箱式热处理炉课程设计doc.docx

1、箱式热处理炉课程设计doc河北工程大学热处理工程基础课程设计课程设计报告10级金材三班目 录1 前 言 11.1 本设计的目的 11.2 本设计的技术要求 12 设计说明 22.1 确定炉体结构和尺寸 22.1.1 炉底面积的确定 22.1.2 确定炉膛尺寸 22.1.3 炉衬材料及厚度的确定 32.2 砌体平均表面积计算 32.2.1 炉顶平均面积 32.2.2 炉墙平均面积 42.2.3 炉底平均面积 42.3 根据热平衡计算炉子功率 42.3.1 加热工件所需的热量Q件 42.3.2 通过炉衬的散热损失Q散 42.3.3 开启炉门的辐射热损失 62.3.4 开启炉门溢气热损失 62.3.

2、5 其它热损失 62.3.6 热量总支出 72.3.7 炉子安装功率 72.4 炉子热效率计算 72.4.1 正常工作时的效率 72.4.2 在保温阶段，关闭时的效率 72.5 炉子空载功率计算 72.6 空炉升温时间计算 72.6.1 炉墙及炉顶蓄热 82.6.2 炉底蓄热计算 82.6.3 炉底板蓄热 92.7 功率的分配与接线 92.8 电热元件材料选择及计算 102.8.1 图表法 102.8.2 理论计算法 102.9 炉子技术指标（标牌） 11一.设计任务 设计一台高温电阻炉，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

3、件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；（3）.最高工作温度：750；（4）.生产率：70kg/h；（5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。二 确定炉体结构和尺寸 1.确定炉膛有效尺寸因无定型产品，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=70，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为100kg/(m2h)。故可求的炉底的有效面积 F1=P/P0=0.7 m2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 因此，可求的： L效=1.18 m B效=L效/2=0.59 m2.确定炉膛砌体尺寸按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通

4、常在0.50.9之间，根据炉子的工作条件，取H/B=0.8左右。则H=0.640 m可以确定炉膛尺寸如下 L=L效+0.218=1.398m B=B效+0.619=0.928m H=0.8B=0.067*11=0.737m三.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113mmB级硅藻土砖。 炉顶采用113mmQN1.0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QN1.0轻质粘土砖（673）mm50mm的普通硅酸铝纤维毡182mmB

5、级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm QN1.0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。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+80+115)=1958mmB外B+2(115+80+115)=148mmH外H+f+(115+80+115)+673+50+182 =737+124+310+268+50+182 =1604mm 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）求得。

6、 炉顶平均面积F顶内L=1.358 m2 F顶外B外L外=2.914 m2 F顶均1.989m2 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）=1.3853.429m2F墙外2H外(L外B外)=11.055m2F墙均6.157m2 炉底平均面积F底内BL1.297m2F底外B外L外2.941m2F底均1.944m2四.计算炉子功率1.根据经验公式法计算炉子功率由经验公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系数C=30(kMh0.5)/(m1.81.55),空炉生温时间假定问升=4h，炉温t=750。F壁=2*（

7、1.398*0.737）+2*（0.928*0.737）+1.398*0.928+2*3.14*0.928*60/360*1.398=6.09 m2 所以 304-0.56.090.9（750/1000）1.55= P安 解得，P=48.78kW 暂取P安=50kW 2.根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量Q件查表得，工件在750及20时比热容分别为c件20.624kJ/(kg)，c件10.486kJ/(kg)Q件p(c件2t1c件1t0)70(0.6247500.48620)32105kJ/h（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

8、，将炉包括在前墙内。 根据式 Q散 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙620，t3墙360，t4墙60则耐火层s1的平均温度ts1均685，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均490，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均210，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得 10.29+0.25610-3ts1均0.465W/(m) 30.131+0.2310-3ts3均0.119W/(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490，得 20.100W/(m) 当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2近似计算得12.17

9、W/(m) a.求热流 q墙 496.4W/ m2b.验算交界面上的温度t2墙，t3墙t2墙=t1q墙627.31.16%5%，满足设计要求，不需重算。 t3墙=t2墙q墙379 4.7%5%，满足设计要求，不需重算。c.验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙q墙60.770满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。d.计算炉墙散热损失 Q墙散q墙F墙均496.43.173056.3W同理可以求得t2顶=646.9, t3顶=296.9, t4顶=55.63, q顶419.6 W/ m2t2底=618.4, t3底=446.7, t4底=44.3, q底301.5 W/ m2炉顶通过炉衬散热 Q顶散q

10、顶F顶均834.6 W炉底通过炉衬散热Q底散q底F底均601.2 W整个炉体散热损失 Q散Q墙散Q顶散Q底散 4492.1 W （3）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3.65.675Ft（）4（）4因为Tg7502731023K，Ta20273293K，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FB0.342 m2 炉门开启率t0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.40，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.7，由图114第1条线查得0.6，故 Q辐3.65.675Ft（）4（）4 3.65.6750.3420.10.7（）4（）4 10207

11、.6kJ/h（4）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，qva2200B=457.6 m3/h冷空气密度a1.29kg/ m3,由附表10得ca1.342kJ/( m3),ta=20, tg为溢气温度，近似认为tgta(tg-ta) 20(750-20)=506.7Q溢qvaaca(tgta) t457.61.291.342(75020)0.138553.1 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0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=11950.1kJ/h热量总支出其中Q辅0，Q控0，由下式得Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q

12、溢+ Q它=97307.9kJ/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2，则 P安54.1kW与标准炉子相比较，取炉子功率为60kW。五. 炉子热效率计算1.正常工作时的效率=33.0%2.在保温阶段，关闭时的效率66.1% 六.炉子空载功率计算 P空4.57kW 七.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。1.炉墙及炉顶蓄热V侧粘21.398(110.067+0.135)0.115=0.280m3V前后粘2(0.928+0

13、.1152)(150.067+0.135)0.115=0.304m3V顶粘0.97(1.398+0.276)0.115=0.187m3V侧纤2(1.398+0.115)(110.067+0.135)0.05=0.132m3V前后纤2(0.928+0.1152)(150.067+0.135)0.05=0.132m3V顶纤1.092(1.398+0.276)0.08=0.146m3V侧硅2 (150.067+0.135)(1.398+0.115)0.115=0.397m3V前后硅21.398(150.067+0.135)0.115=0.367m3V顶硅2.31.3980.115=0.370 m3Q

14、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）/2688.65查附表3得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3688.65=1.019 kJ/(kg) t纤（t2墙t3墙）/2503.15查附表3得 c纤0.81+0.2810-3t纤0.84+0.2610-3503.15=0.951 kJ/(kg)t硅（t3墙t4墙）/2219.85查附表3得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2610-3219.85=0.895 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

15、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) 673837.33 kJ/h2.炉底蓄热计算V底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042+0.065)0.113+(0.1130.120)21.398+(1.488-0.1152)(1.958-0.115)0.065 0.288m3V底纤1.9581.4880.050.146m3V底硅1.9581.4880.1820.535m3由于t底粘（t1t2底）/2(750+618.4)/2684.2查附表3得 c底粘0.84+0.2610-3t底粘1.02 kJ/(kg) t底纤（t2底t3

16、底）/2(618.4+446.7)/2532.55查附表3得 c底纤0.81+0.2810-3t底纤0.959 kJ/(kg) t底硅（t3底t4底）/2(446.7+44.3)/2245.5查附表3得 c底硅0.84+0.2510-3t底硅0.901 kJ/(kg)所以得Q底蓄0.2881.01031.02(684.2-20)+0.1460.251030.959(532.55-20)+0.5380.51030.901(245.5-20)267710.64 kJ/h3.炉底板蓄热根据附表6查得750和20时高合金钢的比热容分别为c板20.691kJ/(kg)和c板10.473kJ/(kg)。经

17、计算炉底板重量G=336kg，所以有 Q板蓄G(c板2t1- c板1t0)=336(0.6917509.46)170953.44 kJ/hQ蓄Q蓄1Q底蓄Q板蓄1112501.41 kJ/h空炉升温时间 升5.15h 对于一般周期作业炉，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。八.功率的分配与接线30kW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， F电2F电侧F电底21.3980.737+1.3980.928=3.357 m2

18、WP安/F电60/3.35717.87 kW/ m2 对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kW/ m2 之间，故符合设计要求。九.电热元件材料选择及计算由最高使用温度750，选用线状0Cr25Al15合金电热元件，接线方式采用YY。1.图表法由附表15查得0Cr25Al1电热元件30kW箱式炉YY接线，直径d4.5mm时，其表面负荷为1.39W/ cm2。每组元件长度L组50.1m,总长度L总300.6m,元件总重量G总36.4kg。2.理论计算法（1）、求750时电热元件的电阻率t 当炉温为750时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25Al5在20时电阻率201.40mm2

19、/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)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m（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/ cm2。（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 P组60/n=30/(32)10kW（4）、每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压 U组380/=220V（5）、电热元件直径 线状电热元件直接由下式得 d34.34.2mm取d=4.5mm（6）、每组电热元件长度和重量 每组电热

20、元件长度由下式得 L组0.78510-3 52.7m 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M7.1g/ cm2所以得 G组d2 L组M5.95kg（7）、电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度 L总3L组316.2m 电热元件总重量 G总3G组35.7kg（8）、校核电热元件表面负荷W实1.34W/ 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5折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 L折L组/5=52.7/5=10.54m 布置电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000。由表55可知，螺旋节径D=(46)d， 取D=6d6

21、4.527mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为 NL折/D10.54/(3.1427) 103125圈 hL/N10.8mm h/d=2.4 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d4.5mm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。十.炉子技术指标（标牌）额定功率：60kW 额定电压：380V使用温度：750 生产率：70 kg/h相数：3 接线方法：YY工作室有效尺寸：1180*590*470 外型尺寸：1958*1488*1604重量： 出厂日期：十一.参 考 文 献1、热处理炉 吉泽升编著 哈尔滨工程大学出版社2、热处理工程基础 陆兴主编 机械工业出版社