热处理电阻炉设计

1、热处理电阻炉设计一、设计任务设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目并绘岀草图 基本技术条件：用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火； 工作：中小型零件，小批量多品种，最长；最高工作温度为 950 C ;炉外壁温度小于 60 C.生产率：105Kg/h。设计计算的主要项目：确定炉膛尺寸；选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸；用热平衡法计算炉子功率；选择和计算电热元件，确定其布置方法；写出技术规范。炉型选择6501000 C )箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护根据设计任务给出的生产的特点，选用中温( 气氛，为空气介质。确定炉膛尺寸1.理论确定炉膛尺寸(1 )确定炉底总面积炉底总面积的确定方法有

2、两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产效率P=105Kg/h。按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率P0=100120Kg/ ( m2 h)。因此，炉子的炉底有效面积(即可以摆放工件的实际面积)Fi可按下式计算：Fi1m2通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在之间选择。炉子小取值小值；炉子大取值大值。本设计取中值，则炉底总面积F为：F 旦丄 1.25m20.8 0.8(2 )确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比 -在3/22之间选择。考虑到炉子使用时装、岀料的方便，本设计取 - 2BB则炉子炉底长度和宽度分别为：1.5

3、81mL1.581B -20.791m2(3)确定炉膛高度H炉膛高度和宽度之比在之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计取中值，则炉膛B高度为：H 0.7B0.7 0.7910.554m2确定实际炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸（230X 113X 65mm，并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度2mm），上下砖体应互相错开以及在炉底方面布置电热元件等要求，进一步确定炉膛 尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：L(2302)71624 mmB(1132)3(110 2) 4 793mmH(652)837573mm注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛

4、尺寸不要差别太大。3.确定炉膛有效尺寸为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：L 效=1500mmB 效=700mmH 效=450mm炉衬材料的选择及其厚度的确定炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60C。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。炉墙

5、炉衬材料的选择及其厚度的计算炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN），保温层是 60mm厚、密度为350Kg/m 3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的A级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表 3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足墙外壁温度小于 60C，应首先求岀热流密度，然后计算进行验证。在炉墙内壁温度 950 C、炉壳周围空气温度20C的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：950 20q Sk鱼S3丄123S1，S2，S3 确定S1，S2

6、，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的厚度（m）。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，贝U Si，S2，S3得厚度为： 113 2 115mm ；S2 60mm ；S,230 2 232mm2)1 ,2，3 , 的确定1 , 2 , 3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和 A级硅藻土砖的平均热导率（W/mC）；是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m C）要求岀1 ,2 ,3和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2850 C ,硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度t3 620 C，炉墙外壳温度t4 55 C 60 C。如图所示：求

7、轻质粘土砖的平均热导率查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN ）的平均导热率为：1 0.294 0.212 10 3tp（tp 为平均温度）1 0.294 0.212 10 3（匕 匕）0.294 0.212 10 3（950 850）2 2=m C求硅酸盐耐火纤维毡的平均热导率I I硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp 妇主 850 620 735 C。根据教材附表4查得，密度p 2 2为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700 C、1000 C的热导率分别为 m C和m C。在700 C1000 C温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：0.122 0.121 2 0.12110

8、00 700735 70020.121W/m C求硅藻土砖的平均导热率 查教材附表3，可得A级硅藻土砖的平均热导率为33 0.105 0.23 10 tp30.105 0.23 10 3 （$ 直）0.105 0.23 10 3 严° 55）0.183W/m C2 2求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为 55 C，周围空气为20 C时，由教材附表 2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面 时，对周围空气的综合传热系数为：211.81W/m C3）求热流密度将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：9302445.8W/m2.086950 200.115_0T06_0

9、.232V0.4850.1210.18311.81验算各界面和炉墙外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为:上2t1 q 色 950 445.8 0115 844.3 C1 0.485相对误差为t2 t2t2844.3 8508500.67%5%，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:t3844.3 445.80.0600.121623.2 C;623.2 6206200.52%5%，满足设计要求，不必重算。炉墙外壳温度为:t4623.2445.80.2320.18358 C60 C ;因炉墙外壳温度小于60 C，故炉墙炉衬材料

10、及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60 C，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉顶的炉衬结构为：耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN）,保温层是厚度 60mm、密度350Kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶周围内壁温度为950C、炉壳周围温度 20C的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：950 20S1 S2 S311231） S1，&，S 确定S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度（ 间2mm的砌缝宽度，贝U S1，S2，S3得厚度为：m ）。若考

11、虑它们之S1 113 2 115mm ；S2 60mm ；S3113 2 115mm2）的确定1 ,2 ,3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/mC）；是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/m C）。要求岀 1 , 2 , 3和 ，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2 860 C，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3 580 C，炉顶外壳温度t455 C 60 C。1的确定查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN ）的平均导热率为：1 0.2940.212103tp（tp 为平均温度）i 0.2940.2121

12、03（匸 匕）0.2940.212 10 3（950860）2 2=m C2的确定I I硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp 妇一 860 580 720 C。根据教材附表 4查得，密度p 2 2为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700 C、1000 C的热导率分别为 m C和m C。在700 °C1000 C温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：0.122 0.1212 0.1212 20.121W/m C1000 700720 7003的确定查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为33 0.04 0.22 10 tp3 t3 t43 580 553 0.04

13、0.22 10 3 （-4）0.040.22 10 3 （）2 2=m C的确定当炉顶外壳温度为 55 C，周围空气为20 C时，由教材附表 2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面 时，对周围空气的综合传热系数为：13.52W/m2 C3）热流密度的计算将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：9302502.2W/m1.852950 200.115_016_0.115r0.4860.1210.11013.52验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为:上2t1 q 色 950 502.2 0115 831.0 C10.486相对误差为t

14、22t2831.0 8608603.4%5%，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:t3831.0 502.20.0600.121582 C;相对误差为582 5805800.32%5%，满足设计要求，不必重算。炉顶外壳温度为:t4582 502.2 0115 57 C0.11060 C ;因炉墙外壳温度小于60 C,故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60 C，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。炉底炉衬材料选择及其厚度的计算设炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2） X 3=201mm厚的轻质粘土砖（QN）,保温层是厚度80mm、密

15、度350Kg/m 3的普通硅酸盐耐火纤维毡和（113+2） + （65+2） X 2mm的A级硅藻土砖。在炉底内壁温度 950 C、炉壳周围空气温度20C的稳定导热条件下，通过炉底向周围空气散热的热流密度为：950 20S1 S2 S311231）Si，q，Sb 确定S1，S2，S3分别是轻质粘土砖（QN）、普通硅酸盐耐火纤维毡和膨A级硅藻转的厚度（m）。若考虑它们之间 2mm的砌缝宽度，则 S1，S2，S3得厚度为：S1（65 2）3201mm :S280mm ； Ss（113 2） （65 2） 2 249mm2）1，2，3， 的确定3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻转的平均热

16、导率（W/m C）；是炉炉底壳对周围空气的综合传热系数(W/m C)。要求岀 1 , 2 , 3和 ，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2 810 C，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3 560 C，炉底外壳温度t455 C 60 C。i的确定查教材附表3，可得轻质粘土砖(QN )的平均导热率为：10.294 0.212 10 3tp(tp 为平均温度)3 t1 t23 950 81010.294 0.212 10 (-2)0.294 0.212 10 ()2 2=m C2的确定硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp810 5602685

17、C。根据教材附表 4查得，密度为350Kg/m 3普通硅酸盐耐火纤维毡400 °C、700 °C的热导率分别为m C 和 m C。在 400 C 700 C温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：20.119W/m C0.121 0.081 0.121 2700 400700 6853的确定查教材附表3，可A级硅藻土砖的平均热导率为33 0.105 0.23 10 tp七3 七43. 560 5530.105 0.23 10(-4)0.105 0.23 10()2 2=m C的确定当炉顶低壳温度为 55 C，周围空气为20 C时，由教材附表 2可查得，外壳

18、为钢板或涂灰漆表面 时，对周围空气的综合传热系数为：29.55W/m C3) 热流密度的计算将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为:950 200.201 _0.080_0.249129308 3566W/m20.4810.1190.1769.55验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为:qS 9501356.5 0201 801.0 C0.481相对误差为t2 t2七2801.0 8108101.1%5%，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:t3 t2801.0 356.62啤 561.3 C；

19、0.119卜t3l561.3 560| t3丨560相对误差为0.23%5%，满足设计要求，不必重算。炉墙外壳温度为:七4 七3 q S3 561.330 249356.656.8 C 60 C ;0.176因炉墙外壳温度小于60 C，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60 C，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。炉子外形尺寸的确定1) 炉子外形长度炉子的外形长度为炉膛长度加上两倍炉墙厚度，其值为:L外 1624+2 X( 115+60+232 ) =2438mm=2) 炉子外形宽度炉子的外形宽度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为:B外 =793+2 X( 11

20、5+60+232 ) =1609mm=3) 炉子外形高度炉子的外形高度有以下五部分组成(图5-8右图)：炉墙高度、拱顶高度、炉顶厚度。炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。其中炉膛高度、炉底厚度已经求岀。若陆主席采用60°标准拱顶，取拱弧半径R=B,则拱顶高度可由下式求岀：f R(1 cos30 )793 (1 cos30 )106mm为了方便砌筑，预留安装电热组件所需要的高度及炉底板厚度可取65+2=67mm。综合以上五个部分的高度，炉子外形高度为：H 外 573 106 (115 60 115) (201 80 249) 67 1566mm 1.566m砌体平均表

21、面积的计算炉子砌体平均表面积的计算方法有两种：算术平均值和几何平均值。本设计采用几何平均值计算法。此方法首先需要算岀内壁和外壁的面积。1) 炉顶平均表面积的确定炉顶内壁是弧面，内壁面积为：6022F顶外2 R L 3.14 1.624 0.7931.348m3606炉顶外壁是平面，外壁面积为：2F 顶外 L 外 B外 2.438 1.6073.918m则炉顶平均面积为：F顶均.F顶内F顶外1.348 3.918 2.30m22) 炉墙平均表面积的确定炉墙包括两侧墙和前、后墙。为简化简化计算，将炉门视为前墙，则炉墙平均面积为:F墙均.F墙内F墙外.,2H(L B) 2H外(L外B外)2 0.57

22、3 (1.624 0.793) 2 1.566 (2.438 1.607)3) 炉底平均表面积的确定炉底平均面积为：F底均. F底内 F底外.(B L)( B外 L外)=0.793 1.624 1.607 2.438 2.25m2炉子的主要能量消耗项热平衡计算法是根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则。来确定炉子功率的方法。1.炉子的主要能量所需要的热量1)加热工件所需要的热量由教材附表6查得，低合金钢在 950C和20C时的比热容分别为：C950= ( kJ- C)，C20= ( kgC)，热处理炉的生产率P=105kg/h,则加工所需要的热量为;Q件P (C950 950 C20

23、20) 105 (0.636 950 0.486 20)=kJ/h通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失包括炉顶、炉墙和炉底三部分，有:Q页Q墙Q底q顶F顶均q墙F墙均q底F底均22=X +X +X =h3)开启炉门的辐射热损失 这部分热损失可由下式求得:Q 辐 3.6C 0 F41004100式中C0 黑体辐射系数F炉门开启面积。炉子正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半,故 F B H 0.793 05730.227m2 ；项热损失可取以上各项热损失之和的10%20%。本设计取15%，该项热损失为:H o 573遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为0 287m ,2 20 287它

24、与炉墙厚度之比为0.7,查教材图1-14曲线10.115 0.06 0.232=；t炉门开启率。设装、岀料所需时间为每小时6分钟。则炉门开启率为;Tg 炉气的热力学温度，为950+273=1223K;Ta 炉外空气的热力学温度，为20+273=293K,将上述数据代入公式中，得:Q辐 3.6 5.675 0.227 0.63 0.112231002931006514.90kJ/h4）开启炉门的溢气热损失通常以加热吸入的冷空气所需的热量为该项对于一般的箱式电阻炉，炉门开启后要吸入冷空气 热损失，即有：Q溢q vaa Ca t(TgTa) 式中qva 炉子吸入的冷空气量。对空气介质电阻炉，零压面一

25、般位于炉膛高度的一半（零压面在炉门开启高度中分线）。由教材（5 8）式得：H H0.5730.5733 亠qva 1997 B . 1997 0.793242.9m /h2 2 2 2a 20C冷空气的密度，为 m3 ；热八、Ca空气在 Ta Ta （即20950 C ）温度之间的平均比热容。就本设计来说，是平均温度（950+2 ） /2=485 C的比热容。查附表10 可知，空气在 400 C、500 C的比容分别为（ 系，即有：m3 C )和（m3 c )。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关1.34401.3302Ca1.33023Ca 1.342kJ/(m C)500400485

26、400t 炉门开启率,Tg 溢气温度（见教材74页），近似为：2c2Ta Tg Ta（950 20） 20 640 C3 3将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：Q溢 2429 1.29 1.342 0.1 （640 - 20） 26071.2kJ/h5）其它热损失就箱式电阻炉来说， 该此项热损失包括未考虑的各种热损失和一些不易精确计算的各种热损失。Q其它°15（Q件Q散Q辐Q溢）=x（ +）=h炉子的理论输入功率根据热平衡计算法，在理论上炉子的输入功率应为上述各项能量消耗的总和，即：Q总 Q件 Q散 Q辐Q溢 Q其它=+=128287 （kw/h ）炉子的安装功率上面的炉子

27、输入功率（即各项能量消耗总和）是维持炉子正常工作必不可少的热量支岀。但在实际生产中还要考虑一些具体情况，如炉子长期使用后炉衬局部损坏会引起热损失增加，电压波动、电热组件老化会引起炉子功率下降，有时工艺制度变更要求提高炉子功率。这些具体情况要求功率应有一定的储备，炉子的实际功率应比理论计算功率大，因此炉子的安装功率为：KQ总3600K=。本设计可取。式中功率储备系数，对周期作业炉, 将相关数据代入公式中，可得1.4 128287P安49.9kW3600取炉子的安装功率为 54kW。炉子热效率的计算1.正常工作时的热效率由教材5 12式得，炉子正常工作时的热效率为:100%62420.412828

28、7100%48.7%一般电阻炉的热效率在 30%80%之间。本设计的炉子热效率在此范围内，设计合理 保温时关闭炉门的热效率保温关闭炉门时，无辐射热损失和溢气热损失，此时炉子的热效率为：Q件Q总-（Q辐Q溢）100%62420.4128287 6514.90 26071.2100% 65.2%3.炉子空载功率的计算功率为:炉子空载时，能量消耗只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此时炉子的P空。散 Q 其它 16547.4 省733*19 24kW36003600八、功率的分配和接线方法炉子的安装功率为54kW。电热元件采用三相星形接法，也称“Y”接法。即将电热元件分为3组，每组18kW，炉

29、墙两侧各布置 1组电热元件，炉底布置 1组电热元件。校核炉膛内壁表面负荷（选做）54KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成丫接线。供电电压为车间动力电网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，内壁表面负荷在1535之间，常用2025kW/m 3之间2F电 2F电测 F电底 2 1.624 0.5730.793 0.5732.32mP安542W 23.3kW/m2F 电2.32表面负荷在常用的范围2025kW/m 3之内，故符合设计要求。十、电热元件材料的选择和理论计算1. 电热元件材料的选择炉子的最高使用温度为950 C,可选用0Cr25AI5 (即FeCrAI)合金丝材，绕制成螺旋管状作为电热元件。2. 炉膛950C时电热元件的电阻率炉子正常使用时，电热元件的温度比炉膛温度高100C 200 C。当炉膛温度为 950C，电热元件的温度取1100C。由教材附表12得，0Cr25Ai5合金20C时的电阻率 20 1.40mm2/m，51电阻温度系数 4 10 C ，则1100C时电热元件的电阻率为：110020(1 t) 1.40 (14 10 5 1100)1.46 mm2/m确定电热元件的表面负荷由教材图5 3(a),根据设计的炉子的工作条件，取电热元件的允许表面负荷W允 1.6W/cm2。每