材料加热炉基础课程设计.docx
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材料加热炉基础课程设计
课程设计任务书
设计题目低温井式电阻炉的设计
学生姓名***
学生学号******
专业班级****************
指导教师
设计
题目
低温井式电阻炉的设计
成绩
课
程
设
计
主
要
内
容
根据所给的设计任务，进行低温井式电阻炉的炉膛的尺寸设计，炉子砌砖体的设计，包括炉衬材料的选择、炉墙设计、炉底设计、炉顶设计、炉门设计，炉子功率计算和分配，有效热Q件计算、辅助构件热损失Q辅计算、炉衬热损失Q散计算、Q辐计算、炉门溢气热损失Q溢计算、其它热损失Q它计算、炉子安装功率计算、炉子热效率计算、炉子空载功率计算、炉子升温时间计算、功率分配、井式电阻炉接线方式、功率的调节方法，电热元件的设计，包括电热元件材料的选择、电热元件单位表面功率的确定、电热元件尺寸的确定、电热元件重量的计算、电热元件的安装；炉温仪表的选择；炉子技术指标（标牌）；低温井式电阻炉使用说明书，包括开炉前的准备、开炉生产、使用注意事项及维护。
指
导
教
师
评
语
1、设计任务············································2
2、炉膛尺寸的确定···························································2
3、炉子砌砖体的设计
3.1炉衬材料的选择·······················································4
3.2炉墙设计································································4
3.3炉底设计································································5
3.4炉顶设计································································5
3.5炉门设计································································6
4、炉子功率计算和分配
4.1有效热Q件计算························································8
4.2辅助构件热损失Q辅计算············································8
4.3炉衬热损失Q散························································8
4.4Q辐计算·····································································9
4.5炉门溢气热损失Q溢··················································10
4.6其它热损失Q它························································10
4.7炉子安装功率计算····················································10
4.8炉子热效率计算·······················································10
4.9炉子空载功率··························································11
4.10炉子升温时间计算··················································12
4.11功率分配·······························································12
4.12接线方式·······························································12
4.13功率的调节方法······················································12
5、电热元件的设计
5.1电热元件材料的选择·················································13
5.2电热元件单位表面功率的确定·····································13
5.3电热元件尺寸的确定··············································13
5.4电热元件重量的计算·················································14
5.5电热元件的安装··········································14
6、炉温仪表的选择·····························································16
7、炉子技术指标（标牌）····················································16
8、使用说明书···················································16
8.1开炉前的准备·················································16
8.2开炉生产·················································16
8.3使用注意事项及维护················································17
9、参考资料·····································································17
1、设计任务：
1．设计题目：
低温井式电阻炉的设计
2．设计任务：
（1）设计目的：
设计可用于碳钢、合金钢回火的低温箱式电阻炉
（2）设计参数：
1）工件长1500mm采用吊装；周期性成批装料，长时间连续生产；炉膛尺寸：
Ф900mm；
2）最高使用温度：
650℃；
3）空炉升温时间：
＜2h
4）炉壳表面温升<60℃
2、炉膛尺寸的确定：
炉膛尺寸主要根据工件形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率等来确定，同时还应考虑工件在炉内对方方式和运动方式、传热条件与炉温分布、电热元件及炉内构件的维修等问题，包括炉膛空间尺寸和有效加热区尺寸。
本次所设计电阻炉，工作对象为L1500的轴类、杆件和长管类低碳钢、低合金钢工件的回火加热。
对于工件加热周期和装炉量不明确的情况下，如通用炉设计，此时常采用加热能力指标法进行设计，求出B、L后，与标准系列炉尺寸进行比较后确定实际炉底尺寸，以便选用标准尺寸炉底板：
假设：
1）炉底单位面积生产率为P
（单位时间内单位炉底面积所能加热金属重量）；2）炉底有效面积为F1，总面积为F，且F1=（0.7-0.85）F；3）炉子生产率为P，F1=p/p0；
因为炉膛直径D=900mm,取B=900mm；低温炉以对流为主，炉膛应低些，以提高热效率。
）同时，一般在装料上、下方应保持200-300mm的空间，工件距加热元件100～200mm。
标准搁砖每层高度67mm（包括灰缝）。
则取：
L=2000mm
P
一般在80～120㎏/㎡·h；取P
=100㎏/㎡·h，F1=0.8F；由已知P=100×0.8×0.9×2=144㎏/h，
综上所述：
取炉膛高度为H=2000mm，直径为D=900mm
3、炉子砌砖体的设计：
3.1炉衬材料的选择
炉衬由耐火材料与保温材料砌筑成耐火层和保温层，其直接受炉内高温影响，因此其应耐高温，同时，耐火材料的结构强度决定了耐火层的强度，保温层其隔热保温作用。
在低温热处理炉中常用的耐火材料为粘土砖、高铝砖、少量碳化硅制品等等。
目前在保证结构强度的前提下，一般都用轻质砖，其比重轻、导热系数小、高温强度满足要求等优点。
3.2炉墙设计
炉墙主要为砌体，外部包炉壳钢板。
低温炉炉墙一般分两层，内层耐火层常用轻质粘土砖砌筑，外层为保温层，由保温材料构成。
因此炉膛尺寸应为标准砖尺寸（230×113×65mm）加砖缝尺寸（一般2mm）的倍数。
1：
铁板；2：
保温层；3：
耐火层
参考《材料加热炉基础》P140炉墙，在炉温400～650℃，炉子功率150KW时，耐火层厚度为115mm，保温层厚度150～200mm，再综合标准砌筑时的标准尺寸，课确定本低温井式炉轻质耐火粘土砖厚115mm，保温层为轻质硅藻砖，厚170mm。
同时，为防止炉墙反复热胀冷缩，发生开裂，在此炉墙黏土层内，每米长度应留5～6mm的膨胀缝，个层间的膨胀缝应错开，缝内填入马粪纸或不完全灰浆。
3.3炉底设计
炉底起保持炉内热量和承载工件的作用，通常电阻炉炉底结构是在炉底外壳钢板上用保温砖（硅藻砖）砌成方格子状，在格子内填充保温材料散料（蛭石粉），再在上面平铺1-2层保温砖，接着铺一层轻质粘土砖，上面安置支撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。
其厚度可参考炉墙的厚度来决定，故两层厚度取300mm，炉底砌筑如下：
上半部分为格子形式，下半部分为平铺实砌
3.4炉顶设计
炉顶结构有平顶和拱顶两种，一般简单的热处理炉大都采用拱顶，标准拱角60º，拱顶质量及其受热时产生的膨胀力形成的侧推力作用在拱角上。
因此，拱角常用轻质楔形砖砌筑，上砌筑轻质保温制品，而拱角则用重质砖砌筑，以承受较大的侧推力，厚度115mm的轻质耐火砖和230mm的蛭石粉，拱顶的砌筑方法有错砌和环砌两种，错砌用于炉内各处工作温度一致，不须经常拆修的热处理炉及烟道的拱顶；环砌用于各段温度不一致的连续作业炉的拱顶或工作温度比较高、损坏快、要经常修理的设计，因此，本次设计炉采用错砌，其结构如下：
1.拱顶2.拱顶砖3.拱顶砖厚4拱顶矢高
h=R·（1-sin
）·
·（1-sin
）
R为拱顶内半径；B为炉膛宽度mm
=60ºR=B/2
3.5炉门设计
炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。
炉门洞口截面尺寸要保证装出料方便和炉子安装电热元件和维修的需要，通常应小于炉膛截面尺寸，以减少热损失和保护电热元件。
高温炉的炉门洞口长度应较大，以减少炉门洞口的辐射热损失。
炉门洞口的砌体常受工件摩擦碰撞，应采用重质砖或其它较坚固的耐火砖砌筑。
炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好（特别是可控气氛）和减少热损失。
其基本结构特点是：
要有足够厚的保温层，炉门边缘与炉门框要重叠65～130mm，炉门要压紧炉门框，炉门下缘常楔入工作台上的砂槽内，炉门与炉门框间加密封垫圈，并考虑减轻炉门重量等。
最常用的炉门压紧方法是在炉门侧面设置楔铁或滚轮，当炉门落下时，楔铁或滚轮滑入炉门框上的楔形滑槽或滑道内，炉门越向下，炉门将越压紧炉门框。
一般靠自重使楔铁滑入楔形槽内，有时在炉门下设一气缸，靠气缸的活塞杆作用把炉门拉下，使滚轮或楔铁与滑道或楔形槽配合更紧密，将炉门紧压在炉门框上。
4、炉子功率计算（平衡法）和分配
一般炉子的能量消耗项包括加热工件吸收的能量Q件（有效热）、通过炉壁的散热损失Q散（空载时主要能量消耗项，无效热损失）、砌体畜热量Q畜（周期作业炉主要能量消耗项，无效热损失）、炉内气体外溢和对外辐射热损失Q溢和Q辐（与炉子温度和操作状态有关，对高温炉应特别注意该两项能量损失，对敞开炉门的炉子，此项热损失有时成为能量消耗的重要项目）、可控气体的热损失Q控（决定于气体消耗量，采用密封式自动装卸料的炉子，其气体消耗量和热能损失可大为降低）、炉内金属构件直接伸出炉外的短路损失Q短（在机械化作业炉子上较为严重，对于一般炉子应尽量避免）、料盘和夹具等反复加热和冷却带来的辅助构件热损失Q辅（有时也占较大比例，在可能的情况下应尽可能减少辅助构件或不使辅助构件反复拉出炉外）、供电设备和导线引起的电能消耗Q供（对直接从电网供电的炉子一般较小，仅占总损失的1％，但对经变压器降压、低压大电流供电的炉子，此项电能消耗也很可观），此外，炉子能量消耗还有许多项目难于计算，设计时归入其它热损失Q它项目中。
4.1有效热Q件计算：
Q件＝P件（c2t2-c1t1），式中P件为炉子的生产率（kg/h），t1和t2为工件加热的初始和终了温度（℃），c1和c2为工件在t1和t2时的比热容（KJ/kg℃），其中P件＝150kg/h，t1＝20℃，t2＝650℃；对中碳钢和低合金钢而言，其20℃和650℃温度时的比热为0.486KJ/kg℃和0.605KJ/kg℃，则Q件＝P件（c2t2-c1t1）＝57529.5KJ/h
如以加热阶段作为热平衡计算时间单位，则：
Q件＝G装（c2t2-c1t1）/τ加，式中G装为一次装炉料重量（kg），τ加为加热阶段时间（h）。
4.2辅助构件热损失Q辅（包括料筐、工夹具、支承架、炉底板及料盘等）
Q辅＝P辅（c2t2-c1t1），式中P辅为每小时加热辅助构件的重量（kg/h），t1和t2为辅助构件加热的初始和终了温度（℃），c1和c2为辅助构件在t1和t2时的比热容（KJ/kg℃），其值大小主要由加热辅助构件来决定，应在使用环境中合理计算,一般也可取炉衬散热的5%～10%,在本低温井式炉中去上限Q辅＝10%Q散＝392.7KJ/h
4.3炉衬热损失Q散
在炉体处于稳态传热时，通过双层炉衬的散热损失为：
Q散＝
，对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t
=530℃，t
=60℃，则耐火层的平均温度为t1=（650+530）/2=590℃，保温层平均温度为t2=（530+60）/2=295℃，耐火层、保温层的热导率分别为：
λ1=0.29+0.256×10
×t1=0.441W/m℃
λ2=0.131＋0.23×10
×t2=0.1988W/m℃
则q=
=
=566.87W/m
校验界面上的温度t
和t
：
t
=650-q
=650-566.87×0.113÷0.441=504.76℃；△=
=4.7%<5%；满足设计需要，不需要重算；
t
=t
-q
=504.76-566.87×0.17÷0.1988=20.01℃，很显然满足设计需要，不需要重算。
则炉墙的辐射散热为：
Q散=qF=566.87×（2πR*R+πDH）=566.87×（2×3.1416×0.9×0.9+3.1416×0.9×2）=3926.8KJ/h
4.4Q辐（开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失）
Q辐＝3.6σ0AΦδi（Tg4-Ta4），式中A为炉门开启面积或缝隙面积（㎡）；3.6为时间系数；Φ为炉口遮蔽辐射系数（见图），查《热处理炉》图1-14，Φ=0.8；δi为炉门开启率，对常开炉门和炉壁缝隙而言，δi＝1。
设每次装出料所需时间为t=6分钟，则开启率为δi=0.1则：
Tg＝650+273=923K
Ta＝20+273=293K
炉门开启面积为F=πR
=0.6362㎡
Q辐＝3.6×5.675×0.6362×δi×Φ×
=7470.1KJ/h
4.5开启炉门溢气热损失Q溢：
根据材料加热炉基础P74式4.32g可知,开启炉门溢气热为：
Q溢＝5.675×Ф×F×
×δi其中,根据图4.11可查得圆形路口辐射换热的遮蔽系数Ф为0.8,则经计算得:
Q溢＝2075.2KJ/h
4.6其它热损失Q它：
一般对电阻炉,其它热损失约为上述热损失的10%～20%,故:
Q它＝（Q件＋Q辅＋Q散＋Q辐＋Q溢）×20%=14278.9KJ/h
热量总支出为Q总:
其中Q短＝0,由下式得:
Q总＝Q件＋Q辅＋Q散＋Q辐＋Q溢＋Q它＋Q短＝85673.2KJ/h
4.7炉子安装功率计算:
P安＝
其中K为功率储备系数为1.3～1.5,本设计炉为间歇式周期作业炉,取K=1.5,则:
P安＝30.9～35.7KW,与标准炉子比,取P安＝35KW.
4.8炉子热效率计算:
ƞ＝
＝
＝67.15%
4.9炉子空载功率:
P空＝
＝5.06KW
4.10炉子升温时间计算:
加热炉的空炉升温时间:
t
=
=0.46h
加热炉的装炉升温时间为：
t
=
=0.60h
4.11功率分配:
本设计中井式炉功率较小，故将35kW功率平均分布在炉壁，在低温井式炉中，炉膛内壁表面的功率密度约为：
～15kW/㎡，则35kW功率均匀分布在炉壁，其密度为15kW/㎡。
但因井式炉的炉口部分密封不严产生溢气，炉盖较薄散热厉害，炉底因炉气上浮和散热面较大，炉温也偏低，且此炉中无强制对流，故在炉口和炉底部位适当加大功率。
4.12接线方式
采用车间电网电压380V。
因为本次设计的炉子功率为35kW，采用三相星形接法。
4.13功率的调节方法
本设计中采用变压器调节法：
对功率在100kW以下的中小型电炉，可将电加热体与变压器的次级线圈串联起来，通过调节改变次级线圈的电压即可改变炉子的功率。
变压器具有较多的电压调变分头，可使炉子的功率十分均匀地进行调变。
目前应用较多的是可以带负荷调节的磁性调压器。
五、电热元件的设计
5.1电热元件材料的选择
因为本次设计中炉子的最高使用温度为650℃，采用0Cr25Al5合金，此种合金电阻率大，电阻温度系数小，功率稳定，耐热性好，抗渗碳，耐硫蚀，价格便宜，应用广泛。
5.2电热元件单位表面功率的确定
由以上计算可知，电阻炉总功率为P安＝35kW，同时采用380V星形接法，其端电压为U组=380/
=220V。
参照《热处理炉》附表15，选用电热体组数n1=3，则每组电热体的设计功率为P组=P安/n1=35/3=811.67kW在炉子工作温度为650℃时，每组电热元件的电阻为R组=U组2/P组×10-3=2202/11.67×10-3=4.15Ω。
5.3电热元件尺寸的确定
电热元件工作温度一般比炉温高100～200℃，所以当炉温为650℃时，电热元件的温度大约在800℃，查《热处理炉》表5-3得，此时0Cr25Al5电热合金的表面允许负荷为W允=3.1W/cm
。
查《热处理炉》附表得20℃时0Cr25Al5的电阻率为ρ=1.40Ω·mm/m，电阻温度系数α=4×10-5℃-1，则800℃时电热元件的电阻率为ρt=ρ20（1+αt）=1.40×（1+4×10-5×800）=1.44Ω·mm/m
则线状电热元件的直径d为
d=34.3×
=34.3×
=3.75mm
线状电热元件的总长度L为
L组=0.785×10-3R
U组d
/ρt=0.785×10-32d
P/（P组ρt）=0.785×10-3×2202×32/（11.67×1.44）=31.78m
所以电热元件的总长度L总=nL组=3×31.78=95.35m
丝状电阻丝一般绕成螺旋管状，绕制节径D和螺距h应保证不坍塌，同时又要热屏蔽小。
D和h小，虽然不易坍塌，但热屏蔽大，所以不能过大或过小。
查《热处理炉》表5-5可知，对于铁铬铝合金，工作温度小于1000℃时，节径D=（6～8）d=（6～8）×3.75=22.5～30mm，螺距h=（2～4）d=（2～4）×3.75=7.5～15mm。
取节径D=25mm，螺距h=10mm，
螺旋柱长度L组’=L组h/（πD）=31.78×10/（3.1416×25）=4.05m。
5.4电热元件重量的计算
查表得0Cr25Al5电热元件的密度为ρM=7.1g/cm
，则电热元件的重量为G组=
=（3.1416×3.752/4）×31.78×7.1×10-3=2.49Kg
所以电热元件的总重量为G总=nG组=3×2.49=7.48Kg
W实=P组/（πdL组）=（11.67×103）/（3.1416×0.375×3178）=3W/cm5.5电热元件的安装
1．电热元件在炉膛内的布置
本设计的炉子中为螺旋状电热元件，均匀分布在炉墙上，因为炉膛内墙水平面圆周长为3.1416×0.9=2.83m，因为4.05/2.83=1.43，所以将每组电阻丝平均分为2折，每折长2.83m，并将每折绕成圈，超出部分与引出端相连，水平搁在炉壁的搁砖上。
因为一共有2×3=6根电阻丝，且炉膛高度为2.0m，每相邻两根电阻丝中心在竖直面上相距2000/7=285.6，取电阻丝间距286mm，电阻丝距上下285mm.即285×2+286×5=2000mm。
如简图：
a.螺旋形电热元件放在炉墙搁丝砖上
b.螺旋形电热元件放在炉底沟槽中
2．电热元件的引出端
电热元件穿过炉壁引出炉外的部分称为引出端。
引出端与炉壳的连接必须保证密封、牢固、绝缘和拆卸方便。
电热元件引出端需穿过炉壁，散热条件很差，为防止引出端温度过高，应加大引出端尺寸。
对金属电热元件需另外焊接一不锈钢引出棒，其截面积应为元件的3倍以上。
3．电热元件的焊接
电热元件的焊接质量非常重要，质量不好容易产生局部烧坏，并且有可能产生脆性，易于折断。
本设计中使用的铁铬铝合金焊接时会晶粒粗大，并且无法热处理细化，需快速焊接，一般质量要求的可用电弧焊，质量要求较高时应采用氩弧焊，元件各部分直接按的焊接常采用搭焊，元件与引出棒之间采用钻孔焊。
6、炉温仪表的选择：
本次设计的低温井式电阻炉，加热区为一个区，且加热温度区间为0℃～650℃，铁-康铜工业用标准热电偶，其温度测量范围为-40℃～760℃，适用于氧化性气氛、还原型气氛、中性气氛以及真空环境，在500℃以下稳定性良好，故能满足大多数中碳钢、低合金钢的回火加热。
7、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：
150㎏/h
接线方法：
三相星型空载功率：
5.06kW
工作室有效尺寸：
Ø900mm×2000mm空炉升温时间：
<2h
重量：
出厂日期：
8、使用说明书
8.1开炉前的准备
1．检查电器控制箱和炉内是否有能引起电器危险的物件。
2．合闸后检查控制箱内的电器和仪表是否正常，并打开仪表开关，使其处于工作状态。
8.2开炉生产
1．将温度自动控制仪表按工艺规程设定好温度。
2．将控制柜“手把”放在自动控制的位置，升温。
3．冷炉升温，到温后保温2h，即可装入工件（连续生产，允许连续装炉）。
4．装出炉零件应拉闸断电，使用手压油泵或开启油泵和液压管路的截门及开关，提升炉盖。
5．工件可以悬挂在保护筐架上，也可装在夹具上放入炉内。
6．盖上炉盖，使炉盖边重合在石墨盘条的槽内，保持炉盖的水平。
7．按工艺规定进行操作。
8.3使用注意事项及维护
1．炉温最高不超过650℃。
2．装入零件勿高于装料筐的上端。
3．不允许炉温高于400℃时打开炉盖激烈冷却。
4．不装入潮湿和带油污的工件。
5．不在没有保护框架的情况下，使用炉子。
6．每月打扫一次炉膛，清除氧化皮及其他污物。
7．每月检查炉盖、炉膛内的衬砌情况，发现损坏及时修理。
8．每月检查电阻丝引出棒的夹头紧固情况，
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