm B效= 1400 mm H效= 1100 mm2.3 炉衬材料及厚度的确定高温箱式炉炉墙选取三层材料，分别为高铝砖，轻

7、质粘土砖，蛭石。高铝砖，密度2.3 g / cm2，导热系数= 2.09 + 1.86 × 10-3t，厚度 113 mm。轻质粘土砖，密度2.0 g / cm2，导热系数= 0.25 + 2.2 × 10-4t ，厚度 113 mm。蛭石，密度0.2 g / cm2，导热系数= 0.07 + 2.6 × 10-4 t ，厚度 240 mm。炉衬包括炉墙、炉底和炉顶三部分。依次计算炉墙，炉底，炉顶。1. 炉墙对于高温炉，炉墙要求有较高的耐压强度或承受冲击负荷，根据经验及耐火砖尺寸，耐火层可选用一层高铝砖，厚度113 mm，一层轻质粘土砖，厚度为113 mm。保温层

8、选用膨胀蛭石，其厚度需经计算确定，初步选取厚度为240 mm。炉墙内表面温度t0即为炉子的额定工作温度1200 。假定界面温度t1为1150 ，界面温度t2为950，炉壳温度t3为50，即t0 = 1200 ，t1 = 1150 ，t2 = 950 ，t3 = 50则有：高铝砖层S1的平均温度为： t1均 = = = 1175 ， 轻质粘土层S2的平均温度为： t2均 = = = 1050 k J 千焦耳蛭石层S3的平均温度为： t3均 = = = 500 S1、S2层炉衬的热导系数公式为1均 = 2.09 + 0.186 × 10-2t1均 = 2.09 + 0.186 ×

9、; 10-2 × 1175 = 4.27 千卡/ (米2·时·)2均 = 0.25 + 0.22 × 10-3 × t2均 = 0.25 + 0.22 ×10-3 × 1050 = 0.481千卡/ (米2·时·)3均 = 0.07 + 0.22 × 10-3 × t2均 = 0.07 + 0.22 ×10-3 × 500 = 0.2千卡/ (米2·时·) k J 千焦耳113 113 240(1) 热流q： q墙 = = 789.84千卡/米2

10、·时。（2）计算交界面上的温度t1、 t2 由 t1'= t0 q S1 / 1均 得 t1' = 1200 789.84 × 0.113 / 4.27 = 1179.46 验算界面温度 （t1' t1）/ t1'=（1179.46 1200）/ 1179.46 = 2.4 % < 5 % ，结果合理，不需要重新假设界面温度。 t2'= 1200 789.84 × 0.113 / 4.27 789.84 × 0.113 / 0.481 = 997.8 验算界面温度（t2' t2）/ t2'=（

11、997.8 950）/ 997.8 = 4.79% < 5% ，结果合理，不需要重新假设界面温度。故确定保温层厚度为240 mm。2.炉底炉底在高温下承受工件的压力，装出料时常受到弓箭的冲击或磨损，因此，要求有较高的耐压强度，砌层厚度也要求比炉墙厚一些。一般电阻炉的炉底结构是在炉底钢板上用硅藻土砌成方格子做支撑，格子内再填充蛭石粉，上面在铺几层硅藻土或轻质砖，再往上为耐火砖。本设计炉底厚度为408 mm，分别为：炉底采用耐火层230 mm，材料为轻质粘土砖，中间层厚度为65 mm,材料为轻质粘土砖，绝热层厚度为113 mm，材料硅藻土砖，炉底板材料选用Cr3Si耐热钢，根据炉底实际尺寸给

12、出，厚20 mm。3.炉顶由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即三层：耐火层厚度113 mm高铝砖，113 mm轻质粘土砖，保温层厚度为240 mm，材料为膨胀蛭石。炉膛宽度小于400 600 mm的小型电阻炉，可采用平顶。炉宽小于3.5 4.0 m的电阻炉采用拱顶。本设计炉采用拱顶60°拱角。 3 砌体平均表面积计算砌体平均面积包括，炉顶平均面积，炉墙平均面积与炉底平均面积之和。砌体外廓尺寸：外廓尺寸是指在炉膛的尺寸之外加上炉墙的厚度的尺寸。L外= L + 2 ×(113 + 113 + 240) = 2972 mmB外= B + 2 ×

13、;(113 + 113 + 240)= 2372 mm H外= H + f + 428 + 113 + 150 = 2136 mmf = R ( 1 cos 30° ) = 182 mm 式中 f 拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，则拱弧半径尺 R = B = 1400 mm1. 炉顶平均面积炉顶平均面积由炉内的拱形顶面积与炉顶外部的平面共同求得F顶内=（2 R / 6）× L=（2 × 3.14 × 1.4 / 6）= 1.465 m2 F顶外= B外 × L外 = 2.972 × 2.372 = 6.942 m2 F顶

14、均= = 3.18 m22. 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。计算墙内的面积与墙外的面积求得平均面积。F墙内= 2 LH+ 2 BH= 2 × 2.0 × 1.1 + 2 × 1.4 × 1.1 = 7.48 m2 F墙外= 2 H外（L外+B外）= 2 × 2.136 ×(2.972 + 2.372)= 22.8 m2F墙均= = 13.06 m23. 炉底平均面积炉底是由113 mm的硅藻土，65 mm厚的轻质粘土砖，230 mm厚的隔热材料，炉底长宽为炉底外实际长宽，炉内长宽为炉膛长宽F底内=

15、 B × L= 2.0 × 1.4 = 2.8 m2F底外= B外 × L外= 2.972 × 2.372 = 7.04 m2F底均= = 4.43 m2炉衬结构图见图1。4. 炉子功率电阻加热炉所需功率的大小，与炉子的生产率，升温时间，炉膛尺寸，炉子结构，工件的工艺规律和操作方法等因素有关。在设计中必须考虑各方面因素以确定合适的功率。用计算的方法通过复杂的公式利用热平衡法确定炉子功率。炉子的总功率应满足热量支出的总和。不同的电阻炉热量的支出具体项目和数量也不相同。根据箱式炉的热量支出的项目，计算热量支出的具体数值并求和。从而求得总功率。1加热工件所需的

16、热量Q件 Q件是指电阻炉在加热过程中作用在零件上的有效的热量Q件 = g (C2 t2 Cl t1 ) 式中 g 炉子生产率；g = 220 kg / h。C2 工件在额定工作温度（即1200 ）时的热容；C2 = 0.678 kJ / kg·。Cl 工件在常温（20）时的热容；Cl = 0.404 kJ / kg·。t2 炉子的额定温度（即1200 ）；t1 室温温度，取20 。 则 Q件 = g (C2 t2 Cl t1 )= 220 × ( 0.678 × 12000.404×20) = 178992 KJ / h 2加热辅助工具夹所需的

17、热量Q辅 辅助工具为料盘，工夹具等辅助工具，由于不同的加热工序所用不同的工夹具，所以此次计算只带入炉底板计算。 Q辅 = G辅 (C2 t2 Cl t1 ) / 式中 G辅 辅助工夹具的重量（Kg）；t1、t2 辅助工夹具加热前和加热后的温度（）t1 = 20 ，t2 = 1200 。Cl、C2 辅助工夹具在t1和t2时的平均比热（KJ / Kg·）；Cl = 0.49 KJ / kg· C2 = 0.657 KJ / kg·。 辅助工夹具的加热时间（h），一般情况下它与工件的加热时间相同；取 = 4。G辅 = · v=（1.4 × 2.0 &

18、#215; 0.02 × 7.8 × 10-3) / 103= 43.68 KgQ辅 = G辅 (C2 t2 Cl t1 ) / = 43.68 × ( 0.657 × 6120 0.49×20) / 4 = 8502.312 KJ 3. 通过炉衬的散热损失Q散高温电阻炉炉衬厚度为三层，通过侧墙与前后墙散失的热量也要考虑在总体热量之内，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。 Q散= A × 3.6（t1 t0）/（S1 / 1+ S2 / 2 + S3 / 3+ 1 / ) 式中A 炉衬的

19、散热面积（m2） t1 炉膛内壁温度（），一般可用保温阶段的炉温代替。 t1 =600 。 t0 炉外车间空气温度（），可取20 。 S1、S2、S3 耐火层和保温层的厚度。 1、2、3耐火层和保温层材料的平均导热系数。其数值为1均 = 2.09 + 0.186 × 10-2 ×t1均 = 2.09 + 0.186 × 10-2 × 1175 = 4.27 千卡/ (米2·时·)2均 = 0.25 + 0.22 × 10-3 × t2均 = 0.25 + 0.22×10-3 × 1050 = 0

20、.481千卡/ (米2·时·) 3均 = 0.07 + 0.22 × 10-3 × t2均 = 0.07 + 0.22×10-3 × 500 = 0.2千卡/ (米2·时·) 当炉壳温度为50，室温为20时，由参考文献得1 / = 0.05 W / (m2·)因为A=(h + f ) L炉+（h + f ）B炉 + L炉B炉 × 2 = 27.8 m2 所以Q散 =A× 3.6（t1 t0）/（S1 / 1+ S2 / 2 +1 / ) = 20.092 × 3.6（1200

21、 20）/（4.27 + 0.481 + 0.2 + 0.05) = 79047.2 KJ4. 通过开启炉门的辐射热损失Q辐当夹取工件的时候，需要开启炉门，当开启炉门的同时会产生热量的辐射散失Q辐 = 5.67 A× × × 3.6式中 T1 炉膛的温度（K）；T2 炉外空气的温度（K）；A 炉门开启面积（m2）； 遮蔽系数，取0.8； 炉门开启时间比率取0.1。由于正常工作时，炉门开启高度的一半，炉门开启面积A= B ×= 1.4 ×(1.1 / 2 )= 0.77 m2Q辐 = 5.67 A × × × 3.6

22、 = 5.67 × × 0.715 × 0.8 × 0.1 × 3.6 = 51715.8 K J / h 5. 通过开启炉门的溢气热损失Q溢当炉门开启的时候由于冷热空气的对流造成热量的散失。热空气向外流出冷空气流入造成炉内温度的降低。Q溢 = V× C ( t 1 t2 ) × = 1256.3 × 1.0004 × (1200 20 ) × 0.1= 148464.6（KJ / h）式中 t1 室温温度，取20。t2 炉子内热空气温度；V 进入炉内的冷空气量（m3 / h）；C 空气在温度之

23、间的平均比热KJ / m3·；为1.0004 KJ / m3·。对于电阻炉，V可以按下式近似计算V = 2200·B·= 2200 × 1.4 × 0.55 ×= 1256.3 m3 / h式中 B 炉门的宽度（m）； H 炉门的开启高度（m）； 6. 其它热损失Q它除了以上各种热散失以外，还有很多考虑不到的其他因素造成的热散失，其中包括密封性不良，砖块之间的契合度差，内部老化等。一般其他热损失近视取炉衬散热的50 % 100%或者总热损失的10 %，本次计算选取Q它= 10 % Q总Q它 = 0.1 Q总 = 54692.

24、08 KJ / h7. 总热量支出Q总总的热支出包括Q件 ，Q辅 ， Q散 ，Q损 ， Q溢 ， Q它 。因为Q它为10 % Q总计算出总的热支出0.9Q总 = Q件 + Q辅 + Q散 + Q损 + Q溢 + Q它= 178992 + 34009.2 + 79042.2 + 51715.8 + 148464.6= 492228.8 KJ / hQ总= 54692.08 KJ / h8. 热功率P总将热量转换为功率，通过转换系数将两者进行转变。P总 = Q总 / 3600 = 546920.8 / 3600 = 152 KW 从热平衡的观点来看，P总热功率就是所需的功率。但是考虑到生产中的某些

25、情况，如车间电压降低或电热体老化引起的功率下降以及适应强化加热制度所要求的功率等，因此，炉子的功率应有一定的储备，炉子的额定（安装）功率应为P = KP总 。其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.3，故P = 1.3 × 152 = 197.7 KW 取200 KW。5 炉子热效率计算单位时间加热工件能力的称为热效率，热效率越大，炉子的利用率越大，热效率过小说明炉子设计的不合理，需要重新设计，热效率的范围一般在30%到80%之间。1. 正常工作时的效率：正常工作时的效率指的是在工件在炉内加热时的效率 = = 178992 / 546920.88 × 100 %= 32.7

26、2 %2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率保温阶段的热效率，在工件加热到要求温度之后，保温的时间内炉子的热效率。 = Q件 / Q总 （Q辐 + Q溢 ） = 178992 / 346740.4 × 100 %= 51.716 炉子空载功率计算空载功率是指在没有工件加入炉内的时候，将炉内温度提升到标准工作温度时的功率 P空 = = 79047.2 + 546292.08= 37.14 KW7 空炉升温时间计算不同耐火成，保温层的蓄热不同，耐火层蓄热多而保温层相对较少，为简化计算将炉子侧墙，前后墙，炉顶按照相同数据计算，而炉底的构造比较复杂，统一按照轻质粘土砖计算。1. 炉墙及炉顶和炉底

27、蓄热本设计高温炉有三层砌体，不同砌体尺寸除了考虑到炉膛尺寸以外还需要考虑到前一层耐火层的尺寸。V = 2 × 1.1 ×（2.0 + 0.113 + 0.113）× 0.113 = 0.55 m3V = 2 × 1.1 ×（1.4 + 0.113 + 0.113）× 0.113= 0.40 m3V = 0.113 × 2× 3.14 × 1.4 / 6 × 0.113 = 0.33 m3V侧粘 = 2 × 1.1 × 2.0 + 0.113 ×4）× 0.

28、113 = 0.60 m3V前·后粘= 2× 1.1 × (1.4 + 0.113 × 4) = 0.46 m3V顶粘 = 2 × 2 × 3.14 ×（1.4 + 0.113）× 0.113 / 6 = 0.35 m3V = 2 × 1.1 ×2 + 2 ×(0.113 + 0.113 + 0.24)× 0.24 = 1.3 m3V = 2 × 1.1 ×（1.4 + 0.113 × 4 + 0.24 × 2）× 0.24

29、= 1.23 m3V =( 1.4 + 0.113 + 0.24 )× 0.24 × 2.0 × 3.14 × 1 / 6 = 0.88 m3V底粘 = 2.972 × 2.372 × 0.408 = 2.87 m3因为t高铝 =(t0 + t1) / 2= ( 1200 + 1150)/ 2= 1175 t粘 =(t1 + t2) / 2=(1200 + 950)/ 2= 1050 t硅 =( t1 + t3) / 2=（950 + 50）/ 2= 500 由参考文献查得C高铝 = 0.84 + 0.264 × 10-3t

30、高铝 = 1.15 KJ /(kg·)高铝 = 0.23 × 103 = 230 kg / m3由参考文献查得C粘 = 0.837 + 0.264 × 10-3t粘 = 1.11 kJ /(kg·)粘 = 0.2 × 103= 200 kg / m3由参考文献查得C蛭 = 0.657 KJ / (kg·)蛭 = 0.02 × 103 = 20 kg / m3由公式Q蓄 = V粘粘C粘(t粘 to)+ V硅硅C硅(t硅 t0) 可得炉墙及炉顶和炉底蓄热如下：Q蓄1=（V侧粘+ V前·后粘+ V顶粘+V底粘）粘C粘（t

31、粘 t0）+（V侧硅+ V前·后硅+ V顶硅）硅C硅（t硅 t0）+（V+V+V）高铝C高铝（t高铝 t0） =（0.46 + 0.60 + 0.35 + 2.87）× 200 × 1.11 ×( 1050 20 ) +（1.3 + 1.23 + 0.88）× 20 × 0.657 ×(500 20)+（0.55 + 0.60 + 0.33）× 230 × 1.1 5×（1200 20）= 391036.8 + 21507.552 + 978664.8 = 1391209.152 KJ2. 炉底

32、板蓄热炉膛底部至有一块炉底板，炉底板随炉子升温而蓄热，炉底板蓄热与炉底板重量与炉底板材料比热有关根据参考文献得Cr3Si合金钢的比热容分别为：C = 0.494 KJ / (kg·)，= 7.1 g / cm3Q板蓄=G(C板2t1 C板1t0) = 7.1 × 103 × 1.4 × 2.0 × 0.02 × 1200 × 0.494 = 235697.28 KJQ蓄=Q蓄1+Q板蓄 = 1391209.152 + 235697.28 = 1626906.432 KJ3. 空炉升温时间空炉升温时间是指，在没有工件的情况下，

33、将电阻炉加热到额定工作温度的时间。升= Q蓄 / 3600 KP总 = 1626906.432 / 3600 × 1.3 × 152 = 2.28 h 对于一般周期作业炉升温时间在3 8小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。由于蓄热是按稳态传导计算的，有误差存在，故本设计实际升温时间取是3小时左右。8 功率的分配与接线 因为该热处理电阻炉的炉膛宽度B = 1.4 m，为大型箱式炉，功率分配除了在侧墙和炉底之外，还应在炉门口增加一些功率，即在炉长1 / 4 1 / 3处，将功率加大为功率的15 % 25 %左右。本设计功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成YY接线。供电电压为车

34、间动力电网380 V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负击应在15 35 kw / m2之间。 F电 = 2 F电侧 + F电底= 2 × 1.1 × 1.4 + 1.4 × 2.0 = 5.88 m2 W=P安 / F电= 200 / 5.88 = 34.01 KW / m2对于周期式作业炉，内壁表面负击应在15 35kw / m2之间，所以符合条件。9 电热元件材料选择及计算金属电热体材料有合金和纯金属材料两种。电热体要求高的电阻率，电阻温度系数小，材料有足够的耐热性与高温强度，热膨胀系数要小，材料要具有良好的加工性，材料成分要符合

35、国家资源情况，来源容易成本低。由于该热处理炉的最高使用温度为1200，属于高温箱式炉，故选用线状0Cr27Al7Mo2合金作电热元件，接线方式采用YY。1. 求1200 时电热元件的电阻率当炉温为1200 时，电热元件温度取1300 ，经查得0Cr27Al7Mo2在20 时电阻率20 = 1.508 ·mm2 / m，电阻温度系数 = 0.65 × 10-5 -1。t = 20( 1 + t)= 1.508 ×( 0.65 × 10-5× 1300 )= 1.491 ·mm2 / m2. 确定电热元件表面功率由查资料以及该工作表面温度

36、和该电热元件有敞开型和封闭型两种。由参考文献W = 6 W / cm2。3. 每组电热元件功由于采用YY接法，即三相星形接法，每组元件功率：P组= P安 / n = 200 / 6 = 33.3 KW。4. 每组电热元件端电压由于采用YY接法，工作电压为380 V，故每组电热元件端为每相电压U组 =220 V电压即为每相电压U组 = = 220 V。5. 线状电热元件直径:电热元件的直径取决电热体的受热能力，各相的功率，额定电压以及材料的电阻率有关系d = 34.3 × = 34.3 × = 6.3 mm 式中P 每根电热元件的功率。（KJ）W允 电热元件的允许表面负荷（W / cm2）；经查表确定为6。U 每根电热元件的相电压（V）；t 电热元件的电阻率；（·mm2 /