外热式盐浴炉课程设计书-童帅

1、 热处理炉课程设计 炉型：外热式中温盐浴炉 学 院 材料与冶金学院 专 业 2009级金属材料工程02班 学 号 200912137011 _ 学生姓名 童帅 _ 指导教师 沈冬冬 _ 日 期 2012年5月 目录 目录1 前言2一、 设计任务书3二、 炉型选择4三、 确定炉体结构和尺寸4四、 炉子功率计算5五、空炉升温时间计算7六、功率分配与接线9七、电热元件材料选择及计算9八、 炉子技术指标（标牌）10 设计小结11 参考文献11 前言金属热处理是将固态金属通过特定的加热和冷却方法，使之获得工程技术上所需性能的一种工艺过程的总称。热处理之所以能获得这样的效果，是因为固态金属在温度（也包括压

2、力）改变时，其组织和结构会发生变化，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。热处理设备是对工件进行退火、回火、淬火、加热等热处理工艺操作的设备。热处理炉的种类很多，不同工业部门所使用的炉型不同。冶金部门常用的炉型有台车式炉、罩式炉、辊底式炉等，机械制造部门常用的炉型有箱式炉、井式炉、盐浴炉、气体渗碳炉等。为了便于分析比较，常按如下特征进行分类。1、 按热能来源分：电阻炉、燃料炉。2、按工作温度分：低温炉、中温炉、高温炉。3、按炉膛介

3、质分：自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。4、按作业规程分：周期作业炉、连续作业炉。5、按生产用途分：退火炉、淬火炉、回火炉、正火炉、渗碳炉、氮化炉。 6、按电源频率分：工频炉、中频炉、高频炉。热处理设备是对工件进行退火、回火、淬火、加热等热处理工艺操作的设备.盐浴炉指用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、

4、退火、回火、 氰化、 时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。盐浴炉分内热式和外热式两大类。外热式盐浴炉有以下特点：其优点：1.不需昂贵的变压器； 2.启动操作方便。当然外热式中温盐浴炉也有其不足之处：1.必须使用坩埚加热，热惰性大； 2.坩埚内外温差大（100150C）； 3.使用温度不能太高，一般在900C以下，限制了使用范围。 一、任务设计书 学号：200912137011 材料与冶金学院 专业班级：金属材料工程0902班 姓名：童帅一、基本条件1.外热式中温盐浴炉2.用途：金属零件在盐浴中作淬火加热、液体碳氮共渗、等温淬火冷却

5、、回火等热处理3.用最高工作温度：900C4.炉壁外壳温度60C5.坩埚有效尺寸：3004006.空炉升温时间：3小时7.电源：单相，220V二、设计要求 设计分工1 砌体部分 2坩埚、电热元件及接线部分、炉壳构架、排烟罩3. 标定主要技术数据（1）额定功率 （2）额定电压 （3）额定温度 （4）电源相数（5）炉膛有效尺寸 （6）炉膛尺寸 （7）外形尺寸 （8）空炉升温时间 （9）设计用盐 （10）抽风罩 （11）接线方法三、提交资料（1）纸质和电子版本的设计计算说明书，规格：A4（2）纸质和电子版本的炉子总图(Auto CAD绘制)，幅面：A1二、 炉型选择根据设计任务书要求，选择外热式盐浴

6、炉，不通保护气氛。三、 确定炉体结构和尺寸1、坩埚尺寸及盐的确定根据任务书要求，坩埚有效尺寸：300400，为防止盐浴炉在工作中盐溢出，设定上溢距离为100mm，则坩埚尺寸即定为300500。由于任务书要求额定温度为900C，故坩埚材质选择耐热钢，厚度定为20mm。查【1】P189附表14，选择100%NaCl作为热处理盐，其熔点为810C，使用温度为8501100C，可以满足热处理要求。2.砌体尺寸的确定由于坩埚为圆柱状，故可设计炉体为圆柱状，从而减少热量散失。考虑到坩埚和耐火砖之间需要安装加热元件，为避免坩埚碰到加热元件，同时综合考虑扇形砖标准，将炉体耐火砖层内径定为420mm。此时坩埚外

7、壁与耐火砖距离为90mm。参考【1】P191附表18，根据任务书要求额定温度，确定耐火层和保温层厚度：耐火层选择轻质耐火粘土砖(QN-0.4)，其厚度定为90mm保温层选择膨胀珍珠岩，其厚度定为195mm或普通硅酸盐，密度为350kg/m 由此即可确定炉体尺寸：耐火层：内径D砖内=420mm，外径D砖外=420+290=600mm保温层：内径D珍内=D砖外=600mm，D珍外=600+2195=990mm 根据坩埚深度和扇形耐火砖尺寸标准，同时考虑到加热元件的合理安装，确定炉侧墙耐火层高度：h侧砖=10(65+2)=670mmh侧珍=670+2(65+2)=804mmh底砖=2(65+2)=1

8、34mmh底珍=150mmh盖硅=220mm炉体外壳用5mm厚钢板封装。四、 炉子功率计算1、通过炉衬的散热损失 炉衬散热损失计算公式【1】P8式(1-15)和P9式（1-19） （1） 任务书要求炉壳温度不超过60C，故可设为t3=60C，环境温度为20，查【1】P180附表2可得=12.17 W/(mC) 由任务书要求最高温度为900C虑到盐浴炉坩埚内外温度相差比较大，可设定跟过外温度为t1=900C 由前面设计可知,s1=0.09m，s2=0.195m 由【1】P6公式(1-7)可知 为了计算，先设t2=750C， 查【1】P181附表3，可知: 轻质粘土砖（QN-0.4） 1=0.08

9、+0.2210-3t W/(mC) 膨胀珍珠岩 2=0.04+0.2210-3t W/(mC) 分别代入(1-7)式得： 1=0.08+0.2210-3(900+750)/2=0.262 W/(mC) 2=0.04+0.2210-3(750+60)/2=0.129 W/(mC) 由q=(t1-t4)/(s1/1+s2/2+1/) =(900-20)/(0.090/0.262+0.195/0.129+1/12.17)=454.238W/m t2=900-454.2380.090/0.262=744.0C t2的设定值与计算值误差百分率： (750-744.0)/750100%=0.8%5% 合格

10、， 说明所设t2=750C合适。 验算炉壳温度： t3=t2-qs2/2=744.0-454.2380.195/0.129=57.4C60C计算结果：q墙=454.238W/m2，t2=744.0C，t3=57.4C (2)由前面设计过程可得到t1=900C，t4=20C， 设定t3=60C，s1=134mm，s2=150mm。 由【1】P6公式(1-7) 可知 为了计算，先设t2=650C，查【1】P181附表3，可知: 轻质粘土砖（QN-0.4） 1=0.08+0.2210-3t W/(mC) 膨胀珍珠岩 2=0.04+0.2210-3t W/(mC) 分别代入(1-7)式得： 1=0.0

11、8+0.2210-3(900+650)/2=0.251 W/(mC) 2=0.04+0.2210-3(650+20)/2=0.114 W/(mC) q=(t1-t4)/(s1/1+s2/2+1/) =(900-20)/(0.134/0.251+0.150/0.114+1/12.17)=455.528W/m t2=900-455.5280.134/0.251=656.8C t2的设定值与计算值误差百分率：(656.8-650)/650100%=1.05%5% 合格， 说明所设t2=650C合适。 验算炉壳温度： t3=t2-qs2/2=656.8-455.5280.150/0.114=57.4C

12、60C 计算结果：q=455.528W/m t2=656.8C t3=57.4C (3)通过炉盖热量散失： 由前面设计过程可得到t1=900C，t3=20，s=210mm。 为了计算，查【1】P181附表4，可知: 当=350kg/m时，700C的=0.121 W/(mC) 1000C的 =0.122 W/(mC)用(700-900)/(0.121-)=(900-1000)/(-0.122)求得900C时的值约为=0.122 W/(mC) 由q=(t1-t3)/(s/+1/) =(900-20)/(0.220/0.122+1/12.17)=466.733 W/m t2=t1-qs/=900-4

13、66.7330.220/0.122=58.4C60C 合格 计算结果：q顶=466.733 W/m，t2=58.4C2、功率计算： 由【1】P101式（7-5） P=P0vt P为盐浴炉功率，P0为单位容积功率，vt为熔盐工作温度下体积 Vt=r+rh=2/33.140.15+3.140.150.4=35.325dm 由【1】P101表7-3 取P0=0.6kW/dm 即 P=P0vt=35.3250.6=21.195kW 与标准炉相比较，取炉子功率为25kW。五、 空炉升温时间计算1、炉衬蓄热计算： 查【1】P181附表3 砖=0.4g/cm C砖=0.84+0.2610-3t kJ/(kg

14、C) 膨胀珍珠岩取珍=0.2g/cm，C珍太小可以忽略不计 (1)炉墙体积： =(0.3-0.21)0.670=0.0966m=(0.495-0.3)0.670+2(0.065+0.002)=0.391m (2)炉底体积：=rh=3.140.30.134=0.038m=rh=3.140.4950.15=0.115m (3)炉墙及炉底蓄热： 由于膨胀珍珠岩的比热容太小，以致其蓄热量小可以忽略不计。 Q蓄1=0.09660.4100.84+0.2610-3(900+744.0)/2(900- 744.0)+0.0380.4100.84+0.2610-3(900 +656.8)/2 (900-656

15、.8)=10204.97kJ2、盐吸热： V0=r+rh=2/33.140.15+3.140.15(0.4-0.15)=0.025m 查【1】P100表7-1及P189附表14 工作=1600kg/m C固=0.837kJ/(kgC) C液=1.089kJ/(kgC) 熔=669.9kJ/kg t熔点=810C Q盐=m(Ct-Ct0)+熔 =工作V0C液(t1- t熔)+C固(t熔-t3)+熔 =16000.0251.089(900-810)+0.837(810-20)+669.9 =57165.6kJ3、坩埚吸热：查【1】P183附表6可得耐热钢比热容50100C时为0.410 kJ/(k

16、gC)850900C时为0.737 kJ/(kgC)坩埚的质量：m=V=(r外-r内)+h(r外-r内) =7.810(3.14(0.17-0.15)+3.14(0.400-0.150)(0.17-0.15) =64.30kgQ坩=m(Ctt-C0t0)=64.30(0.737900-0.41020)=42122.93kJ4、总蓄热量 Q蓄=Q蓄1+Q盐+Q坩=10204.97+57165.6+42122.93=109493.5kJ5、空炉升温时间： 由【1】P58式（5-13） s=Q蓄/3600/Pa=109493.5/3600/25=1.22h任务书要求空炉升温时间小于3h，故该设计合理

17、。六、功率分配与接线25kW功率均匀分布在炉膛周围，供电电压为单相220V电压。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kW之间，常用2025kW之间。 W=P安/F电=25/0.8348=29.9kW/m 表面负荷在1535kW/m之间，故符合设计要求。七、电热元件材料选择及计算电热元件的工作温度一般比炉温高100200C，由于额定使用温度为900C，故设电热元件工作温度为1100C，由【1】P188附表12，选取0Cr25Al5作为电热材料。1、 用图表法： 由【1】P190附表15查得0Cr25Al5的电热元件25kW单相接线，有 d=8.0mm，表面

18、负荷w=1.52W/cm，元件总长度为64.8m，元件总质量为G总=23.1kg 2、电热元件在炉膛内的布置 将电热元件每组分为6折，布置在炉墙周围。则有 L折=64.8/6=10.8m 布置电热元件的炉墙长度 丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000C时，由【1】P65表5-5查得，螺旋节径D=(46)d 取D=6d=6X8=48mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为 N=L折/D=10.8/3.14/40X1072圈 h=L/N=1320/72=18.32 h/d=18.32/8=2.29 按规定，h/d在24范围内满足设计要求。 根据计算，采用d=8mm所用电热元件重量最小，成本最低。

19、电热元件节距h在安装时适当调整。 电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，=12mm，l=320mm。八、 炉子技术指标（标牌）额定功率：25kW 额定电压：220V额定温度：900 电源相数：1坩埚有效尺寸：300400 坩埚尺寸：300500外形尺寸：10001200 空炉升温时间：2.04h设计用盐：100%NaCl小结 刚开始学习热处理炉的时候觉得这门课非常简单，只要懂得原理就能设计出炉子。等到真正开始设计的时候发现自己的想法太幼稚了。设计不仅仅是把书上的公式往上面套，更是要思考各种合理的材料，然后找到最优解。开始的设计的时候由于没有样板之类的供参考，不知道从哪里下手，后来在老师的指导下才逐渐摸索出一些思路，随着设计然后一步一步完善，思路也渐渐清晰。当然设计的过程中偶尔会遇到一些难题，但是与同学讨论后，最终都解决了。本次设计是一个艰难的过程，不仅需要大量的时间精力，还需要防止各种各样的错误，这个版本是经过三次修改后的最终版本，之