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，并绘出草图。基本技术条件：(1) 用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火;(2) 工作：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m ;(3) 最高工作温度为 950C；(4) 炉外壁温度小于 60 C .(5) 生产率：105Kg/h。设计计算的主要项目：(1 )确定炉膛尺寸；(2) 选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸；(3) 用热平衡法计算炉子功率；(4) 选择和计算电热元件，确定其布置方法；(5) 写出技术规。二、炉型选择根据设计任务给出的生产的特点，选用中温(6501000 C)箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为

2、空气介质。三、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 Po=1OO12OKg/ ( 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)F1可按下式计算：F1Po1051051m2通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.750.85之间选择。炉子小取值小值；炉子大取值大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F为：F-Fl 1.25m20.8 0.8(2 )确定炉膛的

3、长度和宽度炉底长度和宽度之比 L在3/22之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设B计取L 2 ,则炉子炉底长度和宽度分别为：BL . F 251.581m 0.5 V 0.5(3)确定炉膛高度H炉膛高度和宽度之比 在0.50.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计B取中值0.7，则炉膛高度为：0.7B0.7 0.7910.554 m2. 确定实际炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸( 230X113X65mm ),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，进步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，

4、进一步确定炉膛尺寸如下：L(2302)71624mmB(1132)3(110 2) 4793mm(652)837573mm注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。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，应使工件与炉壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸。炉膛有效尺寸确定如下：L 效=1500mmB 效=700mm效=450mm四、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60 C。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

5、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。1. 炉墙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 0.8 )，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 60 C ,应首先求出热流密度，然后计算进行

6、验证。在炉墙壁温度 950 C、炉壳周围空气温度 20 C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 20S1S2S31 ) S1 , S2 , S3 确定Si, S2, 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，则 Si，S2, S3得厚度为：S1 113 2 115mm ；S2 60mm ；S3 230 2 232mm。2)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/m C)；是炉壳对周围空气的综合传热系数(W/m C)。要求出1 , 2 , 3和，首先必须

7、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 850 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 0.8 )的平均导热率为:10.2940.212 10 3tp(tp为平均温度)10.2943 t 彳 to0.212 10 (-2)0.29420.212 10 3(950 850)2=0.485W/m-C求硅酸盐耐火纤维毡的平均热导率硅酸盐耐火纤维毡的平均温度t850620735 C。根据教材附表 4得，密度为350Kg/m 3普通硅酸盐

8、耐火纤维毡 700 C、1000 C的热导率分别为 0.121W/m和0.122W/mC。在700 C 1000 C温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关0.1220.12120.121系。则有：1000700735700求硅藻土砖的平均导热率3，可得A级硅藻土砖的平均热导率为20.121W/m C查教材附表30.1050.23 10 3tpC30.105 0.23 10 3 (5 如)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

9、漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：2950 2001150.060.2321930445.8W/m22.0860.4850.1210.18311.814) 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:相对误差为妇上七2844.3 8508500.67%5%，满足设计要求，不必重算。t2 t1 qS110 115950 445.8844.3 C0.485硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:上2qS22844.3 445.80.0600.121623.2 C ;相对误差为623.2 6206200.52%5%，满足设计要求，不必重算。炉

10、墙外壳温度为:S0 232t4 ta q 3 623.2 445.858 C 60 C ；30.183因炉墙外壳温度小于 60 C，故炉墙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 0.8 )，保温层是厚度60mm、密度350Kg/m 3的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶周围壁温度为 950 C、炉壳周围温度 20 C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 20S2S31 ) S1 ,

11、 S2 , S3 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(m)。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则 S1, S2, S3得厚度为：S1 113 2 115mm ；S2 60mm ； S3 113 2 115mm。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/mC）。要求出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

12、确定查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN 0.8 ）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(勺 屯)0.294 0.212 10 3(950 860) 2 2=0.486W/m C2的确定硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tpt2 t3860 5802720 C。根据教材附表得，密度为350Kg/m 3普通硅酸盐耐火纤维毡700 C、1000 C的热导率分别为 0.121W/m -C和0.122W/mC。在700 C 1000 C温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有:0.122 0.1211000 7002 0.12

13、1720 7002 0.121W/m C3的确定查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为30.04 0.22 10 3tp30.043 z t3 t43 z 580 55、0.22 10( 34 )0.040.22 10()2 2=1.10W/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：2950 2001150.060.11519301.852502.2W/m20.4860.1210.11013.525) 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

14、:相对误差为t2t2t2831.0 8608603.4%5%，满足设计要求，不必重算。t2 t1 qS110 115950 502.2831.0 C0.486硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:t2qS22831.0 502.20.0600.121582 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:t43582 502.20.1150.11057 C60 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。3. 炉底炉衬材料选择及其厚度的计算设炉

15、底的炉衬结构为，耐火层是(65+2 ) X3=201mm厚的轻质粘土砖(QN 0.8 )，保 温层是厚度80mm、密度350Kg/m 3的普通硅酸盐耐火纤维毡和 (113+2 ) + (65+2 ) X2mm 的A级硅藻土砖。在炉底壁温度 950 C、炉壳周围空气温度 20 C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 20S( S2 S311231 ) S1 , S2 , S3 确定S1, S2, S3分别是轻质粘土砖(QN 0.8 )、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)

16、3 201mm:S2 80mm ；S (113 2) (65 2) 2 249mm。1 ,2， 3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻转的平均热导率（W/mC）；是炉炉底壳对周围空气的综合传热系数（W/mC）。要求出i , 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。1的确定查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN 0.8 ）的平均导热率为:10.2940.212 10 3tp（tp为平均温度）10.2940.212 103（20

17、.2940.212 10 3（950 810）2=0.481W/m的确定硅酸盐耐火纤维毡的平均温度t810560685 C。根据教材附表 4查2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 0.081W/m C和0.121W/m C。在400 C 700 C温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有:0.121 0.081700 4000.121 2700 68520.119W/m C3的确定查教材附表3，可A级硅藻土砖的平均热导率为330.105 0.23 10 tp30.105 0.23 10 3 （匕 $）0.105 0.23 10 3

18、（560 55）2 2=0.176W/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，外壳为钢板或涂 灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：2930 356.6W/m22.608t2为:t2 t1 q § 9501356.5 0201 801.0 C0.481相对误差为22801.0 8108101.1%5%，满足设计要求，不必重算。950 20q0.2010.0800.24910.4810.1190.1769.556) 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硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度

19、为:t2801.0 356.6 0080 561.3 C;2 0.119相对误差为561.3 560560炉墙外壳温度为：0.23%5%，满足设计要求，不必重算。S0 249t4 t3 q 3561.3 356.656.8 C 60 C ；3 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。五、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=2.438m2) 炉子外形宽度炉子的外形宽

20、度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为：B外=793+2 X (115+60+232 ) =1609mm=1.607m3) 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、炉底厚度已经求出。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出：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 6

21、0 115) (201 80 249) 67 1566mm 1.566m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。此方法首先需要算出壁和外壁的面积。1 )炉顶平均表面积的确定炉顶壁是弧面，壁面积为：6022F顶外2 R L 3.14 1.624 0.7931.348m'3606炉顶外壁是平面，外壁面积为：2F 顶夕卜 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

22、均.F墙内F墙外. 2H(L B) 2H外(L外B外).2 0.573 (1.624 0.793) 2 1.566 (2.438 1.607)=5.92m 23)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 2.25m2六、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 950 C和20 C时的比热容分别为：C950=0.636kJ/ (kJ C), C20=0

23、.486kW/ (kg C),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 20)105 (0.636 950 0.486 20)=62420.4 kJ/h2) 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散Q顶Q墙Q底q顶F顶均q墙F墙均q底F底均=502.2 X2.30+445.8 X5.92+356.6 X2.25=4596.5W=16547.4kJ/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 3.6CoFt100 100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

24、度的一半,H0.5732故 F B 0.7930.227m ；2 2一一遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为H 0.5732 2它与炉墙厚度之比为0.2870.115 0.060.2320.7 ,查教材图0.287m ,1-14 曲线 1得=0.63 ;t炉门开启率。设装、出料所需时间为每小时6分钟。则炉门开启率为0.1 ;Tg 炉气的热力学温度，为950+273=1223K;Ta 炉外空气的热力学温度，为将上述数据代入公式中，得：Q辐 3.6 5.675 0.227 0.634)开启炉门的溢气热损失对于一般的箱式电阻炉，炉门开启后要吸入冷空气。通常以加热吸入的冷空气所需的热 量为该项

25、热损失，即有：IQ溢 q va a Ca t (Tg Ta )20+273=293K,412230.110042931006514.90kJ/h式中qva 炉子吸入的冷空气量。对空气介质电阻炉，零压面一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:19970.7930.57323242.9m /h20 C冷空气的密度，为1.29kg/m3；Ca 空气在TaTa (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的比热容分别为1.33302kJ/ ( m3 C

26、)和1.3440kJ/ (m3 C)。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有：1.3440 1.3302Ca 1.33023aCa 1.342 kJ /(m C)500 400485 400t 炉门开启率，0.1。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242.9 1.29 1.342 0.1 (640-20) 26071.2kJ/h5)其它热损失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。就箱式电阻炉来说，该项热损失可取以上各项热损失之和的10

27、%- 20%本设计取15%该项热损失为：Q其它°15 (Q件Q散Q辐Q溢)=0.15 X (62420.4+16547.4+6514.90+26071.2)=16733.1kJ/h2. 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=62420.4+16547.4+6514.90+26071.2+16733.仁128287(kw/h )3. 炉子的安装功率上面的炉子输入功率(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出。 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

28、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3600式中一一功率储备系数，对周期作业炉，K=1.31.5。本设计可取1.4。将相关数据代入公式中，可得49.9kW54kW。1.4 128287 P安3600取炉子的安装功率为七、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%Q总62420.4128287100%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围，设计合理。2. 保温

29、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 功率为：P空 Q 散 Q其它 16547.4 叽1 9 24kW 36003600八、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，炉墙两侧各布置1组电热元件，炉底布置 1组电热元件。九、校核炉膛壁表面负荷(选做)54KW功率均匀分

30、布在炉膛两侧及炉底，组成Y接线。供电电压为车间动力电网380V。核算炉膛布置电热元件壁表面负荷，对于周期式作业炉，壁表面负荷在1535之间，常用2025kW/m之间。2F电 2F电测 F电底2 1.624 0.573 0.793 0.573 2.32mP安542W 23.3kW/m2F 电 2.32.3表面负荷在常用的围 2025kW/m之，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950 C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100 C 200 C。当炉膛温度为950 C,电热元件的温度取1100 C。由教材附表 12得，0Cr25Al5合金20 C时的电阻率25120 1.40mm2/m，电阻温度系数4 10 5 C 1,则1100 C时电热元件的电阻率为：52110020(1 t) 1.40 (1 4 101100)1.46 mm /m3. 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。4. 每组电热元件的功率和