设备设计模板2-用于合并

佳木斯大学工学硕士学位论文佳木斯大学热处理设备设计说明书PAGEIIDATE\@"yy-M-d"15-12-21DATE\@"yy-M-d"15-12-21热处理设备设计说明书设计题目90kw高温井式炉设计说明书学院材料科学与工程年级2012级专业金属材料工程学生姓名杨美学号12089940102指导教师秦湘阁教授黄龙霄王晓敏助教佳木斯大学佳木斯大学佳木斯大学工学硕士学位论文佳木斯大学热处理设备设计说明书PAGEIIDATE\@"yy-M-d"15-12-21DATE\@"yy-M-d"15-12-21目录TOC\o\h\z1前言 11.1.1本设计的目的 11.1.2本设计的意义 11.2本设计的技术要求 21.3本课题的发展现状 21.4本领域存在的问题 22设计方案 42.1炉型选择的原则 42.2炉型选择 43设计说明 63.1确定炉体结构和尺寸 63.1.1炉底面积的确定 63.1.2炉底直径和高度的确定 63.2炉体结构设计 63.2.1炉壁的设计 73.2.2炉底的设计 83.2.3炉顶，炉底及炉壳的设计 83.3砌体平均表面积计算 83.3.1炉顶平均面积计算 93.3.2炉墙平均面积 93.3.3炉底平均面积 93.4安装功率计算 103.4.1加热工件所需的热量Q件 103.4.2通过炉衬的散热损失Q散 103.4.3开启炉门的辐射热损失 123.4.4开启炉门溢气热损失 123.4.5其他热损失 123.4.6热量总支出 133.4.7炉子安装功率 133.5炉子热效率计算 133.5.1正常工作时的效率 133.5.2在保温阶段，关闭炉门时的效率。 133.6炉子空载功率计算 133.7空炉升温时间计算 133.7.1炉墙及炉顶蓄热 133.7.2炉底蓄热计算 153.8动率分配与接线 163.9电热元件材料选择与计算 164结论 194.1炉子的技术指标 194.2特色及不足 19致谢 20参考文献 21附录第21页前言课程设计是高等学校培养面向生产、建设、管理和服务第一线的高等技术应用型人才的最后一个教学环节。是培养学生综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识的重要手段。通过完成课题，可以进一步检验学生处理实际问题的能力；使学生掌握基本的设计（科研）方法，受到初步的工程技术训练。并可综合衡量教学质量，以利于提高教学管理水平。本设计的目的通过本环节的训练，应达到以下目的：

（1）使学生进一步加深对所学基础理论、基本技能和专业知识的理解与运用，迸逐步系统化、综合化；

（2）努力培养学生独立工作、思考和解决实际工程技术问题的能力，进而达到培养学生独立获取新知识的能力；

（3）使学生通过文献检索、数据收集与处理、工程制图、设计计算、说明书编写等基本技能的训练，掌握正确运用国家标准和技术语言撰写技术报告的能力；

（4）通过设计过程的训练，培养学生严谨求实，刻苦钻研、勇于创新和严肃认真的科学态度。本设计的意义本文研究的目的是研究90kw高温井式炉的设计，从而培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。综合运用设备设计课程及其他有关已修课程的理论和生产实际知识进行设备设计训练，主要内容是井式炉的炉体尺寸确定，炉子功率及电热元件的选择，井式炉的设计方案的选择。通过计算设计出井式炉的功率分配与接线方法，做到有计划的利用时间去生产提高生产效率。本设计的技术要求（1）炉子生产率为150kg/h；（2）碳钢、低合金钢淬火，正火用炉；

（3）炉体结构为三层，第三层为纳米微孔隔热板。（4）热处理工件：长杆型零件。（5）热处理炉最高工作温度：950℃（6）炉外壁最高温度：小于70℃本课题的发展现状我国的热处理技术已得到了长足的发展，在热处理的基础理论和某些热处理新工艺、新技术研究方面已达到国际先进水平，但在热处理生产工艺和热处理设备方面还存在较大的差距，主要表现在少无氧化热处理应用少、产品质量不稳定、能耗大、污染严重、管理水平低、成本高。本领域存在的问题目前在我国工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，今后仍将占有重要的地位和相当大的比重，但正在日益改进和不断完善。要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变我国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平，将起到积极的促进作用。

加强科研与生产的结合、材料研究与热处理工艺的结合，进一步挖掘材料的性能潜力，促进新材料的发展，使热处理实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”，这是今后热处理技术的重要发展方向。凡是符合这个方向的热处理技术，就会有强大的生命力，获得较快的发展，反之，则将被淘汰。例如，可控气氛热处理、真空热处理、新型化学热处理、离子热处理、激光热处理、流态化热处理等，均能较好地符合上述方向，今后将获得较快的发展和广泛的应用。而盐浴热处理由于耗能高、污染严重，今后将迅速减少，甚至被淘汰。

虽然电子计算机和机器人在热处理中的应用较之在其它工业领域中的应用起步较晚，但随着热处理自动化程度的不断提高，计算机和机器人的应用也将越来越广泛，这是热处理行业现代化的重要标志之一。热处理专业厂和协作网点，是组织热处理生产的一种好形式，也是促进热处理行业技术进步的一种重要手段。因此，实现热处理生产的自动化和专业化，这也是热处理行业发展的必然趋势。设计方案炉型选择的原则炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。

（1）对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、多用性的，可选用箱式炉。

（2）小批量的零件，可选用井式气体渗碳炉。

（3）对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。

（4）对冲压板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉、辊底炉。

（5）对成批的定性零件，生产商可选用推杆式或传送带式电阻炉。

（6）小型机械零件如：螺钉、螺母等可选用振底式炉或网带式炉。

（7）钢球及滚柱热处理可选用内螺纹的回转管炉。

（8）有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。炉型选择因为工件材料为碳钢、低合金钢，热处理工艺为正火及淬火，对于低合金钢正火最高温度为[912+(30~50)]℃，选择中温炉（上限950℃）即可，同时工件为圆棒长轴类工件，因而选择井式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式高温井式电阻炉，最高使用温度950℃。根据技术条件要求，工件材料为中碳钢或者低合金钢，热处理工艺为淬火和正火，对于中碳钢或低合金钢回火最高温度大约为600～700℃，所以选择中温炉（上限950℃）即可。金属热处理多用箱式炉、井式炉或者连续电阻加热炉。同时工件规定是长轴类，选择箱式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉,不通保护气氛。设计说明确定炉体结构和尺寸炉底面积的确定因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法按表5-1选择井式炉用于淬火时的单位面积生产率P0=120kg/(m²·h）故可求得炉底有效面积由于有效面积与炉底总面积存在关系式取系数上限得炉底实际面积炉底直径和高度的确定为了考虑装出料的方便，取H/D=2，求得炉体结构设计炉体包括炉壁、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）耐火、隔热保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则会降低使用寿命；

（4）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。炉壁的设计炉壁厚度可采用计算方法确定，如图3-1为井式炉炉墙三层结构，图3-2为三层炉衬结构第Ⅰ层为耐火层，其厚度一般为115mm，采用轻质粘土砖RNG-0.6；第Ⅱ层为耐火纤维层，其厚度设计为80mm，采用普通硅酸铝纤维，密度250kg/m³；

第Ⅲ层为保温层，采用纳米微孔隔热板，其厚度设计为15mm。炉底的设计陶瓷材料炉底结构通常是在炉底壳部的钢板上用珍珠岩砖或硅藻土砖砌成方格子，各格子中填充蛭石粉。然后，在平铺两层硅藻土砖，最上面为一层轻质粘土砖。炉底砖的厚度尺寸可参照炉壁的厚度尺寸，一般为230~690mm。由于要承受炉内工件的压力，且装出炉有冲击的作用。故炉底板要求又较高强度。炉顶，炉底及炉壳的设计炉顶采用115mmQN-0.8的轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m³的普通硅酸铝耐火纤维+15mm纳米微孔隔热板材料。炉底采用115mm的QN-08轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m³的普通硅酸铝耐火纤维+115mm膨胀珍珠岩。炉壳用5mm钢板制作。砌体平均表面积计算炉顶平均面积计算炉墙平均面积炉底平均面积安装功率计算根据热平衡计算炉子功率加热工件所需的热量Q件由查表得出，工件在950℃以及20℃时的比热容分别为c件1=0.636kj（kg·℃）和c件2=0.486kj（kg·℃）。根据公式Q件=p（c2t2-c1t1）=150×(0.636×950-0.486×20)=89172KJ/h通过炉衬的散热损失Q散为了简化计算，将炉门算顶内。根据公式Q散=对于炉墙散热，如图3-3所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度。图3-3墙壁温度t1=950℃，t2=800℃，t3=450℃，t4=65℃平均温度ts1均==875℃，ts2均==625℃，ts3均==257.5℃s1，s2，s3的热导率λ1=0.294+0.212×10-3ts1均=0.294+0.212×10-3×875=0.479/(m·℃)普通硅酸铝纤维的热导率由附表查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均=650℃,得λ2=0.138W/(m·℃)。最外层隔热板我们参考950型纳米微孔隔热板，拟定一种导热率更低的新型材料，在200℃时，我们拟定λ3=0.018W/(m·℃)。当炉壳温度为65℃，室温为20℃时，查表得αΣ=12.50W（m²·℃）。①求热流q墙===593.7W/m²②验算交界面上的温度t2墙和t3墙t2墙=t1-q墙=950-593.7×=807.5℃△=△＜5％，满足要求。t3墙=t2墙-q墙=807.5-593.7×=463.3℃△=△＜5％，满足要求。炉壳温度t4墙=t3墙-q墙=463.3-593.7×=67.5℃炉壳温度＜70℃，满足要求。同理可得t2顶=807.5℃，t3顶=463.3℃，t4顶=67.5℃，q顶=593.7W/m2t2底=843.2℃，t3底=585.2℃，t4底=55.6℃，q底=445.1W/m2④计算散热损失Q墙散=q墙·F墙均=593.7×5.64=3352.6WQ顶散=q顶·F顶均=593.7×1.17=700.4WQ底散=q底·F底均=445.1×0.76=339.3W整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=3352.6+700.4+339.3=4392.5W=15813.2kj/h开启炉门的辐射热损失设装出料所需时间为每小时6分钟，根据公式得出Q辐=3.6×5.67FΦδt[()4–()4]因为Tg=950+273=1223K，Ta=250+273=293K，炉门开启面积F=π×R²=3.14×0.44²=0.61m²炉门开启率δt==0.1，查得φ=0.7。Q辐=5.675×3.6Fδtφ[()4–()4]=5.675×3.6×0.61×0.1×0.7×[()4–()4]=19556.8kJ/h开启炉门溢气热损失V=2200×πR²=896.9C=1.4Q溢=0.5VC(t1+t2)δt=0.5×896.9×1.4×(950+20)×0.1=60902.4kJ/h其他热损失Q它=（0.5~1）×Q散=0.5×15813.2=7906.6kJ/h热量总支出Q总＝Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它＝89172+7906.6+60902.4+19556.8+15813.2＝193351.2kJ/h炉子安装功率P安＝K为功率储备系数，本炉设计中K=1.4，则P安＝＝75.1kW与标准炉子相比较，取炉子功率为75KW。炉子热效率计算正常工作时的效率η＝＝＝46.1%在保温阶段，关闭炉门时的效率。η=＝＝78.9%炉子空载功率计算P空＝＝＝6.5kW空炉升温时间计算炉墙及炉顶蓄热＝π（R+s1）²H-πR²H=0.637m³＝π（R+s1+s2）²H-π（R+s1）²H＝0.53m3＝π（R+s1+s2+s3）²H-π（R+s1+s2）²H＝0.085m³＝π（R+s1）²s顶1＝0.112m³＝π（R+s1+s2）²s顶2＝0.101m³＝π（R+s1+s2+s3）²s顶3＝0.015m³由公式得Q蓄＝V粘ρ粘c粘（t粘–t0）+V纤ρ纤c纤（t纤–t0）+V新ρ新c新（t新–t0）t黏＝（t1+t2墙）/2＝＝878.7℃查表得c黏＝0.84+0.26×10-3t黏＝0.84+0.26×10-3×878.7＝1.06kJ/(kg·℃)t纤＝（t2墙+t3墙）/2＝＝635.4℃查表得c纤＝0.81+0.28×10-3t纤＝0.81+0.28×10-3×635.4 ＝0.98kJ/(kg·℃)t新＝（t3墙+t4墙）/2＝＝265.4℃拟定c新得c新＝0.8kJ/(kg·℃)所以得Q蓄1＝（+）ρ黏c黏（t黏–t0）+（+）ρ纤c纤（t纤–t0）+（+）ρ新c新（t新–t0）＝（0.637+0.112）×0.8×103×1.06×(878.7–20)+(0.53+0.101)×0.25×103×0.98×（635.4–20）+（0.085+0.015）×0.26×103×0.8×(265.4–20)＝651563.8kJ炉底蓄热计算＝π（R+s1）²s底1＝0.112m³＝π（R+s1+s2）²s底2＝0.101m³＝π（R+s1+s2+s3）²s底3＝0.152m³＝(t1+t2底)/2＝＝896.6℃查表得＝0.84+0.26×10-3＝0.84+0.26×10-3×896.6＝1.07kJ/(kg·℃)＝＝＝635.4℃查表得＝0.81+0.28×10-3＝0.81+0.28×10-3×635.4＝1kJ/(kg·℃)＝＝＝320.4℃查表得＝0.04+0.22×10-3＝0.04+0.22×10-3×320.4＝0.11kJ/(kg·℃)所以得＝0.112×0.8×103×1.07×(896.6–20)+0.1×2.5×103×0.101×(714.2–20)+0.152×0.2×103×0.11×(320.4–20)＝103168.2kJ（3）炉底板蓄热根据附表6查得950℃和20℃时低合金钢的比热容分别为c板2＝0.670kJ/(kg·℃)和c板1＝0.473kJ/(kg·℃).经计算炉底板质量G＝250kg,所以有＝G（c板2t1–c板1t0）＝250×(0.670×950–0.473×20)＝156760kJQ蓄＝Q蓄1++＝651563.8+103168.2+156760＝911492.09kJ空炉升温时间Τ升＝＝＝3.4h对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3~8小时均可，故本炉子设计符合要求。动率分配与接线75Kw的功率均匀分布在炉壁及炉底，供电电压380V。由最高使用温度950℃，选用0Cr25A15合金作为电热元件，接线方法为YY。电热元件材料选择与计算理论计算法①求950℃时电热元件的电阻率ρt当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃时的电阻率ρ0＝1.40Ω·mm2/m,电阻温度系数α＝4×10-5,则1100℃下的电热元件电阻率为ρt＝ρ20（1+αt）＝1.40×（1+4×10-5×1100）＝1.46Ω·mm2/m②确定元件表面功率本炉子电热元件条件取W允＝1.7W/cm2.③每组电热元件功率采用YY接线法，每组元件功率P组＝＝12.5kW④每组电热元件端电压由于采用YY接线法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压U组＝＝220V⑤电热元件直径线状电热元件直径由公式得d＝34.3＝34.3＝4.8mm取d=5mm。⑥每组电热元的长度和质量每组电热元件长度由公式得L组＝＝51.98m每组电热元件质量由公式得G组＝d2L组ρMρM查表得ρM=7.1g/cm³所以得G组＝d2L组ρM＝52×51.98×7.1×10-3＝7.24kg⑦电热元的总长度和总质量电热元件总长度由式得L总＝6L组＝311.93m电热元件总质量由式得G总＝6G组＝43.46kg⑧校核电热元件包面负荷W实＝＝1.53W/cm²W实＜W允，结果满足设计要求。⑨电热元件在炉膛内的设置电热元件制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每4排串成1相。每排电热元件的展开长度L折＝＝12.99m每排电热元件的搁砖长度L’＝π（D外-60）-25＝3211.97mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000℃，由查表可知，螺旋节径D＝（4～6）d取D＝5d＝5×5＝25mm螺旋圈数N和螺距h分别为N＝＝165.57＝166圈h＝＝19.34mm＝＝3.86按照规定，h/d在2~4范围内满足设计要求。根据计算选用YY接线方式采用d=5mm所用的电热元件，最节省成本。