刘东辉热处理设备课程设计报告.docx

刘东辉热处理设备课程设计报告.docx

《刘东辉热处理设备课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《刘东辉热处理设备课程设计报告.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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℃90kg/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），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/（m2·h）。

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/F0=～，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=mB=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=1392mm

B=（120+2）×3+（40+2）×2+（113+2）×2=680mm

H=（65+2）×7+21=490mm

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=1200mmB效=500mmH效=350mm

F壁=2×（L×H）+（L×B）+2（B×H）+2××B×1/6×L=

由经验公式可知：

P安=Cτ-0.5升（t/1000）

取式中系数C=30〔（kM·/·℃〕,空炉升温时间假定为τ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－轻质粘土砖（67×3）mm＋50mm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65mmQN－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Cr－Mn－N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）=1950mm

B外＝B+2×（115+50+115）=1240mm

H外＝H+f+（115+80+115）+67×4+50+182=1390mm

式中：

f＝——拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径R＝B，则f可由f＝R（1－cos30°）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＝2LH＋2BH＝2H（L＋B）＝2××+=m2

F墙外＝2H外（L外＋B外）＝2××+=m2

F墙均＝

＝m2

炉底平均面积

F底内＝B×L＝×＝m2

F底外＝B外×L外＝×=m2

F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2t1－c件1t0）＝90××650－×20）＝60609kJ/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＝

对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t’2墙＝540℃，t’3墙＝320℃，

t’4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

λ1＝+×10-3ts1均＝（m·℃）

λ3＝+×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

λ2＝（m·℃）

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2近似计算得αΣ＝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=t1－q墙

＝℃

Δ＝

＝

＝%

Δ<5%，满足设计要求，不需重算。

t3墙=t2墙－q墙

＝℃

Δ＝

＝

＝%

Δ<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/m2

t2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＝2556W

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＝×φδt[（

）4－（

）4]

因为Tg＝650＋273＝923K，Ta＝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F＝B×

＝×

＝m2

炉门开启率δt＝

＝

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1－14第1条线查得φ＝，故

Q辐＝×φδt[（

）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＝qvaρaca（t’g－ta）δt

其中，qva＝1997B·

·

＝1997×××

=h

冷空气密度ρa＝m3,由附表10得ca＝（m3·℃）,ta=20℃,t’g为溢气温度，近似认为t’g＝ta＋

（tg-ta）＝20＋

（650-20）=440℃

Q溢＝qvaρaca（t’g－ta）δt＝×××（440－20）×＝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＝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

η＝

=60609/=%

在保温阶段，关闭时的效率

η＝

＝%

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侧硅＝2×[（10×+×+×]=

V前·后硅＝2×[×（15×+×]=

V顶珍≈××=m3

Q蓄＝V粘ρ粘c粘（t粘－t0）+V纤ρ纤c纤（t纤－t0）+V硅ρ硅c硅（t硅－t0）

因为t粘＝（t1＋t2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）ρ粘c粘（t粘－t0）+（V侧纤+V前·后纤+V顶纤）ρ纤c纤（t纤－t0）+

（V侧硅+V前·后硅+V顶硅）ρ硅c硅（t硅－t0）

＝493808kJ/h

炉底蓄热计算

V底粘＝[4××+×+×2）×+××2]×+

＝

V底纤＝××＝

V底硅＝××＝

由于t底粘＝（t1＋t2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××+

××103××

＝172327kJ/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）=180××650－＝kJ/h

Q蓄＝Q蓄1＋Q底蓄＋Q板蓄＝766807kJ/h

空炉升温时间

τ升＝

＝

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。

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、Δ或YY、ΔΔ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15～35kW/m2之间，常用为20～25kW/m2之间。

F电＝2F电侧＋F电底＝2××+×=m2

W＝P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ρt

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ρ20＝Ω·mm2/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+4×10-5×1100）=Ω·mm2/m

2、确定电热元件表面功率

由图5－3，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＝kW

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

d＝

＝mm

取d=mm

6、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＝

d2L组ρM

式中，ρM由附表12查得ρM＝cm2

所以得

G组＝

d2L组ρM＝

7、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

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，当元件温度高于1000℃。

由表5－5可知，螺旋节径D=（4～6）d，

取D=5d＝5×＝24mm

螺旋体圈数N和螺距h分别为

N＝L折/πD＝×24）×103＝170圈

h＝L’/N＝（1392-50）/170＝

h/d=3=

按规定，h/d在2～4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，φ＝12mm，l＝500mm。

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：

90kg/h

相数：

3接线方法：

Y

工作室有效尺寸：

1200×500×350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