中温箱式电阻炉设计

1、目 录一 设计任务 2二 炉型的选择 2三 炉膛尺寸的确定 2四 炉体结构设计与材料选择 4五 电阻炉功率的计算 8 六 电热元件的设计 14七 参考资料 20试验设计及计算数据及结果一、设计任务设计要求：1、低合金钢调质用炉；2、最大生产率75kg/h；3、画出总装图；4、画出炉衬图；5、画出炉壳图；6、画出电热元件接线图；7、写出设计说明书。二、炉型的选择热处理的工件材料：碳钢、低合金钢；热处理工艺：调质处理。对于碳钢和低合金钢奥氏体化最高温度为【912+(3050)】，回火的最高温度为650，故选择中温炉即可，同时工件尺寸和形状没有特殊规定也不是长轴类，则选择箱式炉，并且无需大批量生产、

2、品种多、工艺用途多，所以选择周期式作业。综上所述，决定选择周期式中温箱式电阻炉，不通保护气氛，炉子最高使用温度为950。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸 由于无典型工件，无法按排料法确定，故采用炉底强度指标法计算，即根据炉子的生产率及生产能力来计算。（1）炉底有效面积：查参考文献【1】表2-1得，Gh=100kg/（m2h） F效=0.75m2（2）炉膛有效尺寸：L效=L效=1.39m=1390mm取L效=1390mm，（3）炉膛有效宽度：B效=B效=0.541=541mm取B效=550mm（4） 根据参考文献【1】表2-2选择标准尺寸为139055045/12mm的炉底板，炉底板材料为Cr

3、-Mn-N 故L效=1390-100=1290mm，B效=550mm2、炉膛内腔砌墙尺寸取直行砖炉膛宽度：B砌=B效+2（0.10.15） B砌=5.5+20.15=580mm取B砌=1208+409=1320 mm 炉膛长度：L砌=L效+0.1=1.8+0.1=1900mm取L砌=5136+200=2036mm 炉膛内高度： H砌=（0.50.9）B砌 H砌=0.71320=854mm取H砌=6712+35+37=876mm选择12层四、炉体结构设计与材料选择（一）、选择炉衬材料部分 炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应

4、满足下列要求：（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；（2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）要保证炉壳表面温升小于50，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。（二）、炉体结构设计和尺寸本炉设计为三层炉壁（如右图所示）内层选用RNG-0.6型轻质粘土砖，其厚度S1=115mm；中间层选用密度为120 kg/ m3硅酸铝耐火纤维，其厚度为S2=40mm；最外层选用B级硅藻土砖为骨架，膨胀蛭石粉进行填充。查文献【2】表1-5、1-9知：RNG-0.6型轻质粘土砖：密度1=800【kg/ m3】 热

5、导率1=0.165+0.19410-3t均【w/(m)】 比热容C1=0.836+0.26310-3t均【KJ/（kg）】硅酸铝纤维： 密度 2=120【kg/ m3】 热导率2=0.032+0.2110-3t均2【w/(m)】 比热容C2=1.1【KJ/（kg）】膨胀蛭石粉：密度3=250【kg/ m3】热导率3=0.077+0.2510-3t均【w/(m)】 比热容 C3=0.6573【KJ/（kg）】 01=0.294，b1=0.2110-3； 03=0.077，b3=0.2510-3 当t4=60时，由文献【2】表2-12查得=12.17【W/()】 q=12.17（60-20）=48

6、6.8（W/） 将上述各数据代入公式得：= 779（）为了计算的值，先假设t3=661，由此得硅酸铝纤维的平均热导率的近似值=0.178【w/(m)】=因为故合理。由可得保温层的厚度：取230mm（三）、炉顶的设计炉顶的结构有平顶、拱顶和悬顶三种。炉膛宽度小于400到600mm的小型炉子，如振底式炉、输送带式炉常常采用平顶。当炉膛宽度为600到3000mm时，可采用拱顶，拱角可用60和90，其中使用最多的是60。因为炉膛宽度为1320mm，故采用拱顶，拱角为60的标准拱顶。拱顶是炉子最容易损坏的部位，受热时耐火砖发生膨胀，造成砌筑拱顶时，为了减少拱顶向两侧的压力，应采用轻质的楔形砖和标准直角砖

7、混合砌筑。故选用厚楔形砖T-37，供脚砖采用TJ-91。（四）、炉底的设计炉底采用一层113mm硅藻土砖填充蛭石粉，再平铺一层67mm的QN-0.6轻质粘土砖，一层67mm的B级硅藻土砖，最上层采用230mm的重质高铝砖和8块加热元件搁砖支持炉底板，炉底板采用Cr-Mn-N耐热钢，厚度为12mm。（五）、炉门框的设计炉门框的大小主要取决于工件的大小，要保证工件装、出炉操作方便，使工件装、出炉时不至于碰撞电热体并应减少炉膛向外的辐射损失。通常，炉口的尺寸应比炉膛稍小，故选择B框H框 =1000mm700mm的炉门框。采用230mm轻质耐火粘土砖（6） 、炉门的设计 H效=0.7B效=0.7132

8、0=876mm H效=6712+33=837mm 炉门尺寸为B门H门=B效 H效=1020mm837mm 。（七）、炉体框架与炉壳的设计 炉体外廓尺寸： L外=L砌+115+40+230+230=2036+230+115+60+220=2642mm B外=B砌+2（115+40+230）=1320+2（115+40+230）=2090mm H弧=B砌- B砌Cos30=1320-1320Cos30=178mm H外=H砌+（115+40+230）+ H弧+（115+67+67+230）=876+115+40+230+178+115+67+67+230=1985mm 五、电阻炉功率的计算本炉采用

9、理论设计法，通过炉子的热平衡来确定炉子的功率。其原理是炉子的总功率即热量的收入，应能满足炉子热量支出的总和。具体计算如下：1、 加热工件的有效热量其中，炉子生产率200kg/h 工夹具加入炉前和加热终了的温度，分别为20和950工件在时的平均比热容【KJ/（kg）】查参考文献【】表得低合金钢在20时，比热容为493.9 J/（kg）,950时为678.9J/（kg）将其代入上式得： =127015 KJ/h2、 加热辅助工夹具所需的热量 因为设计的是箱式炉，一般没有辅助加热工具，故： 3、 可控气氛吸热量 因为未通入可控气氛，故：4、 通过炉衬的散热损失 炉衬的散热损失即炉膛内热量通过炉墙、炉

10、顶、炉底散发到车间的热损失。在炉衬传热达到热稳定的情况下通过炉墙的散热损失，可按下式计算：（式1） 式中：分别为炉内壁温度950和炉外车间温度20 各层材料的平均热导率【w/(m)】 w/(m) w/(m) w/(m) m S2=0.04m S3=0.23m 炉壳外表面对空气的综合传热系数【w/(m)】 查参考文献【2】表2-12可得 w/(m) 各层平均面积（m2） 炉壳外表面积（m2） 各层平均面积如下近似计算： 当时，；当时，其中， （） =15.47（） =17.08（） =27.85（） F2/F12，F3/F22，F4/F32（）（）（）F0=F4=27.85（） 将以上数据代入式

11、（1）解得Q散 =31704.5（KJ/h）5、炉衬材料的总蓄热量 式中，V炉衬砌体的体积（m3） 炉衬加热前后的平均温度（） 炉衬材料的体积密度（Kgm3） C1、C2炉衬加热前后的平均比热容【KJ/（kg）】KJ/（Kg） KJ/（Kg）KJ/（Kg）KJ/（Kg） m3 m3 V3=4.51m3V4=9.34 m3 m3 m3 m31=600Kg/m3 2=120Kg/m3 1=250Kg/m3各层的蓄热量: KJ 同理 Q蓄2=56628.0 KJ Q蓄3=280009.0KJ总蓄热量 Q总=Q蓄1+ Q蓄2+ Q蓄3=1146705.4KJ6、开启炉子的辐射热损失 （KJ/h）式中，

12、炉膛内部的绝对温度（K），1223K炉外空气绝对温度(K),293K炉门开启的面积（）炉口开启尺寸1020mm837mm，即面积为0.85炉口辐射遮蔽系数，查参考文献【2】图2-16得=0.83炉门开启率（%），开炉门时间设每小时3分钟即得将其数据代入上式得： Q辅=12277.2KJ/h7、开启炉门的溢气热损失Q溢 （KJ/h）式中，V进入炉内的空气流量（m3/h） C空气的平均比热容【KJ/（K）】，为1.4 KJ/（K） 炉子内外的温度，分别为950和20 炉门开启率，为0.05 而V=2200BH（m3/h），B为炉门宽度（m），H为炉门开启高度（m）故 KJ/h 8、其它热损失Q它Q

13、它=0.5Q散=22193KJ/h9、炉子每小时的总热量支出 =236930.9KJ/h 10、将总热量换算成计算功率KW11、炉子的装备功率 =1.37665.8=90.23 KW90KW12、电阻炉热效率的校核 一般电阻炉的热效率为40%80%，故符合要求。13、空炉升温时间的校核 h 符合要求。14、电阻炉的空载功率 KW符合要求六、电热元件的设计（一）、电阻功率的分配 因功率为90KW，均匀分布在炉膛前后两个区。采用双星形接线法，供电电压为380V。（二）、电阻元件材料的选择 选用0Cr25Al5线状电热元件 （三）、电热元件的设计 1、供电电压和接线 供电电压为三相380V，双星形联

14、接。 KW V2、确定电热元件直径d 式中，元件功率（KW），15KW U元件端电压（V），220V 工作温度下的电阻（.mm2/m） 元件的允许表面负荷率（W/cm2），查参考文献【1】表7-4可得：=1.6 W/cm2 其中，（.mm2/m） 式中，元件在0时的电阻率（.mm2/m） 元件的电阻温度系数（1/） t元件的工作温度（），它比炉子的额定温度高100200，此处选为1100。 故 .mm2/m 将数据代入得：d=6.53 mm取d=7mm 3、每根电热元件长度L和总长度L总m 式中，U元件端电压（V），220V P元件功率（KW）,24KW d元件线材直径（mm）,7mm 工作温

15、度下的电阻率（.mm2/m），1.45.mm2/m 故L=82m m W/cm3，符合要求。 4、计算电热元件的重量M和 M总 查参考文献【2】表3-17知，直径为7mm的0Cr25Al5电热元件重量为0.323kg/m，则： kg kg（四）电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，均匀布置于两侧墙及炉底，分为前后两个区，侧墙为16层，炉底为16层。1、炉墙每排电热元件的展开长度： m每排电热元件的搁砖长度：L2=36512=918 mm 电热元件螺旋直径D ：查参考文献【2】表3-19选择D=5d，即D=57=35mm 每排电热元件的圈数： 圈电热元件螺旋节距： mm按h=（24）d校验h

16、： ，符合要求。 2、炉底每排电热元件的展开长度： m 每排电热元件的搁砖长度： L2=943.5mm 电热元件螺旋直径 ：查参考文献【2】表3-19选择，即D,=35mm 每排电热元件的圈数： 圈 电热元件螺旋节距： mm按h=（24）d校验h： ，符合要求。（五）、电热元件引出棒及其套管的设计与选择1、引出棒的设计引出棒必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti；=20mm；丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。引出棒长度：mm2、保护套管的选择根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计及炉墙尺寸引出棒直径，因为 mm，引出棒的直径d=20mm，所以选用

17、SND724040号套管，高铝矾土，重量0.4kg。套管直径为：mmmm，长度250mm。（六）、热电偶及其保护套管的设计与选择1、热电偶的选择 由于炉内最高的温度为950.长期使用的温度在1000以下，所以选用镍铬-镍硅热电偶。选用型号WRN-520的镍铬-镍硅热电偶，保护管规格选择，外径20mm，插入长度为500mm。保护材料为双层瓷管。2、热电偶保护套管的选择 =115+40+230=385mm。热电偶外径为20mm，插入长度为500mm。根据这些条件，应该选用SND724002,高铝矾土，重量0.3kg。mm、mm，长度为250mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。中温箱式电阻炉L效=1390mmB效=550mmB砌=1320mmL砌=2036mmH砌=876mmn=12层S1=115mmS2=40mmS3=230mmt1=950t2=779t3=661t4=60采用拱顶，拱角60的标准拱顶1000700mm1020mm837mmL外=2642mmB外=2090mmH外=1985mm 127015 KJ/h31704.5 KJ/h 总蓄热量 Q总=114