热处理电阻炉设计计算举例

1、2020/8/8,1,热处理电阻炉课程设计,2020/8/8,2,电阻炉是最主要的、应用最广的热处理设备 优点： 1)控温精度和自动化程度很高，准确度可达15； 2)炉温均匀性好，波动范围小，可控制在35； 3)热效率高，可达45%80%(煤气炉25%)； 4)便于采用可控气氛； 5)结构简单紧凑，体积小，便于组成流水线生产； 6)其生产和热处理工艺的机械化、自动化、生产效率和生产质量高，劳动条件好，对环境污染较小。,2020/8/8,3,箱式电阻炉,2020/8/8,4,箱式电阻炉 a、高温箱式电阻炉：最高温度1300，SiC棒作电热元件。 特点： 电热元件直接布置在炉膛两侧，且不遮蔽，极少

2、布置于炉顶和炉底，工件加热依靠热辐射。 砌筑材料要求高，高铝砖或SiC制品。,2020/8/8,5,2020/8/8,6,b、中温箱式电阻炉：额定温度950，合金电热元件Ni-Cr 。 特点： 1）电热元件布置在炉子侧壁和炉顶，依靠辐射加热工件。 2）炉衬采用密度不超过1.0g/cm3的轻质耐火粘土砖砌成，保温层采用珍珠岩保温砖并填以蛭石粉、膨胀珍珠岩颗粒等材料。,2020/8/8,7,b、中温箱式电阻炉：额定温度950，合金电热元件Ni-Cr 。特点： 3）在耐火层和保温层间夹以硅酸铝耐火纤维作为炉衬。 作用：炉衬变薄、重量减轻、炉衬蓄热量减少、热损失减少、降低炉子空载功率并缩短升温时间。

3、4）较大的炉子采用温度分区控制，增进温度均匀性， 还可设置风扇，以加快传热速度。 5）炉底电热元件上方敷盖耐热钢制炉底板，其材料以铬锰氮居多。,2020/8/8,8,2020/8/8,9,c、低温箱式电阻炉：650 有强制气流循环和远红外辐射加热炉，前者靠对流传热。,2020/8/8,10,热处理电阻炉的设计是一项综合性的技术工作： 所需知识：炉子知识；热处理工艺；机械设计；电工及温度控制等有关内容； 设计原则：密切结合生产实际，综合运用有关知识。 设计准备：详尽收集有关原始资料： 包括：生产任务(公斤或件/小时或年)及作业制度(一、二班或连续生产)；加热工件的材料、形状、尺寸和重量；工件的热

4、处理工艺规程和质量要求；电源及车间厂房等条件；炉子的制造维修能力和投资金额等。,2020/8/8,11,热处理电阻炉的设计内容 (1)炉型的选择； (2)炉膛尺寸的确定； (3)炉体结构设计(包括炉衬、构架、炉门等)； (4)电阻炉功率的计算及功率分配； (5)电热元件材料的选择； (6)电热元件材料的设计计算； (7)炉用机械设备和电气、控温仪表的设计与选用； (8)技术经济指标的核算； (9)绘制炉子总图、砌体图、零部件图、安装图和编制电炉使用说明书等随机技术文件。,热处理电阻炉设计计算举例,一、设计任务,为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为： (1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的

5、淬火、正火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量； (2)生产率：160kg/h； (3)工作温度：最高使用温度950； (4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。,1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。已知生产率p为160kg/h，按表51选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积,二、炉型的选择,根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻加热炉，不通保护气氛。,三、确定炉体结构和尺寸,2020/8/8,15,有效面积与炉底总面积存在关系式F1/F=0

6、.750.85，取系数上限，得炉底实际面积,根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L =1.741m， B=0 .869m。,由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2：1，而F=LB=0.5L2，因此，可求得,2炉底长度和宽度的确定,3炉膛高度的确定 按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9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=0.640m。 因此，确定炉膛尺寸如下：,炉底支撑砖厚度,拱角砖矮边 高度,炉底搁砖宽度,砖 缝,长度,砖长,为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸

7、为： L效=1500mm ； B效=700 mm； H效=500mm,4炉衬材料及厚度的确定 由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+ 113mrnB级硅藻土砖。 炉顶 采用113mmQN 1. 0轻质粘土砖十80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。 炉底 采用三层QN1.0轻质粘土砖(67 3)mm + 50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门 用65mmQN1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m

8、3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。 炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）,2020/8/8,21,四、砌体平均表面积计算,炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。,炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。 F墙内=2LH十2BH= 2H(L十B) =20.640(1.741+0.869) =3 .341m2 F墙外=2H外(L外+B外)=21.566 (2.360+1.490) =12 .058m2,炉顶平均面积,2炉墙平均面积,五、计算炉子功率 1根据经验公式法计算炉子功率

9、 由式(514),2020/8/8,25,式中：空炉升温时间(h)； F炉膛内壁面积(m2) t炉温()； C系数，热损失大的炉子，C3035；热损失小的炉子，C2025，单位为(kwh0.5)(m1.81.55)。这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉，使用时需注意使用条件并参考有关文献。,取式中系数C=30(kWh0.5)/(m1.8C1.55)，空炉升温时间假定为升= 4h，炉温t =950，炉膛内壁面积F壁,由经验公式法计算得P安75 (kW),(1)加热工件所需的热量Q件 由附表6得，工件在950及20时比热容分别为 C件2 = 0. 63kJ/(kg ) ， C件1=0.486kJ/(

10、kg)， 根据式(51) Q件= P(C件2 t1C件1to) =160 (0.63950-0.486 20) =95117kJ/h （ p每小时装炉量）,(2)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。,2根据热平衡计算炉子功率,耐火层S1的平均温度 ts1均=（950+780）/2=865， 硅酸铝纤维层S2的平均温度 ts2均=（780+485）/2=632.5, 硅藻土砖层S3的平均温度 ts3均=（485+60）/2=272.5， S1、S3层炉衬的热导率由附表3得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均 =0

11、.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(m)。 普通硅酸铝纤维的热导率由附表4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= 632.5 ，得 2=0 .129W/ ( m),当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2经近似计算得=12. 17W /(m2) （综合传热系数） 求热流,验算交界面上的温度t2墙、t3墙,满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。室温20 ,验算炉壳温度t4墙,计算炉墙散热损失 Q墙散=q墙F墙均=730 .4

12、 6.25=4562.5W 同理可以求得 t2顶=844 .39； t3顶=562 .6 ； t4顶=53； q 顶= 485 .4 W/m2,t2底=782 .2，t3底568 .54，t4底=53.7， q底=572 . 2 W/m2 炉顶通过炉衬散热 Q顶散=q顶F顶均=485.42.29=1111.6 W 炉底通过护衬散热 Q底散=q底.F底均=572.2 2.23=1276 W,整个炉体散热损失 Q散=Q墙散+Q顶散十Q底散 =4562 .5+1111 .6+1276 =6950 .1w （因为1W=3.6kJ/h） 所以 Q散 =3.6 6950.1=25020 .4kJ/h,(3

13、)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，根据式(56),式中：C黑体辐射系数； F炉门开启面积或缝隙面积（m）； 3.6系数；炉口遮蔽系数； t炉门开启率(即平均1小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁缝隙而言t=1。,由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为 0.32/0.869= 0.37，（可看出此为一拉长的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为H/S=0.32/0.28=1.14，由图114第1条线查得=0.7，故,0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m),(4)开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式(57 Q吸 )得 Q溢

14、 =qVC(tg t)t 其中，qV由式（58 qva=1997BH ）得,(5)其它热损失 其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故 Q它=0.13(Q件+Q散+Q辐+Q溢) =0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713) =23346 .1 kJ/h,(6)热量总支出 其中Q辅=0，Q控=0，由式(5l0)得 Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h,与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。,(7)炉子安装功率,1正常工作时的效率 由式(512),2.

15、在保温阶段，关闭炉门时的效率,六、炉子热效率计算,七、炉子空载功率计算,八、空炉升温时间计算,由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。,1.炉墙及炉顶蓄热,由式（59）,得：,蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（kJ） （59）,炉底蓄热计算,查附表3得,3炉底板蓄热 根据附表6查得950和20时高合金钢的比热容分别为C板2 = 0 . 670kJ/( kg )和C板1 =0.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=242kg，

16、所以有,Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJ,对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。,由式(513)得空炉升温时间,Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板 =1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ,75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、或YY,、接线。供电电压为车间动力电网380 V 。 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/m2之间，常用为20 25

17、kw/m2之间。,表面负荷在20 25kW/m2常用的范围之内，故符合设计要求。,九、功率的分配与接线,1图表法 由附表15查得0Cr25A15电热元件75kW箱式炉YY接线，直径d = 5mm时，其表面负荷为1. 58W/cm2。每组元件长度L组=50.5m，总长度L总 = 303. 0m,元件总重量G总=42 .3kg,2、理论计算法 (1)求950时电热元件的电阻率t 当炉温为950时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25A15在20时电阻率20=1.40mm2/m，,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YY。,十、电热元件材料选择及计算

18、,2020/8/8,52,2020/8/8,53,(4)每组电热元件端电压 由于采用YY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,(3)每组电热元件功率 由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率,(2)确定电热元件表面功率 由图53，根据本炉子电热元件工作条件取 W允 =1.6W/Cm,电阻温度系数=410-5-1，则1100下的电热元件电阻率为 t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m,（7)电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度由式(527)得 L总=6L组 =652.07=312.44m 电热元件总重量由式(528)得 G总 = 6 G组=67 .26 = 43 .56kg,式中，M由附表12查得M =7. 1g/cm2 所以得,所需电热元件总长度和总重量为 L总= nL （m） （5-27） G总= nG （kg） （5-28）,2020/8/8,5