推杆式热处理炉设计说明书

推杆式热处理炉设计说明书学院：材料与冶金学院班级：材料1003班姓名：宁檬学号：20101637指导老师：申勇峰设计日期：2013-07-10前言热处理电阻炉是以电能为热源，电流通过电热元件而发出热量，借助辐射和对流的传热方式将热量传给工件，使工件加热到所要求的温度。热处理电阻炉优点：其工作范围宽，炉温一般可以从60℃到1600℃；能实现自动控制炉温，控温精度一般为±（3～8）℃；若采用计算机控制炉温，其精度可达±1℃。炉膛温度分布比较均匀，能够满足多种热处理工艺要求，电阻炉热效率高，一般为40～80%。此外，热处理电阻炉结构紧凑，占地面积小，便于车间布置安装，容易实现机械化和自动化操作，劳动条件好，对环境没有污染。也便于通入可控气氛，实现光亮保护加热和化学热处理。三、热处理电阻炉缺点：炉子造价高，耗电量大，工件加热速度较慢，不通保护气氛加热时工件容易氧化脱碳。四、热处理电阻炉种类：热处理电阻炉可分为：周期作业炉和连续作业炉两大类。1、周期作业式电阻炉主要特点是工件整批入炉，在炉中完成加热、保温等工序，出炉后，另一批工件再重新入炉，如此周期式的生产。这类炉子大都间歇使用，因此要求炉子的升温要快，蓄热量要小。常用的有箱式炉、井式炉、台车式炉。2、连续作业式电阻炉，加热的工件是连续地（或脉动地）进入炉膛，并不断向前移动，完成整个加热、保温等工序后工件即出炉。特点是生产连续进行，能力大，炉子机械化、自动化程度高，适用于大批量生产。主要有输送带式炉、网带式炉、推杆式炉等。五、推杆式热处理炉简介推杆式热处理电阻炉，属于连续作业式电阻炉，下面做简要介绍。1、原理：推杆式热处理炉是借助于推料机构，将装有工件的料盘或料筐间接地从炉子一端推入炉内，根据不同工艺要求完成热处理后，依次从另一端将工件推出的一种连续作业炉。2、适用范围：这类炉子由于对工件的适应性强，便于组成生产线，广泛应用于淬火、正火、回火、渗碳和渗氮等热处理。3、缺点：料盘反复进炉加热和出炉冷却，造成较大能源浪费，热效率较低，且料盘易损坏；另一缺点是对不同品种的零件实施不同技术要求时，常需把原有的炉料全部推出，工艺变动适应性差。目录一、设计任务1二、炉型选择1三、确定炉体结构和尺寸11.炉底长宽高的确定12.炉衬材料及厚度的确定2四、砌体平均面积计算31.炉顶平均面积32.炉墙平均面积33.炉底平均面积4五、计算炉子功率4六、炉子热效率的计算111.正常工作时的效率112.在保温阶段，关闭炉门的效率11七、炉子空载功率计算11八、功率的分配与接线11九、电热元件材料选择及计算12十、设计小结16十一、炉子技术指标17【参考文献】17【附表】…………………………18设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，主要用于中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及退火处理。所处理零件主要为中小型零件，生产量大且品种单一，工艺稳定。其主要技术参数要求如下表所示：项目单位指标炉子有效尺寸mm6100×700×600最大装炉量kg1000额定功率kW168最高工作温度℃950最高生产率Kg/h350加热区数4炉型选择：根据设计任务中对产品种类、产量大小和生产工艺的叙述，拟选用推杆式热处理炉对材料进行加工。确定炉体结构和尺寸由技术参数，炉子有效尺寸为6100×700×600mm3故知：L效=6100mmB效=700mmH效=600mm由于推杆式热处理炉加热工件由推料机从前门推入，后门推出，不需人工取出，因此其炉膛长度取L=6105mm为防止工件装、出料时碰撞电热元件和保证工件温度的均匀性，工件与电加热体搁砖应相距100~150mm，故炉膛宽度:B=B效+200~300mm=900~1000mm，取B=900mm按资料统计，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.5~0.9之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=620mm因此，确定炉膛尺寸如下：炉膛尺寸：长L=6105mmL=6105mm宽B=900mmB=900mm高H=620mmH=620mm由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同的炉衬结构，即113mmQN-1.0轻质粘土砖+85mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB级硅藻土砖。炉顶采用两层113mmQN-1.0轻质粘土砖（115×2）mm+320mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡。炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖（67×3）mm+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩符合炉衬。粘土砖上方再铺一层67mm支撑导轨用的重质粘土砖和安置电热元件的重质高铝砖。炉门采用65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。砌体平均面积的计算砌体外廓尺寸计算如下：砌体外廓尺寸：L外=L+2×(85+115+115)=6735mmL外=6735mmB外=B+2×(85+115+115)=1530mmB外=1530mmH外=H+f+(2×115+320)+(67+67×3+50+182)=1700mmH外=1700mm式中：f—拱顶高度，此炉子采用30°拱顶，取拱弧半径R=B。QUOTEQUOTE炉顶平均面积QUOTEF顶内2QUOTEF顶外2QUOTEF顶均2炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前后墙内。F墙内=2LH+2BH=2H(L+B)=2×0.620×(6.105+0.900)炉墙平均面积2F墙内2F墙外=2H外(L外+B外)=2××(6.735+1.530)F墙外22F墙均2QUOTE炉底平均面积F底内=B××2F底内2F底外=B外×L外×2F底外2QUOTEQUOTE=mF底均5m计算炉子功率根据热平衡法计算炉子功率热平衡法计算是根据炉子的输入总功率（收入项）应等于各项能量消耗（支出项）总和的原则确定炉子功率的方法。在此设计中，主要支出项包括如下几个方面：加热工件所需热量Q件，加热辅助构件所需热量Q辅，通过炉衬的散热损失Q散，通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失Q辐，通过开启炉门的溢气热损失Q溢以及其他热损失Q他。具体计算过程如下：（1）加热工件所需的热量Q件由附表6【1】得，工件在950℃和20℃时比热容分别为c件2=0.636kJ/(kg·℃)及c件1=0.486kJ/(kg·℃)，故有：Q件=p(c件2t1-c件1t0)=350×××20)加热工件所需的热量Q件=208068kJ/hQ件=208068kJ/h（2）加热辅助构件所需热量Q辅推杆式热处理炉的加热辅件主要有导轨和料盘，其材质均为耐热钢，由附表6【1】得，取其950℃时比热容为c2=0.670kJ/(kg·℃)，20℃比热为c1=0.473kJ/(kg·℃)，取每小时加热辅件的重量P辅=40Kg/h，则有：Q辅=p辅(c2t1-c1t0)=40×××20)加热辅助构件所需热量Q辅=25081.6kJ/hQ辅（3）通过炉衬的散热损失Q散由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内。对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，QUOTE=820℃，QUOTE=420℃，QUOTE=60℃则耐火层S1的平均温度：QUOTE==885℃硅酸铝耐火纤维层S2的平均温度：QUOTE==620℃硅藻土砖层S3的平均温度：QUOTE==240℃S1、S3层炉衬的热导率由下附表3【2】查得QUOTE=0.29+0.256×10-3ts1均=0.29+0.256×10-3×8857W/(m·℃)QUOTE=0.131+0.23×10-3=0.131+0.23×10-3×240=0.186W/(m·℃)普通硅酸铝耐火纤维的热导率由附表4【3】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QUOTE=620℃，得：QUOTE=(0.140-0.093)×QUOTE=W/(m·℃)当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2【4】得QUOTE=12.17W/(m2·℃)。①求热流=QUOTE2②验算交界面上的温度t2墙、t3墙QUOTE=QUOTE-QUOTE=950–584.106×QUOTE℃Δ==×100%=0.0089%Δ＜5%，满足设计要求，不需重算。QUOTE=QUOTE-QUOTE=83–584.106×6℃Δ==×100%5%Δ＜5%，也满足设计要求，不需重算。③验算炉壳温度QUOTE=QUOTE-QUOTE6–584.106×5℃＜70℃满足一般热处理电阻炉表面温升小于70℃的要求，不需重算。④计算炉墙散热损失Q墙散=q墙·F墙均×15.623=同理可以求得：QUOTE℃，QUOTE℃QUOTE2；QUOTE℃，QUOTE℃，QUOTE℃，QUOTE2；炉顶通过炉衬散热Q顶散=q顶·F顶均×7.698=W炉底通过炉衬散热Q底散=q底·F底均×5=W整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q底散+Q顶散=9125.5W+459+2=16W通过炉衬的散热损失Q散=5kJ/hQ散=5kJ/h（4）开启炉门的辐射热损失Q辐设装出料所需时间为9min/h，Tg=950+273=1223K，Tα=20+273=293K。由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故炉门开启面积为：=×QUOTE2炉门开启率：δt=QUOTE=5由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.310/0.900=0.344属拉长的矩形，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.310/0.345=0.899，由图1-14【5】第1条线查得φ又推杆式炉每次进出料时前后门一起打开，故有：=2××××××22298.4开启炉门的辐射热损失Q辐辐（5）开启炉门溢气热损失Q溢溢气热损失计算公式为：其中溢气量=1997×××3/h冷空气密度QUOTE3，由附表10【6】可查得：QUOTE=1.342kJ/（m3·℃）溢气温度可近似为：640因此：×××(640-20)×0.15开启炉门溢气热损失Q溢溢（6）其他热损失Q他其它热损失为上述热损失之和的10%~20%，故：Q他=0.15(Q件+Q辅+Q散+Q辐+Q溢)5×(208068++5+25928.4+49942.1)其他热损失Q他=kJ/hQ他=55kJ/h（7）热量总支出Q总Q总=Q件+Q辅+Q散+Q辐+Q溢+Q他=QUOTE热量总支出Q总=42kJ/hQ总=42kJ/h（8）炉子安装功率P安，其中K为功率储备系数，对于连续作业炉，K=1.2~1.3，本炉设计中K取1.3，则取P安=154kWP安=154kW炉子热效率计算1．正常工作时的效率正常工作时的效率=%η=49.2%2．在保温阶段，关闭炉门时的效率η=QUOTE×100%=QUOTE×100%关闭炉门时的效率=60.0%η=%炉子空载功率计算炉子空载功率=31.5kWP空=31.5kW功率的分配与接线连续加热炉的炉膛长度较大，分为预热、加热、保温、冷却等不同区段，各段功率大小不同，要分区独立控制。本炉设计中，各区段功率分配为：20%，40%，20%，20%，则：P预热=20%P安=154×20%=3kWP加热=40%P安=154×40%=kWP保温=20%P安=154×20%=kWP冷却=20%P安=154×20%=kW由于四个区段功率均在25~75kW内，故四区段均采用三相380V星形接法，即Y接线方式。对于加热区，计算其内壁表面负荷：F加热电=(2×0.62+0.9)×QUOTE2W加热==QUOTE=kW/m2W加热=kW/m2加热区内壁表面负荷应在15~35kW/m2之间，故设计符合要求。电热元件材料选择及计算由最高使用温度950℃，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用Y。（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【7】得0Cr25A15在20℃时电阻率ρ20Ωmm2/m。电阻温度系数α=4×10-5℃-1，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/m（2）确定电热元件表面功率由图5-3【8】知，根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.7W/cm2（3）每组电热元件功率由于四个区段均采用Y接法，则各区段中每组元件功率分别为：=10.3kW=20.5kW=10.3kW=10.3kW（4）每组电热元件端电压由于采用Y接法，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为=220V（5）电热元件直径加热区线状电热元件直径为：=6.7mm取d加热=7mm，同理可得：d预热=5mmd保温=5mmd冷却=5mm（6）每组电热元件长度和重量加热区每组电热元件长度为QUOTE×10-3×QUOTE=6m同理可得其它各区段电热元件长度为：L组预热=6mL组保温=6mL组冷却=6m加热区每组电热元件重量为=××6×=16.99kg同理可得其它各区段电热元件重量为：G组预热=8.80kgG组保温=8.80kgG组冷却=8.80kg（7）电热元件的总长度和总重量电热元件总长度为L总=3L组预热+3L组加热+3L组保温+3L组冷却=3×(6+6+6+6)=m电热元件总重量为G总=3G组预热+3G组加热+3G组保温+3G组冷却=3×(8.80+16.99+8.80+8.80)=1kg（8）校核电热元件表面负荷=0W/cm2同理可得其它区段各电热元件表面负荷为：W实预热4W/cm2W实保温4W/cm2W实冷却4W/cm2可以看出各区段W实均小于W允，结果满足设计要求。（9）电热元件在炉膛内的布置将每区段3组电热元件每组分为5折，布置在两侧炉墙及炉底上，则在加热区段中，如下所示：==QUOTE=12.44m布置电热元件的炉壁长度L′=L–50=6100/4–50=1475mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000℃，由表5-5【9】可知，螺旋节径D=(4~6)d，取D=6d=6×7=42mm螺旋体圈数N和螺距h分别为N=QUOTE=QUOTE=95圈h=L′/N=1475/95=15.53mmh/d=15.53/7=2按规定，h/d在2~4范围内满足设计要求。同理也可计算得，在其它三个区段h/d均满足设计要求。根据计算，在加热区段选用Y方式接线，采用d=7mm所用电热元件重量最小，成本最低。在其它三个区段中选用Y方式接线，采用d=5mm所用电热元件最小，成本最低。电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，φ=12mm，L=500mm。设计小结1、总结：通过上述的设计让我了解到推杆式热处理炉的设计的基本方法。上面分别对炉子的炉型及炉体结构进行了分析，同时对炉墙、炉底、炉顶炉衬等的结构及砌体结构进行了详细的设计计算，对该电阻炉的基本结构及构造进行了详细的叙述及计算。在随后的热处理炉的功率计算中对炉子采用了平衡法进行了核算，得到了炉子的正常工作功率，并计算了炉子的热效率。在之后的功率分配核算中，其加热区内壁表面负荷为每平方米18.40千瓦，也属