刘东辉热处理设备课程设计报告.docx

1、刘东辉热处理设备课程设计报告北 华 航 天 工 业 学 院热处理设备课程设计课程设计报告报告题目：650 90kg/h的箱式电阻炉设计 作者所在系部： 材 料 工 程 系 作者所在专业： 金 属 材 料 作者所在班级： B08821 作 者 姓 名 ： 刘 东 辉 作 者 学 号 ： 104 指导教师姓名： 范 涛、陈志勇 完 成 时 间 ： 2011-10-20 热处理设备课程设计任务书课题名称 650 90 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间2011-10-20指导教师陈志勇、范涛职称高工、讲师学生姓名刘东辉班 级B08821总体设计要求和技术要点总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步

2、的设计思想和分析问题、解决问题的能力，了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、结构尺寸设计计算、绘图、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握设计热处理设备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要点为：1.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。2.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3.最高工作温度：650、750、850、950、1100、1200（选一个温度）；4.生产率：60-120kg/h（分7份）；5.生

3、产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作内容及时间进度安排1.热处理设备设计准备 天2.箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、计算分配电阻炉加热功率 天3.计算电热元件尺寸、进行结构设计 天3.核算设备技术经济指标 天4.绘制电阻炉总图、电热元件零件图 天5.编写设计说明书、使用说明书 天6.设计总结 天7.答辨 天课程设计成果1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下：（1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析；（b）、设计计算过程；（c）、炉子技术指标；（d）、参考文献。2、设计图纸：（1)电阻炉总图一张（A3

4、），要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（b）、尺寸及其标注方法正确；（c）、视图、剖视图完整正确；（d）、注出必要的技术条件。（2）零件图3张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（A4）。3、使用说明书：电阻炉的技术规范及注意事项等。内 容 摘 要650 90kg/h的箱式电阻炉的设计。包括炉型的选择、选择炉体材料、箱式电阻炉结构尺寸设计计算、计算分配电阻炉加热功率、计算电热元件尺寸、核算设备技术经济指标、绘图（电阻炉总图一张，电热元件零件图，炉门图，炉衬图）。关键词：箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指标前 言 本设计的目的设计650 90kg/h的箱式电阻炉本设计

5、的技术要求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淬火、正火、调质处理及回火。（2）.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；（3）.最高工作温度：650；（4）.生产率：90kg/h；（5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。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，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=90，按表5-1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)。故可求的炉底的有效面积 F1=P/P0= m2 由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F

6、0=，取系数上限，得炉底实际面积 F=F1/= 确定炉膛尺寸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，因此，可求的： L= m B=L/2= m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 L= m B= m 按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在之间，根据炉子的工作条件，取H/B=左右。则H= m可以确定炉膛尺寸如下 L=(230+2)6=1392 mm B=(120+2)3 +(40+2)2+（113+2）2=680 mm H=(65+2)7+21=490 mm确定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空间，确定工作室有效尺寸为 L效=1200

7、mm B效=500 mm H效=350 mm F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+2B1/6L=由经验公式可知： P安=C-0.5升(t/1000) 取式中系数C=30(kM/,空炉升温时间假定为升=4h，炉温t=650。 所以 P安= 30（650/1000） = kW暂取 P安=30kW 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113mmQN轻质粘土砖50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡113mmB级硅藻土砖。 炉顶采用113mmQN轻质粘土砖80mm密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维毡115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN轻质粘土

8、砖（673）mm50mm的普通硅酸铝纤维毡182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm QN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。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。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。 砌体平均表面积计算L外L+2(115+50+115)=1950 mmB外B+2(115+50+115)=1240 mmH外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =1390 mm 式中：f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径RB，则f可由fR（1cos30

9、）求得。 炉顶平均面积F顶内L= F顶外B外L外 m2 F顶均 m2 炉墙平均面积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2LH2BH2H（LB）2+= m2F墙外2H外(L外B外)2+= m2F墙均 m2 炉底平均面积F底内BL m2F底外B外L外= m2F底均 m2 根据热平衡计算炉子功率 加热工件所需的热量Q件查表得，工件在650及20时比热容分别为c件2(kg)，c件1(kg)Q件p(c件2t1c件1t0)9065020)60609 kJ/h 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，将炉门也包括在前墙内。 根据式 Q散

10、 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙540，t3墙320，t4墙60则耐火层s1的平均温度ts1均595，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均430，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均190，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得 1+10-3ts1均(m) 3+10-3ts3均(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430，得 2(m) 当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2近似计算得 W/(m) (1)求热流 q墙 m2(2)验算交界面上的温度t2墙，t3墙t2墙=t1q墙%5%，满足设计要求，不需重算。

11、 t3墙=t2墙q墙 %5%，满足设计要求，不需重算。(3)验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙q墙70满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。(4)计算炉墙散热损失 Q墙散q墙F墙均 W同理可以求得t2顶=, t3顶=, t4顶=, q顶 W/ m2t2底=, t3底=, t4底=, q底 W/ m2炉顶通过炉衬散热 Q顶散q顶F顶均 W炉底通过炉衬散热Q底散q底F底均 W整个炉体散热损失 Q散Q墙散Q顶散Q底散2556 W 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Q辐t（）4（）4因为Tg650273923K，Ta20273293K，由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故

12、炉门开启面积 FB m2 炉门开启率 t由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为，炉门开启高度与炉墙厚度之比为，由图114第1条线查得，故 Q辐t（）4（）4 （）4（）4 h开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t其中，qva1997B1997=h冷空气密度a m3,由附表10得ca( m3),ta=20, tg为溢气温度，近似认为tgta(tg-ta) 20(650-20)=440Q溢qvaaca(tgta) t(44020) kJ/h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(Q件+Q散+Q辐+Q溢)= kJ/h热量总支出其中Q辅0，Q控

13、0，由下式得Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它= kJ/h炉子安装功率P安 其中K为功率储备系数，本炉设计中K取，则 P安与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW。炉子热效率计算正常工作时的效率=60609/ =%在保温阶段，关闭时的效率%炉子空载功率计算 P空 kW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，将炉子侧墙和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。炉墙及炉顶蓄热V侧粘2(10+=V前后粘2+2)(15+=V顶粘+=V侧纤2+(10+=V前后纤2+2)(15+=V顶纤+=V侧

14、硅2 (10+=V前后硅2(15+=V顶珍 = m3Q蓄V粘粘c粘(t粘t0)+V纤纤c纤(t纤t0)+ V硅硅c硅(t硅t0)因为t粘（t1t2墙）/2查附表3得 c粘+10-3t粘+10-3= kJ/(kg) t纤（t2墙t3墙）/2查附表3得 c纤+10-3t纤+10-3= kJ/(kg)t硅（t3墙t4墙）/2查附表3得 c硅+10-3t硅+10-3= kJ/(kg)所以得Q蓄1(V侧粘+ V前后粘+ V顶粘)粘c粘(t粘t0)+(V侧纤+ V前后纤+ V顶纤)纤c纤(t纤t0)+( V侧硅+ V前后硅+ V顶硅)硅c硅(t硅t0) 493808 kJ/h炉底蓄热计算V底粘4+2)+2

15、+ V底纤V底硅由于t底粘（t1t2底）/2(650+/2查附表3得 c底粘+10-3t底粘 kJ/(kg) t底纤（t2底t3底）/2+/2查附表3得 c底纤+10-3t底纤 kJ/(kg) t底硅（t3底t4底）/2+/2查附表3得 c底硅+10-3t底硅 kJ/(kg)所以得Q底蓄103+103+103172327 kJ/h炉底板蓄热根据附表6查得650和20时高合金钢的比热容分别为c板2(kg)和c板1(kg)。经计算炉底板重量G=180kg，所以有 Q板蓄G(c板2t1- c板1t0)=180650 kJ/hQ蓄Q蓄1Q底蓄Q板蓄766807 kJ/h空炉升温时间 升对于一般周期作业

16、炉，其空炉升温时间在38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。功率的分配与接线35kW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380V。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2025 kW/ m2 之间。 F电2F电侧F电底2+= m2 WP安/F电35/2. 31 m2 故符合设计要求。电热元件材料选择及计算由最高使用温度650，选用线状0Cr25Al15合金电热元件，接线方式采用Y。图表法由附表15查得0Cr25Al1电热

17、元件35kW箱式炉Y接线，直径d时，其表面负荷为 cm2。每组元件长度L组,总长度L总,元件总重量G总。理论计算法1、求650时电热元件的电阻率t 当炉温为650时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25Al5在20时电阻率20mm2/m，电阻温度系数410-5-1,则1100下的电热元件电阻率为 t20(1+t)= (1+410-51100)= mm2/m2、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 cm2。3、每组电热元件功率 由于采用Y接法，即三相双星形接法，每组元件功率 P组35/n=35/3 kW4、每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网

18、电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压 U组380/=220V5、电热元件直径 线状电热元件直接由下式得 d mm取d= mm6、每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由下式得 L组10-3 =10-3 每组电热元件重量由下式得G组d2 L组M式中，M由附表12查得M cm2所以得 G组d2 L组M7、电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度 L总3L组3 电热元件总重量 G总3G组8、校核电热元件表面负荷W实 cm2 W实 W允，结果满足设计要求。9、电热元件在炉膛内的布置 将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 L折L组/4=4 布置电热元件绕成螺旋状，当元件

19、温度高于1000。由表55可知，螺旋节径D=(46)d， 取D=5d524mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为 NL折/D24) 103170圈 hL/N（1392-50）/170 h/d=3= 按规定，h/d在24范围内满足设计要求。 根据计算，选用Y方式接线，采用d所用电热元件重量最小，成本最低。 电热元件节距h在安装时适当调整，炉口增大功率。 电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，12mm，l500mm。炉子技术指标（标牌）额定功率：35kW 额定电压：380V使用温度：650 生产率：90 kg/h相数：3 接线方法：Y 工作室有效尺寸：1200500350 外型尺寸：重量： 出厂日期：参 考 文 献1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著,哈尔滨工程大学出版社2、工程制图 大连理工大学出版社组编3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组指导教师评语及设计成绩 评 语 课程设计成绩： 指导教师： 日期： 年 月 日