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 950 ；（ 4）炉外壁温度小于 60 .（ 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）写出技术规范。二、炉型选择根据设计任务给出的生产的特点，选用中温（ 6501000 ）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛

2、，为空气介质。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P 0=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）F1 可按下式计算：F1P1051m2P0105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：FF111.25m20.

3、80.8（ 2）确定炉膛的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 L2 ,则炉子炉底长度和宽度分别为：BF1.25L1.581m0.50.5L1.581B0.791m22.（ 3）确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比H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：H0.7B0.70.7910.554m2.确定实际炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸（230×113×65mm ），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

4、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)71624mmB(1132)3(1102)4793mmH(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 。由于炉子外壁和周围

5、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。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

6、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 ，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。在炉墙内壁温度 950 、炉壳周围空气温度 20 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：q95020S1S2S311231）S1，S2，S3 确定.S1， 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S1 ，S 2，S 3 得厚度为：S11132115mm ；S260mm；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

7、热导率（W/m · ）；是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m · ）。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t2'850 C ，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度 t3'620C ，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：10.2940.21210 3t p (t p为平均温度）10.2940.21210 3 ( t1t2') 0.2940.212 10 3 ( 950 8

8、50)22=0.485W/m · 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t 2't3'850 620C 。根据教材附表 4查t p73522得，密度为 350Kg/m 3 普通硅酸盐耐火纤维毡700 、1000 的热导率分别为 0.121W/m ·和 0.122W/m ·。在 700 1000 温度范围内， 可近似认为其平均导热率与温度成线0.1220.12120.121性关系。则有：10007007352 0.121W / m C700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330.1050.231

9、0 3 tp0.1050.2310 3(t3't 4')0.105 0.23 10 3 ( 620 55) 0.183W / m C22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 ，周围空气为 20 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：11.81W / m2C3) 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：q0.115950201930445.8W / m20.060.2322.0860.4850.1210.18311.814）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

10、维毡之间的界面温度2 为：tt2 t1q S1950445.80.115844.3 C10.485相对误差为 t2t2'844.38500.67% 5% ，满足设计要求，不必重算。t2'850硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t2 q S2844.3445.80.060623.2 C ;20.121相对误差为 t3t3'623.26200.52%5% ，满足设计要求，不必重算。t3'620炉墙外壳温度为：t4t3 q S3623.2445.80.23258 C60 C；30.183因炉墙外壳温度小于60 ，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。

11、若实际计算后，外壳温度大于60 ，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。在炉顶周围内壁温度为 950 、炉壳周围温度 20 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：q95020S1S2S311231）S1，S2，S3 确定S1， S 2， S 3 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 S 1 ， S2， S3

12、得厚度为：S11132115mm ；S260mm；S3 113 2 115mm。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膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m · ）；是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（ W/m · ）。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 t4'55C 60C。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

13、.2940.21210 3t p (t p为平均温度）10.2940.21210 3 ( t1t2') 0.2940.212 10 3 ( 950 860)22=0.486W/m · 2 的确定硅酸盐耐火纤维毡的平均温度t2't3'860 580C 。根据教材附表 4查t p72022得，密度为 350Kg/m 3 普通硅酸盐耐火纤维毡700 、1000 的热导率分别为 0.121W/m ·和 0.122W/m ·。在 700 1000 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：0.1220.12120.1210.121W

14、 / m C100070072027003 的确定查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为30.040.2210 3t p30.040.2210 3 ( t3't4')0.04 0.22 10 3 ( 580 55)22=1.10W/m · 的确定当炉顶外壳温度为 55 ，周围空气为 20 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 / m2C3) 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：q0.115950201930502.2W / m20.060.1151.8520.4860.12

15、10.11013.525）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2 为：tt2 t1q S1950502.20.115831.0 C10.486相对误差为 t2t2'831.08603.4% 5% ，满足设计要求，不必重算。t2'860硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t2 q S2831.0 502.20.060582C;20.121相对误差为 t3t3'5825800.32%5% ，满足设计要求，不必重算。t3'580炉顶外壳温度为：t4t3 q S3582502.20.11557 C60 C；3

16、0.110因炉墙外壳温度小于60 ，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 ，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底的炉衬结构为，耐火层是（65+2 ）×3=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 ）×2mm的 A 级硅藻土砖。在炉底内壁温度 950 、炉壳周围空气温度 20 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：q95020S1S2S311231）S1，S2，S3 确定S1，S

17、2，S 3 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 ， S 3 得厚度为：S1(652)3201mm：S280mm；S3(1132)(652)2249mm。.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 级硅藻转的平均热导率（W/m · ）；是炉炉底壳对周围空气的综合传热系数（ W/m · ）。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 t2'810 C ，硅酸盐耐火纤

18、维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3'560 C ，炉底外壳温度 t4'55C 60C。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：10.2940.21210 3t p (t p为平均温度）10.2940.21210 3 ( t1t2') 0.2940.212 10 3 (950 810)22=0.481W/m · 2 的确定t pt2't3'810560C 。根据教材附表4 查硅酸盐耐火纤维毡的平均温度26852得，密度为 350Kg/m 3 普通硅酸盐耐火纤维毡400 、700 的热导率分别为 0.081W/m&#

19、183;和 0.121W/m · 。在400 700 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：0.1210.0810.121220.119W / mC7004007006853 的确定查教材附表3，可 A 级硅藻土砖的平均热导率为330.1050.2310 3 tp0.1050.2310 3(t3't 4')0.105 0.23 10 3 ( 560 55)22=0.176W/m · 的确定当炉顶低壳温度为 55 ，周围空气为 20 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：9.55W / m2C3)

20、 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：q0.201950201930356.6W / m20.0800.2492.6080.4810.1190.1769.556）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2 为：tt2 t1q S1950356.50.201801.0 C10.481相对误差为 t2t2'801.08101.1% 5% ，满足设计要求，不必重算。t2'810硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：t3t2 q S2801.0356.60.080561.3 C ;20.119相对误差

21、为 t3t3'561.3 5600.23%5% ，满足设计要求，不必重算。t3'560炉墙外壳温度为：t4t3 q S3561.3356.60.24956.8 C 60 C；30.176因炉墙外壳温度小于60 ，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 ，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 ×（ 115+60+232 ） =2438mm=2.438m2）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

22、×（ 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：fR(1cos30 )793(1cos30 )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(11560115)( 20180249)671566mm1.5

23、66m2.砌体平均表面积的计算.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。此方法首先需要算出内壁和外壁的面积。1）炉顶平均表面积的确定炉顶内壁是弧面，内壁面积为：F 顶外602 R L23.14 1.6240.793 1.348m23606炉顶外壁是平面，外壁面积为：F 顶外L外B外2.4381.6073.918m2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 (LB) 2H（L 外B外）外20.

24、573(1.6240.793)21.566(2.4381.607)=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（BL）（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 和 20 时的比热容分别为：C950 =0.636kJ/ （ kJ· ）， C20 =0.486kW/ （ kg · ），热处理炉的生产率P=105kg/

25、h,则加工所需要的热量为；Q件P（C950950C2020)105(0.6369500.48620)=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 ×2.30+445.8 ×5.92+356.6×2.25=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：.44TgTaQ辐 3.6C 0 F t100100式中 C 0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 FBH0.79

26、30.5730.227m2 ；22遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为H0.57320.287m ，0.2872它与炉墙厚度之比为0.7 ，查教材图 1-14曲 线 10.1150.060.232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20+273=293K,将上述数据代入公式中，得：44Q辐3.65.675 0.2270.630.112232936514.90kJ / h1001004）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

27、冷空气。 通常以加热吸入的冷空气所需的热量为该项热损失，即有：Q溢qva a Ca t (Tg'Ta )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：qva1997 B HH19970.793 0.5730.573242.9m3 / h2222a 20 冷空气的密度，为1.29kg/m 3；Ca 空气在Ta T a （即 20950 ）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 的比热容。查附表 10 可知，空气在400 、 500 的比热容分别为 1.33302

28、kJ/（ m3· ）和 1.3440kJ/（m 3· ）。可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有：1.34401.3302Ca1.3302C a 1.342kJ /( m3C )500400485400t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 C33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 1.3420.1 （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

29、说，该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：Q其它0.15 （Q件Q散Q辐Q溢）=0.15 ×（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+16733.1=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

30、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P安3600式中功率储备系数，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1.412828749.9kWP安3600取炉子的安装功率为54kW 。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：Q件100%62420.4100%48.7%Q总128287一般电阻炉的热效率在30% 80% 之间。本设

31、计的炉子热效率在此范围内，设计合理。2.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）100%62420.4Q辐100% 65.2%Q总 -Q溢128287 6514.90 26071.23.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 16733.19.24 kW36003600八、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

32、元件。九、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内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷在15 35 之间，常用320 25kW/m 之间。F电2F电测F电底2 1.624 0.5730.793 0.573 2.32m2WP安5423.3kW / m2F电2.323表面负荷在常用的范围20 25kW/m 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 ，可选用0Cr25Al5 （即 FeCrAl ）合金丝材，绕制成螺旋管状作为电热元件。2.炉膛 950 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100 200 。当炉膛温度为950 ，电热元件的温度取1100 。由教材附表12 得， 0Cr25Al5合金20 时的电阻率201.40mm2 / m ，电阻温度系数410 5 C 1 ,则 1100 时电热元件的电阻率为：110020 (1t)1.40(1410 51100)1.46mm2 / 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