热处理炉课程设计

1、热处理电阻炉设计一、设计任务(见教材80页)二、炉型选择根据设计任务给出的生产特点，选用中温(6501000C)箱式热处理电阻炉， 炉膛不通保护气氛，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。已知炉子生产率 P 60kg/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 120kgi/(m2 h)0 因此，炉子的炉底有效面积(可以摆放工件的面积)F1可按下式计算：P 602F1 0.5mP0120通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在 0.75

2、0.85之间选择。炉子小取小值；炉子大取大值。本设计取中值 0.8 ,则炉底总面积F为，F10.52F0.625m0.80 0.80(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B方便，本设计取L 2 ,则炉子炉底长度和宽度分别为：B. F 0.625L 1.118m; 0.50.5c L 1.118B0.559m22(3)确定炉膛高度H .炉膛局度和宽度之比 一在0.50.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大 B值。本设计取中值0.7,则炉膛高度为：H 0.7B 0.7 0.559 0.391m2 .实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺

3、寸(230X13>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便布置电热 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 (230 2) 5 1160mm 1.16m;B (55 2) 2 (113 2) 3 (38 2) 2 57 2 115 3 40 2 539mm 0.539mH (65 2) 6 402mm 0.402 m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 使工件与炉膛壁保持

4、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 950mmB 效 450mmH 效 350 mm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 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

5、作前墙的一部分。设炉墙的炉衬结构如图所示， 耐火层是113mnS的轻质木土砖（Q*0.8）, 保温层是60mnS、密度为350kg/m3的普通硅酸盐而t火纤维毡和 230mm?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）0这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于 60 C,应首先求出热流密度， 然后计算进行验证。在炉墙壁温度950C、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 20 q S?S2 s31 一1231） S1,S2,S3 的确定s,S2,S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的厚度（m0若考

6、虑它们之间2mm勺砌缝宽度，则S1,S2,S3的厚度为：S1113 2 115mm; S2 60mm; S3230 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/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 850C,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 Co如图所示。士求轻质粘土砖的平均导热率查教材附表3,可得轻质粘土砖(QNk0.8)的平

7、均导热率为:3i 0.294 0.212 10 tp (tp为平均温度) 3 ti t23 950 8501 0.294 0.212 10 3(-) 0.294 0.212 10 3()22=0.485 W/m c士求硅酸盐耐火纤维毡的平均导热率硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp850 620 735 C。根据教材附22表4查得，密度为350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡 700C、1000c的热导率分别为0.121 W/m-c和0.122 W/m c 0在700c1000c温度围，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有:2 0.121 W/m-c0.122 0.1212 0.121100

8、0 700735 700*求硅藻土砖的平均导热率查教材附表3,可得A级硅藻土砖的平均导热率为：330.105 0.23 10 tp3 0.105 0.23 10 3 (tt4) 0.105 0.23 10 3 (620 55)22=0.183 W/m c土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55C,周围空气为20c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：11.81 W/m2 C3）求热流密度将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：9302.086445.8W m2950 200.1150.060.23210.485 0.1210

9、.183 11.814）验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求4轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2为:S10.115一t2 t1 q 950 445.8 844.3 C10.485相对误差为t2t2t2844.3 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:S20.060小t3 t2 q844.3 445.8 623.2 C;20.121相对误差为It1t3| |623.2 6200.52% 5%,满足设计要求，不必重算。I t3 |620*炉墙外壳温度为：t4 t3 qS3 623.2 445.8 02空 58C<

10、60C;30.183因炉墙外壳温度小于60C,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。设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mmi的轻质粘土砖(QN-0.8),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勺膨胀珍珠 岩。在炉顶壁温度950C、炉壳周围空气温度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 20q "S1 S2 S311231) S,S2,S3的确定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胀珍珠 岩的厚度。若考

11、虑它们之间2mm勺砌缝宽度，则S1,S2,S3的厚度为：S1 115mm; S2 60mm; S3 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/mQ ; 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,硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度 t3 580 C ,炉顶外壳温度t4 55 C <60C。$1的确定$ 2的确定43的确定上 的确定将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热

12、流密度为:950 200.1150.060.11510.486 0.121 0.110 13.529301.852502.2W m24)验算界面温度和炉顶外壳温度4轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2为:S10.115t2 t1 q 950 502.210.486831.0 C相对误差为产.0-860t2 | |8603.4% 5%,满足设计要求，不必重算4硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为:S20.060t3 t2 q- 831.0 502.2 582 C;20.121相对误差为P8。80 0.32% 5% ,满足设计要求，不必重算。t3 |580*炉顶外壳温度为：S30

13、 115.t4 t3 qS- 582 502.2 0115 57C<60C; 30.110因炉顶外壳温度小于60C,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,必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。3.炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉底的炉衬结构为，耐火层是(65+2) >=201mm厚的轻质粘土砖(Q+0.8),保温层是厚度 80mm密度350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和(113+2) + (65+2) X2=249mnff的 A级硅藻土砖。在炉底壁温度950C、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：9

14、50 20q "Si S2 S311231） S,S2,S3的确定Si,S2,S3分别是轻质粘土砖（QNk0.8）、普通硅酸盐耐火纤维毡和 A级硅藻土砖的厚度。若考虑它们之间2mmi勺砌缝宽度，则Si,S2,S3的厚度为：Si 201mm; S2 80mm; S3 249mm。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/mc）;是炉底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 810C,硅酸盐耐火纤维毡和 A级硅

15、藻土砖之间的界面温度t3 560 C ,炉底外壳温度t4 55 C <60C。4 1的确定5 2的确定43的确定上 的确定3）热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为:950 202q 358.5W m0.2010.080.24910.481 0.1190.1789.554)验算界面温度和炉底外壳温度上轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度 t2为:相对误差为Sit2 ti q1950 358.50.2010.481800.1 Ct2t2t2800.1 8108101.2% 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 t

16、2 q 包 800.1 358.5 08 559.2 C;20.119相对误差为|以士| |559.2 560 0.1% 5%,满足设计要求，不必重算。t3 |560土炉底外壳温度为：S30 249一t4 t3 qS- 559.2 358.5 0249 57.7 C<60C; 30.178因炉底外壳温度小于60C,故炉底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。五、炉子外形尺寸的确定和砌体平均表面积的计算1 .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，具值为：L 外 1160 2 （115

17、60 232） 1974mm 1.974 m2）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，具值为：B 外 539 2 （115 60 232） 1353mm 1.353m3）炉子外形高度炉子的外形高度由以下五部分组成（图5-8右图）：炉膛高度、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、炉顶厚度、炉底厚度已经求出。若炉子采用600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 ) 539 (1 cos30 ) 72mm；为方便砌筑，预留安装电热组件所需的高度及炉底板厚度可取65+2=67mm综合以上五部分的高度

18、，炉子外形高度为：H 外 402 72 (115 60 115) (201 80 249) 67 1361mm 1.361m;2 .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 采用几何平均计算法。此方法首先需要算出炉子壁和外壁的面积。1)炉顶平均表面积的确定炉顶壁是弧面，壁面积为：6022F顶内 2 R L 3.14 0.539 1.160 0.654m -3606'炉顶外壁是平面，外壁面积为：F 顶外L 外 B 外 1.974 1.353 2.67m2则炉顶平均面积为：F顶均Frn,0.654 2.671.32m22)炉墙平均表面积的确定炉

19、墙包括两侧墙和前、后墙。为简化计算，将炉门视作前墙，则炉墙平均面积为：F墙均 JF墙内F墙外 J2H (L B) 2H外(L外B#)<2 0.402 (1.160 0.539) 2 1.361 (1.974 1.3532=3.52 m23)炉底平均表面积的确定炉底平均面积为：F低均JF低内F低外J(B L) (B外L外)0.53厂1.1601.353-1.974 1.29m2六、用热平衡计算法计算炉子功率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.炉子的主要能量消耗项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20c时的比

20、热容分别为：C9500.636 kJ/(kg C )和 C200.486kJ/(kg- c ),热处理炉的 生产率P 60 kg/h ,则加热工件所需要的热量为；Q 件 P(C950 950 C20 20) 60 (0.636 950 0.486 20) =35669kg/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 1.32 445.8 3.52 358.5 1.29 2694.59W 9700.52kJ/h3)开启炉门的辐射热损失 这部分热损失可由下式求得：44TgTa100100Q辐 3.6C0F t

21、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 0.539 0402 0.217m2; 22遮蔽系数。开启的炉门是拉长的矩形，开启高度为H 0402 0.201m, 22,、一、0 2010.5,查教材图1-14曲线1它与炉墙厚度之比为吆10.115 0.06 0.232得=0.56;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Tg 炉气的热力学温度，为 950+273=1223KTa 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 0.217 0.56412230.1

22、10042935535.82kJ/h1004）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 气所需要的热量作为该项热损失，即有:Q溢qva aCa 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。由教材（58）式得：qva 1997BH H 1997 0.539 w 一4。297m3/h2 V 222a 20c冷空气的密度，为1.29 kg/m3;Ca空气在TaTg （即20950 C）温度间的平均比热容。就本设计来说，是平均温度（950+20） /2=485C的比热容。查附表10可知，空气在400C、

23、500c 的比热容分别为 1.3302kJ/（m3. c）和 1.3440 kJ/（m3. c）0可认为空气比热容在此温度区间的变化呈线性关系，即有：Ca1.342 kJ/ (m3. c)1.3340 1.3302 Ca 1.3302500 400485 40020) 20 640 c。t 炉门开启率。0.1。22Tg 溢气温度,近似为一（Tg Ta） Ta -（950 33将上述数据代入公式中得开启炉门的溢气热损失为：Q 溢 97 1.29 1.342 0.1 （640-20） 10411.32 kJ/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

24、炉来说，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 （35668.8 9700.52 5535.82 10411.32）9197.47 kJ 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=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93（kJ/h）3 .炉子的安装功率上面计算的炉子输入功率（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。但在实际生产中还需考虑一

25、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。这些具体情况要求炉子功率应有一定的储 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K 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:1.4 70513.93 27.42kW3600取炉子的安装功率为30kW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:35668.8100%-100% 50.6%70513.93般电阻炉的热效率在30%-80戒

26、间。本设计的炉子热效率在此围，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总（Q辐 Q溢）35668.8100%-100% 65.2%70513.93 5535.82 10411.323 .炉子空载功率的计算炉子空载时，能量消耗项只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此时炉子的功率为:Q散 Q其它 9700.52 9197.47广八工, 5.23kW36003600八、 功率的分配和接线方法炉子的安装功率为30kW电热元件采用三相星形接法，也称“ Y”接法(如 图所示)。即将电热元件分为3组，每组10 kW炉墙两侧各布置1组电热元件

27、， 炉底布置1组电热元件。九、校核炉膛壁表面负荷(选做)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950C,可选用0Cr25A15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100c200C o当炉膛温度为950C ,电热元件的温度取1100C。由教材附表12得，0Cr25A1合金20c 时的电阻率 20 1.40 mm2/m,电阻温度系数4 105c 1 ，则1100c时电热元件的电阻率为： 52 .110020(1 t) 1.40 (1 4 101100) 1.46 mm /m3 .确定电热元件的允许表面负荷由教材图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端电压由于采用三相星形即“ Y”接法，电热元件可分为三组。每组电热元件的功 率为：30Ra 10kW。采用“Y”接法，车间动力电网端电压为 380V,故每组电热元件的端电压为,矍 220V5 .电热元件的丝材