热处理箱式电阻炉的设计毕业设计.docx

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热处理箱式电阻炉的设计毕业设计

辽宁xx大学

热工过程与设备课程设计

题目：

热处理箱式电阻炉的设计

（生产率150kg/h，功率39kw，工作温度≤600℃）

院（系）：

XX

专业班级：

XX

学号：

XX

学生姓名：

XX

指导教师：

XX

起止时间：

XX

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

材料科学与工程学院　　　　　　　　　教研室：

材料教研室

学号

XX

学生姓名

XX

专业班级

XX

课程设计（论文）题目

热处理箱式电阻炉的设计

生产率150g/h，功率39kw，工作温度≤600℃

课程设计（论文）要求与任务

一、课设要求

熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。

二、课设任务

设计任务：

设计热处理箱式电阻炉，生产率150kg/h，功率39kw，工作温度≤600℃。

1、炉型选择；2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计；4、计算炉子功率；5、炉子热效率计算；6、炉子空载功率计算；7、空炉升温时间计算

8、功率分配与接线；9、电热元件材料选择与计算；10、电热体元件图；11、电阻炉装配图；12、炉子技术指标；13、参考文献。

三、设计说明书要求

设计说明书结构见《设备设计模板》。

工作计划

1．设计方案确定，1天；2．确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算，5天；3．绘制电热元件图和电阻炉草图，书写整理打印设计说明书，3天；4．设计验收及答辩，1天。

指导教师评语及成绩

成绩：

指导教师签字：

学生签字：

年月日

目录

一、炉型的选择2

二、确定炉体结构和尺寸2

三、砌体平均表面积设计4

四、计算炉子功率5

五、炉子热效率计算7

六、炉子空载功率计算7

七、空炉升温时间计算7

八、功率分配与接线9

九、电热元件材料选择与计算9

十、电热体元件图11

十一、电阻炉装配图11

十二、炉子技术指标11

参考文献12

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退火，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：

150kg/h；

（3）工作温度：

最高使用温度≤600℃；

（4）生产特点：

周期式成批装料，长时间连续生产。

一、炉型的选择

根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。

由于小批量生产，品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。

二、确定炉体结构和尺寸

1．炉底面积的确定

炉底面积的计算方法有两种。

一种是根据一次装料量计算，另一种是根据炉底强度指标计算[1]。

因工件的加热周期和装炉量不明确，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。

已知生产率为150kg/h，按表5—1[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），故可求得炉底有效面积

F=p/p0=150/120=1.25m2

由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75～0.85，取系数上限0.85，得到炉底实际面积：

F=F/0.85=1.25/0.85=1.47m2

2．炉底长度和宽度的确定

对于热处理箱式电阻炉，设计时考虑装出料的方便，根据长度与宽度之比，取L/B=2:

1，因此，可求得炉底宽度L=

=2.059m

B=L／2=2.059／2=1.030m为方便砌砖L=2205mmB=1048mm

3．炉膛高度的确定

根据统计的资料，炉膛高度（H）对炉底宽度（B）之比H／B通常在0．52～0．9之间，大多数在0.8左右，根据炉子工作条件，取H／B=0.7左右，选定炉膛高度H=707mm。

因此，确定炉膛尺寸如下

长L=（230+2）×9+（230/2+2）=2205mm

宽B=（120+2）×5+（50+2）×4+（113+2）×2=1048mm

高H=（65+2）×10+37=707mm

为防止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，在一般情况下，要保证炉料上部有200～300mm的空间，有利于辐射与对流传热，由此确定工作室有效尺寸为

L效=2000mm

B效=950mm

H效=500mm

砌体结构如图1所示：

轻质粘土砖硅藻土砖重质粘土砖耐热钢

图1砌体结构示意图

4．炉衬材料及厚度的确定

由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即两层：

113mmQN—1.0轻质粘土砖和180mmB级硅藻土砖。

炉底采用耐火层314mm，材料为113mmQN—1.0轻质粘土砖,绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚180mm。

炉门用65mmQN—1.0轻质粘土砖+65mmA级硅藻土砖。

炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。

炉底隔砖采用重质粘土砖[2]。

三、砌体平均表面积计算

砌体外廓尺寸如图1所示。

L外=L+2×（113+180）=2791mm

B外=B+2×（113+180）=1634mm

H外=H+f+（115+180）+（65+2）×3+180=1523mm

式中：

f—拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R（1-cos30°）=140mm求得。

1.炉顶平均面积

F顶内=（2πR/6）×L=2.42m2

F顶外=B外×L外=4.56m2

F顶均=

=3.320m2

2.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=5.109m2

F墙外=2H外（L外+B外）=13.479m2

F墙均=

=8.298m2

3.炉底平均面积

F底内=B×L=2.311m2

F底外=B外×L外=4.560m2

F底均=

=3.246m2

四、计算炉子功率

1据热平衡计算炉子功率

（1）加热工件所需的热量Q件

由附表6[1]得，工件在600℃及20℃时比热容分别为C件2=0.741KJ/（kg·℃），

C件1=0.486KJ／（kg·℃），根据

Q件=p（C件2t1-C件lt0）=150×（0.574×600-0.486×20）=50202.0KJ/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，将炉门包括在前墙内[3]。

根据式（1—15）[2]

对于炉墙散热，如图5—9[4]所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，炉内温度t1=600℃界面温度为t2=500℃炉壳温度t3=60℃

耐火层S1的平均温度t1均=（600+500）/2=550℃

保温层S2的平均温度t2均=（500+60）/2=280℃

炉衬的热导率由附表3[1]得

λ1=0.29+0.000256×t1均=0.29+0.000256×550=3.113W/（m·℃）

λ2=0.13+0.00023×ts3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/（m·℃）。

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2[1]经近似计算可得αΣ=12.17W/（m2·℃）

a）求热流

q墙=（600-20）/（S1/λ1+S2/λ2+1/αΣ）

=（600-20）/（0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17）

=682.4w/m2

b）计算交界面上的温度t2墙、

t2墙=

=600-682.4×（0.115/3.113）=574.8℃

验算界面温度（t2墙—t2）/t2墙=4.5%<5%

该假设结果满足设计要求，不需要重算.

c）验算炉壳温度t3墙

t3墙=

=574.8-682.4（S2/λ2）=58℃

该结果满足一般热处理电阻炉表面温度<60℃的要求。

d）.计算炉墙散热损失

Q墙散=q墙·F墙均=682.4×8.298=5662.6W

同理可以求得

Q顶散=q墙·F顶均=682.4×3.32=2265.6W

Q底散=q墙·F底均=682.4×3.246=2215.1W

整个炉体散热损失

Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=10143.3W=2819.8kj/h

（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，根据式（5—6）[2]

Q辐=3.6×5.675FΦδt[

-

]

因为Tg=600+273=873K，Ta=20+273=293K，

由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故

炉门开启面积F=B×

=1.048×

=0.370m2

炉门开启率δt=0.1

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且

与B之比为0.35/1.048=0.34，炉门高度与炉墙厚度之比为0.35/0.29=1.21，由图1-14[4]第一条线图1-14[4]查得Φ=0.7故

Q辐=3.6×5.675FΦδt[

-

]=3034.0kJ/h

（4）开启炉门溢气热损失

溢气热损失Q溢=qvaρaCa（tg’-ta）δt

其中

qva=1997·B·

=439.9m3/h

空气密度ρa=1.29kg/m3由附表10[3]得Ca=1.358KJ/（m3·℃）

ta=20℃，tg’为溢气温度，

tg’=20+

（600-20）=406.7℃

Q溢=qvaρaCa（tg’-ta）δt=29800.1KJ/h

（5）其它热量损失

其他热量损失越为上述热损失之和的10％～20％故

Q它=0.12（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=10302.7KJ/h

（6）热量总输出

其中Q辅=0，Q控=0，

Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q损+Q溢+Q它=96158.6KJ/h

（7）炉子的安装功率

P安=

其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则

P安=（1.4×112656）/3600=37.4kw

为减少加热时间，与标准炉子相比较，取炉子功率为39kW。

五、炉子热效率计算

1．正常工作时的效率[4]

由式（5—12）[1]

η=

=50202.0/96158.6=52.2％

2．在保温阶段，关闭炉门时的效率

η=Q件/[Q总-（Q辐+Q溢）]=79.3％

六、炉子空载功率计算

P空=

=3.65kW

七、空炉升温时间计算

由于所设计的箱式电阻炉的耐火层结构相似，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[5]，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=2×（2.205+2×0.115）×0.115×（0.707+0.115）=0.451m3

V前·后粘=2×1.048×0.115×（0.707+0.115）=0.198m3

V顶粘=2.205×1.048×0.115=0.266m3

V侧硅=2×[2.205+2×（0.115+0.232）]×0.232×（0.707+0.115+0.232）=1.444m3

V前·后硅=2×（1.048+0.115×2）×0.232×（0.707+0.115+0.232）=0.625m3

V顶硅=（2.205+2×0.115）×0.232×（1.048+2×0.115）=0.722m3

由式（5—9）因为t粘=（t1+t2墙）／2=（600+574.8）/2=587.4℃

Q蓄=V粘ρ粘C粘（t粘-to）+V硅ρ硅C硅（t硅-t0）

查附表3[3]得

C粘=0.84+0.26×10-3t粘=0.990kJ/（kg·℃）

t硅=（t2墙+t3墙）/2=（574.8+58）/2=316.4℃

查附表3[3]得

C硅=0.84十0.25×10-3t硅=0.919kJ／（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侧硅+V前·后硅+V顶硅）ρ硅C硅（t硅-t0）

=（0.451+0.198+0.266）×1000×0.990×（587.4-20）

+（1.144+0.625+0.722）×500×0.919×（316.4-20）

=853243.0kJ

2.炉底蓄热计算

V底硅=0.018×[2.205+2×（0.113+0.232）]×[1.048+2×（0.113+0.232）]=0.09m3

V底粘=0.067×2[2.205+2×（0.113+0.232）]×[1.048+2×（0.232+0.113）]=0.67m3

查附表3[3]得

C底粘=0.84+0.25×10-3t底粘=0.990kJ／（kg·℃）

t底硅=397℃

查附表3[3]得

C底硅=0.84+0.25×10-3t底=0.919kJ/（kg·℃）

所以得

Q底蓄=0.67×0.990×1000×567.4+0.09×0.919×500×296.4=388614.0kJ

3.炉底板蓄热

根据附表6[1]查得600℃和20℃时高合金钢的比热容分别为：

C板2=0.779kJ/（kg·℃）和C板1=0.473kJ/（kg·℃）。

经计算炉底板重量G=119kg，所以有

Q板蓄=G（C板2t1-C板1t0）=54494.9kJ

Q蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=853243+388614+54495=1296352kJ

由式（5—13）[2]式得空炉升温时间

τ升=1296352/（3600×60）=6h

对于一般周期作业炉升温时间在3-8小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。

由于蓄热是按稳态传导计算的，误差大，实际升温时间应该是4小时左右。

八、功率的分配与接线[6]

39kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y接线。

供电电压为车间动力电网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，内壁表面负击应在15～35kw／m2之间。

F电=2F电侧+F电底=2×2.205×0.707+2.205×1.048=5.43m2

W=P安/F电=37.4/5.43=6.9kW/m2

对于周期作业电阻炉，内壁表面负击应在15～35kw／m2之间，但本炉子的生产率很高，功率很小，导致内壁表面负击很小，所以符合条件。

九、电热元件材料选择及计算

由最高使用温度600℃，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用Y。

[7]

1．理论计算法

（1）求600℃时电热元件的电阻率ρ

当炉温为600℃时，电热元件温度取700℃，由附表12[3]查得0Cr25Al5在20℃时电阻率ρ20=1.40Ω·mm2/m，电阻温度系数α=4×10-5℃-1，则1000℃下的电热元件电阻率为

ρt=ρ20（1+αt）=1.40×（1+4×10-5×700）=1.439Ω·mm2/m

（2）确定电热元件表面功率

由图5—3[4]，根据本炉子电热元件工作条件取W允=3.3W/cm2。

（3）每组电热元件功率

由于采用Y接法，即三相星形接法，每组元件功率

P组=39/n=39/3=13kW

（4）每组电热元件端电压

由于采用Y接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端为每相电压U组=

=220V电压即为每相电压U组=

=220V

（5）电热元件直径由式（5—24）[2得

线状电热元件直径

d=34.3

=3.5mm取d=4mm

（6）每组电热元件长度和重量由式（5—25）[2]得

每组电热元件长度

L组=0.785×l0-3（U组2d2/P组ρt）=32.5m取33m

每组电热元件重量由式（5—28）[2]得

G组=（π/4）d2L组ρm

式中，ρm=7.1g/cm2

所以得

G组=（π/4）d2L组ρm=2.9kg

（7）电热元件的总长度和总重量由式（5—27）[2]得

电热元件总长度

L总=3L组=3×33=99m

电热元件总重量由式（5—28）[2]得

G总=3G组=3×2.9=8.7kg

（8）校核电热元件表面负荷

W实=P组/πdL组=3.1W/cm2

W实

（9）电热元件在炉膛内的布置

按规定，h/d在2～4范围内满足设计要求，取3

h=3d=3×4=12mm

布置电热元件的炉壁长度

L′=L-50=2025-50=1975mm

螺旋体圈数

N=L′/h=1975/12=165圈

丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于700，螺旋节径D=（6—8）d，取D=6d=6×4=24mm

L折=NπD=165×3.14×24×10-3=12.4m

L组/L折=33/12.4=3

根据计算，选用Y方式接线，采用d=4mm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，炉口部分增大功率。

电热元件引出棒材料选用1Crl8Ni9Ti，Φ=12mm，L=500mm.电热元件图如图2、3、4所示。

十、电热体元件图

见附图一

十一、电阻炉装配图

见附图二

十二、电阻炉技术指标（标牌）

额定功率：

39kw，额定电压：

380V;

最高使用温度：

600℃，生产率150kg/h;

相数3，接线方法Y;

工作有效尺寸2000mm×950mm×500mm，外形尺寸：

2791mm×1634mm×1523mm.

参考文献

[1]刘人达.《冶金炉热工手册》.北京：

冶金工业出版社，2002.

[2]编委会.《热处理手册第三卷》.北京：

机械工业出版社，1992.

[3]吴德荣.《工业炉及其节能》.北京：

机械工业出版社，1995.

[4]刘孝曾.《热处理炉及车间设备》.北京：

机械出版社，1985.

[5]陈先咏.《热处理车间设计》.武汉：

华中理工大学出版社，1989.

[6]陈天民.《热处理设计简明手册》.北京：

机械工业出版社，1999.

[7]臧尔寿.《热处理车间设备与设计》.北京：

机械工业出版社，1989.

h=12mm

附图一

d=4mm

D=24mmm

图2螺旋状电热体结构

图3丝状电热体在炉墙上

图4丝状电热体在炉底的安装

附图二

图5箱式炉结构图

1炉门2热电偶3炉壳4炉衬

5罩壳6炉底板7加热元件8炉门升降机