热处理设备课程设计.doc
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热处理设备课程设计
目录
1热处理设备课程设计的意义和目的 1
2热处理设备课程设计的任务 1
3炉型的选择 1
4确定炉体结构和尺寸 2
4.1炉底面积的确定 2
4.2炉底长度和宽度的确定 2
4.3炉膛高度的确定 3
4.4炉膛尺寸的确定 3
4.5炉衬材料及厚度的确定 3
5砌体平均表面积计算 4
5.1砌体外廓尺寸 4
5.2炉顶平均面积 4
5.3炉墙平均面积 4
5.4炉底平均面积 5
6计算炉子功率 5
6.1根据经验公式法计算炉子功率 5
6.2根据热平衡法计算炉子功率 6
6.3炉子的安装功率 10
7炉子热效率计算 11
7.1炉子正常工作时的效率 11
7.2在保温阶段，关闭炉门时的效率 11
8炉子空载功率计算 11
9空炉升温时间计算 11
9.1炉墙和炉顶蓄热 11
9.2炉底蓄热计算 13
9.3炉底板蓄热 14
9.4整个炉子蓄热量 14
9.5空炉升温时间 14
10功率的分配与接线 15
11电热元件材料的选择及计算 15
12课程设计感想 18
附图：
箱式电阻炉剖视图
II
25Cr2MoV车床变速器齿轮 回火热处理
箱式电阻炉设计
1热处理设备课程设计的意义和目的
热处理设备课程设计是在学生较为系统地学习了热处理原理与工艺、传热基本原理、气体力学、燃料与燃烧、耐火材料、电热原理、炉子构造等专业基础知识上开设的。
是高等工业学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是继热处理工艺课程设计后的又一个教学环节。
其目的是：
培养学生综合运用以上所学的知识独立分析和解决热处理工程技术问题的能力，掌握热处理设备（主要是热处理炉）设计的一般程序和方法，了解如何进行设计计算、设备工程图绘制，以及懂得如何查找和使用设计资料。
2热处理设备课程设计的任务
设计一台台车式热处理炉，其技术要求如下：
（1）用途：
25Cr2MoV车床变速器齿轮回火热处理
（2）生产率：
200Kg/h
（3）最高工作温度：
750℃
（4）生产特点：
周期式成批装料，长时间连续生产
3炉型的选择
根据设计任务的要求，综合工件的特点、技术要求、产量大小、劳动条件等多方面因素，以“优质、高效、低耗、清洁、灵活”为目标，选择箱式电阻炉，不通入保护气体。
4确定炉体结构和尺寸
4.1炉底面积的确定
由于该电阻炉主要用于尺寸较小的车床变速器齿轮回火热处理工序，生产批量大大，所以不宜采用实际排料法。
因此炉底面积的确定采用加热能力指标法。
既根据炉底单位面积生产率P0来计算（单位面积生产率指炉子在单位时间内单位炉底面积所能加热的金属质量）。
概略计算时，可按单位炉底生产率P0的经验值计算。
已知生产率P=200kg/h，查得单位面积生产率P0为100kg/（m2.h），故可求得炉底有效面积
F1=P/P0=200/100=2m2
式中F1—有效炉底面积（m2）
P0—单位炉底面积生产率（kg/（m2.h））
由于有效面积与炉底面积存在关系式F1/F=70%-85%，取比值系数为0.80，炉底实际面积
F=F1/0.80=2/0.80=2.5m2
4.2炉底长度和宽度的确定
根据经验公式：
L=B=
由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便，取L=；B=L。
因此可求得：
L===2.236m
B=L=0.5×5=1.118m
根据标准砖尺寸（230×114×65），为了方便砌砖，取L=2.205m，B=1.104m
4.3炉膛高度的确定
据统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B多数在0.5-0.9范围内变动,根据电阻炉工作条件，取H/B=0.7左右，可计算炉膛高度：
H=0.7×B=0.7×1.118=0.783m
根据标准炉砖次村，选炉膛高度H=0.774m。
4.4炉膛尺寸的确定
综上，确定炉膛尺寸如下：
长L=（230+2）×9+（230×+2）=2205mm
宽B=（120+2）×5+（65+2）×4+（114+2）×2=1110mm
高H=（65+2）×11+37=774mm
注：
为了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的空间，确定工作室有效尺寸为
L=2000mm
B=900mm
H=650mm
4.5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114mmQN-0.6轻质黏土砖+114mm硅藻土砖（C级）+60mm密度为250kg/m的普通硅酸铝纤维毡
炉顶采用114mmQN-0.8轻质黏土砖+114mm膨胀珍珠岩+60mm密度为250kg/m的普通硅酸铝纤维毡
炉底采用三层QN-0.8轻质黏土砖（67×3）mm+117mmB级硅藻砖和膨胀珍珠岩复合炉衬+50mm密度为250kg/m的普通硅酸铝纤维毡。
炉门采用65mm轻质黏土砖+65mmA级硅藻土砖+60mm密度为250kg/m的普通硅酸铝纤维毡.
炉底搁砖采用重质粘土砖（LZ-48），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，分四块，厚度18mm。
5砌体平均表面积计算
5.1砌体外廓尺寸
L=L+2×（116+116+60）=2789mm
B=B+2×（116+116+60）=1694mm
H=H+f+（116+116+60）+67×4+50+117
=774+150+292+268+50+117=1651mm
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=R（1-cos30）求得f=150mm。
5.2炉顶平均面积
F顶内==×2.205=2.562m2
F顶外=B外×L外=1.694×2.789=4.725m2
F顶均===3.479m2
5.3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）=2×0.774×（2.205+1.110）=5.132m2
F墙外=2H（L+B）=2×1.651×（2.789+1.694）=14.803m2
F墙均===8.716m2
5.4炉底平均面积
F底内=B×L=1.110×2.205=2.448m2
F底外=B×L=1.694×2.789=4.725m2
F底均===3.401m2
6计算炉子功率
6.1根据经验公式法计算炉子功率
由下式
P安=CF0.9（）1.55
取式中系数C=30[（KW·h0.5）/（m1.8·℃1.55）],空炉升温时间定为=3h，炉温t=750℃，炉膛内壁面积：
F壁=2×（2.205×0.774）+2×（1.110×0.774）+2.205×1.110+2×3.14×1.110
××2.205
=10.141m2
所以
P安=CF0.9（）1.55
=30×3-0.5×10.1410.9×（）1.55
=81.2KW
由经验公式法计算得到炉子的安装功率P安：
P安85KW）
6.2根据热平衡法计算炉子功率
6.2.1加热工件所需的热量Q件
由附表6得，工件在750℃及20℃，时比热容分别为C=1.051kJ/（kg），C=0.486kJ/（kg），根据下式：
Q=P（C×t-C×t）
=200×（1.051×750－0.486×20）
=145196KJ/h
6.2.2通过炉衬的散热损失Q散
由于炉子的侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为了简化计算，将炉门包括在前墙内。
根据计算公式：
Q散=
对于炉墙散热，如图6.1所示
图6.1炉墙结构图
对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，℃，=℃，℃则
耐火层的平均温度℃
硅藻土砖层的平均温度℃
硅酸铝纤维层的平均温度℃
层炉衬的热导率由表6.1查得：
表6.1热处理常用耐火材料导热率
材料和牌号导热率/（℃）密度（g）比热容
膨胀珍珠岩0.04+0.220.31-0.135
轻质粘土砖（QN-0.6）0.165+0.1940.600.84+0.26×10-3t
硅藻土C级0.159+0.310.650.81+0.28×10-3t
W/（m·℃）
0.306W/（m·℃）
普通硅酸铝纤维毡的热导率查表得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热
率与温度成线性关系：
由℃，得W/（m·℃）。
表6.2普通硅酸铝导热率
密度/
100℃
400℃
700℃
1000℃
1000.0580.1160.210.337
2500.0640.0930.140.209
3500.0700.0810.1210.122
当炉壳温度为50℃，室温为20℃时，由表经近视计算达a∑=11.44W/（m·℃）
①求热流
==416.8W/
②验算交界面上的温度
℃
Δ=满足设计要求，不需重算。
℃
Δ=4.9%满足设计要求，不需重算
③验算炉壳温度
56.5℃<70℃
满足一般热处理电阻炉表面温升<50℃的要求。
④计算炉墙散热损失
·=416.8×8.716=3632.8W
同理可求得
℃，℃，341.9W/
℃，℃，℃，=315W/
炉顶通过炉衬散热341.9×3.479=1189.5W
炉底通过炉衬散热315×3.401=1071.3W
整个炉体散热损失
=3632.8+1189.5+1071.3=5893.6W=21217kJ/h
6.2.3开启炉门的辐射热损失Q辐
设装出料所需时间为每小时8分钟设有公式：
因为，
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
炉门开启率
由于炉门开启后。
辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.387/1.110=0.35,炉门开启高度与炉墙厚之比为0.387/0.28=1.38,查孔口的遮蔽系数得5，
故
=3.6×5.675×0.43×0.1×0.75×
=5856.8KJ/h
6.2.4开启炉门溢气热损失Q溢
由溢气损失公式
其中=1997BH=1997×1.110×0.387×=533.7m3/h
冷空气密度查表得·℃）,,为溢气温度，近似认为
=533.7×1.29×1.373×（473.3-20）×0.1=42849.2kJ/h
6.2.5其他热损失Q他
其他热损失约上述之和的10%―20%，故取15%，
=0.15×（145196+21217+5856.8+42849.2）
=32267.9kJ/h
6.2.6热量总支出Q总
其中则
=145196+21217+5856.8+42849.2+32267.9
=247386.9kJ/h
6.3炉子的安装功率
由式子P安=其中，K为功率储备系数，本炉设计中K取1.2，则
P安==KW
与标准炉子相比较，取炉子功率为85KW.
7炉子热效率计算
7.1炉子正常工作时的效率
由式子
===58.7%
7.2在保温阶段，关闭炉门时的效率
73.1%
8炉子空载功率计算
P空===9.6KW
9空炉升温时间计算
由于设计的炉子的耐火层结构相似，而保温层由于比热容小，蓄热量较少，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经行单独计算，因升温时炉底板也随炉升温，故也纳入计算中。
9.1炉墙和炉顶蓄热
2×[2.205×（12×0.067+0.135）×0.116]=0.480m3
2×[（1.110+0.116×2）×（15×0.067+0.135）×0.116]=0.355m3
0.97×（2.205+0.276）×0.116=0.279
2×[（12×0.067+0.135）×（2.205+0.116）×0.116]=0.472
2×[1.694×（25×0.067+0.135）×0.116]=0.711
2.789×1.694×0.116=0.548
2×[（2.205+0.116）×（12×0.067+0.135）×0.060]=0.262
2×（0.67+0.116×2）×（15×0.067+0.135）×0.060=0.123
1.071×（2.205+0.276）×0.06=0.159
有如下公式
计算轻质粘土砖比热容C黏
因为t黏===615.5℃
查附表经计算得轻质粘土砖比热容：
C黏=0.84+0.26×10-3t黏=0.8+0.26×10-3×615.5=0.96KJ/（kg）
计算硅藻土砖比热容C硅
因为℃
查附表经计算得硅藻土砖比热容：
c=0.84+0.25×10-3=0.84+0.25×10-3×425=0.95KJ/（kg）
计算硅酸铝纤维毡保温层比热容C纤
因为
查附表经计算得硅酸铝纤维毡比热容：
c=0.81+0.28×10-3=0.81+0.28×10-3×214.75=0.87KJ/（kg）
炉顶珍珠岩按硅藻土砖进行近似计算，炉顶温度按侧墙温度进行近似计算，所以得：
（+）+（++）
+（++）
=（0.480+0.355+0.279）×0.6×103×0.96×（615.5－20）
＋（0.472+0.711+0.548）×0.65×103×0.95×（452－20）
＋（0.262+0.123+0.159）×0.135×103×0.87×（214.75－20）
=382110.9+461761.6+12443.1
=856315.6kJ
9.2炉底蓄热计算
炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质粘土砖。
炉底的复合炉衬按硅藻土计算。
+++
=（0.120×0.020×5+0.065×0.230×4+0.114×0.230×2）×2.205=0.274m3
=（0.114×0.065×5+0.114×0.065×3）×2.205+（1.694－0.114×2）
×（2.789－0.114）×0.065
=0.386m3
=2,789×1.694×0.05=0.236m3
=2,789×1.694×0.114=0.539m3
由于
近视将重质砖和轻质砖平均温度看作相等。
经查表计算可得：
=0.88+0.23×10-3t=0.88+0.23×10-3×625.8=1.04KJ/（kg）
=0.84+0.26×10-3t=0.84+0.26×10-3×625.8=1.01KJ/（kg）
经查表计算得：
=0.84+0.26×10-3t=0.84+0.26×10-3×411.25=0.95KJ/（kg）
经查表计算得：
=0.81+0.28×10-3t=0.81+0.28×10-3×158.3=0.854KJ/（kg）
所以可以计算得到：
=+
++
=0.274×2.4×103×1.04×（625.8-20）+0.368×0.8×103×1.01×（625.8-20）
+0.539×0.65×103×0.95×（411.25-20）+0.2360×0.125×103×0.854×（158.3-20）
=414309+188941.8+130220.7+3484.2=736955.7kJ
9.3炉底板蓄热
知750和20时高合金钢的比热容分别为=0.875kJ/（kg）和=0.437kJ/（kg）。
经计算炉底板质量G=312kg，所以有
=G（-）=312×（0.875×750-0.437×20）=188373kJ
9.4整个炉子蓄热量
=++=856315.6+736955.7+188373=1781644.4kJ
9.5空炉升温时间
对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8h内均可，故本炉子设计符合要。
因计算蓄热时是按稳态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4h以内
10功率的分配与接线
85KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成YY连线。
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，内壁表面负荷应在15-35KW/m2之间，常用20-25KW/m2之间。
F电=2F电侧+F电底=2×2.205×0.774+2.205×1.110=5.86m2
W===15KW/m2
表面负荷在常用的范围15-25KW/m2之内，故符合设计要求。
11电热元件材料的选择及计算
由最高使用温度750，选用线状Cr15Ni60合金元件，接线方式采用YY。
理论计算法：
（1）求700时电热元件的电阻率
当炉温为700时，电热元件温度取900，由附表12查得Cr15Ni60在20的电阻率=1.10mm2/m，电阻温度系数=14×10-5-1，则900下的电热元件电阻率为
=（1+t）=1.10×（1+14×10-5×900）=1.24mm2/m
（2）确定电热元件表面功率
根据本炉子电热元件工作条件取=1.5W/cm2
（3）由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率
===14.2kW
（4）由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故组电热元件端电压即为每相电压
=220V
（5）电热元件直径
线状电热元件直径
d=34.35.16mm
取d=6mm。
（6）每组电热元件长度
=0.785×10-3=0.785×10-3×=78.23m
每组电热元件重量=
式中，=8.2g/cm2
所以得=18.35kg
（7）电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度=6×78.23=469.4m
电热元件总重量=6×18.35=110.1kg
（8）校核电热元件表面负荷
=0.96W/cm²
，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
=15.65m
布置电热元件的炉壁长度L’=L-50=2205-50=2155mm
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于900℃，查表可知，螺旋节经D=（4-6）d,取D=5d=5×6=30mm
螺旋体圈数N和螺距h分别为
N=166.1圈
h=mm
h/d=12.97/6=2.16
按规定，在2-4范围内满足设计要求。
根据计算，选用YY方式接线，采用d=6mm用电热元件重量最小，成本最低。
电热元件节距h在安装的适当调整，炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，φ=10mm，l=400mm
11炉子技术指标（标牌）
额定功率：
85KW额定电压：
380V
最高使用温度：
750℃生产率：
200kg/h
相数：
3接线方法：
YY
工作室有效尺寸：
2000×900×650外形尺寸：
2789×1694×1651
重量：
kg出厂日期：
12课程设计感想
通过本次热处理设备课程设计，在整个设计过程中学习到了许多新的知识，锻炼了动手和动脑能力。
热处理设备为金属材料专业的一门理论加实践的基础课程，它是继金属学、材料科学基础、热处理原理课程学习完以后又一门专业课。
通过热处理设备的设计可以了解到热处理炉设计的基本方法，可以根据热处理工件的大小、尺寸、型号和形状等。
通过课程设计的实践训练，培养我们独立查阅文献资料的能力，在独自遇到相关问题的情况下，通过自己的努力，获得解决问题的方法。
通过该课程设计的实践与锻炼，让我了解到热处理炉的原理及内部真正结构，也让我们能够根据具体要求，自己能够设计出所需的炉型、结构、功率等。
使自己动手能力大大增强。
另外，通过该课程设计的实践，让我们把理论与实践相结合，在实践过程中理解与消化课堂上学到的理论知识。
同时经过反复的理论和实践的相互交流和印证，可以融汇贯通，对我们以后进入工作岗位会有极大的实践经验与理论支持。
在整个课程设计过程中，感谢张路宁老师，金光老师等老师的辛勤指导和答疑。
参考文献
[1]吉泽升.《热处理炉》.哈尔滨工程大学出版社.1999年1月.
[2]叶宏.《热处理原理及
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