低温井式电阻炉设计docx.docx
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低温井式电阻炉设计docx
材料加热炉基础课程设计
指导老师：
刘志学
作者：
袁勃学号：
080303123专业：
金属材料工程日期：
2011.12.20
1、原始资料收集和炉型的选择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11
4.11功率分配11
5、电热元件的设计
5.1电热元件材料的选择11
5.2元件单位表面功率的确定11
5.3元件直径及长度的确定12
5.4电热元件重量的计算12
5.5电热元件在炉膛内的布置12
6、炉温仪表的选择13
7、炉子技术指标（标牌）13
8、参考资料14
1、原始资料收集和炉型的选择:
综合所设计炉子的工作条件：
（1）炉子的生产任务：
60kg/h
（2）作业制度：
一般制生产；（3）加热工件的材料、形状、尺寸和重量：
?
30X1000的轴类、杆件和长管类工件的回火加热；（4）工件的热处理规程和质量要求；等方面的内容，确定加热炉为：
低温井式电阻炉。
我国生产的低温井式电阻炉最高工作温度为650C。
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？
30X1000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Po（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Fi,总面积为F,且Fi=
（0.7-0.85）F；3）炉子生产率为P,Fi=p/po；
F12
贝y：
L二F,B=（——）LPo一般在80〜120kkmhvi!
~223
23
取Po=1OOkgmh，由已知P=60kg/h,
代入，求得：
L=1029〜1309mmB=514.5〜654.5mm根
据国家标准,取炉膛高度为H=1200mm,直径为D=650mm（炉膛高度与宽度之比多数在0.5-0.9之间,一般取0.8左右。
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）。
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（230X113X65mm）加
砖缝尺寸（一般2mm）的倍数。
1
2
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400〜650C,炉子功率60KW时，耐火层厚度为113mm，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113mm，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：
"1
/
\
1\
/1
/
/
L\
1-L-
/
r
/
/
\
V11
1/
|
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-sin180）―^•1-sin180='）
22s°2
2
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-Citi）,式中P件为炉子的生产率（kg/h）,ti和t2为工件加热的初始和终了温度（C）,Ci和C2为工件在ti和t2时的比
热容（KJ/kgC）,其中P件=60kg/h,ti=20C,t2=650C；对中碳
钢和低合金钢而言，其20C和650C温度时的比热为0.486KJ/kgC
和0.605KJ/kgC,则Q件=P件（C2t2-citi）=23011.8KJ/h
如以加热阶段作为热平衡计算时间单位，贝心Q件=G装（C2t2-citi）/T,式中G装为一次装炉料重量（kg）,t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-citl），式中P辅为每小时加热辅助构件的重量（kg/h）,ti和t2为辅助构件加热的初始和终了温度（C）,Ci和C2
为辅助构件在ti和t2时的比热容（KJ/kgC）,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=292KJ/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
=兰汁，对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，
Si
i=1iFi
t墙=530C,t壳=60C,则耐火层的平均温度为t1=（650+530）
/2=590C,保温层平均温度为t2=（530+60）/2=295C,耐火层、保温层的热导率分别为：
E0.29+0.256X10-3Xh=0.441W/mC
為=0.131+0.23X0-3X2=0.1988W/mC
则q=
t1-tn
650-20
113170
+
0.4410.1988
=566.87W/m
校验界面上的温度t墙和t壳：
S
t墙=650-q=650-566.87X0.113+0.441=504.76°C;△
扎
_530-504.76
530
100%=4.7%<5%
满足设计需要，不需要重算;
S
t壳二t墙-q丄=504.76-566.87>0.17弋.1988=20.01C,很显然
1-2
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>（2兀D+DH）=566.87>（2>3.1416>0.65+0.65>.2）
=2757.3KJ/h
4.4Q辐（开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失）
Q辐=3.6odA①§（Tg4-Ta4），式中A为炉门开启面积或缝隙面
积（m2）；3.6为时间系数；①为炉口遮蔽辐射系数（见图）；》为炉门开启率，对常开炉门和炉壁缝隙而言，3i=1。
设每次装出料所需时间为t=6分钟，则开启率为3i=0.1贝卩：
Tg=650+273=923K
Ta=20+273=293K
炉门开启面积为F=兀R2=0.3318m
「923彳‘293X|4I
Q辐=3.6X5.675>0.3318>i>>-=2921.9KJ/h
问00丿<100J
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＞①只丄i['x8其中,根据图4.11可查得圆形问00丿vooj
路口辐射换热的遮蔽系数①为0.65,则经计算得：
Q溢=879.37KJ/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%=5972.5KJ/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=35834.9KJ/h
4.7炉子安装功率计算：
P安=爲其中K为功率储备系数为T.5,本设计炉为
间歇式周期作业炉，取K=1.5,则：
P安=14.9KW,与标准炉子比，取P安
=16KW.
4.8炉子热效率计算:
23011.8
35834.9
=64.22%
4.9炉子空载功率:
P空=
Q散Q它
3600
2757.35972.5
3600
=2.42KW
4.10炉子升温时间计算：
加热炉的空炉升温时间:
t空二J二空g=0.39h
3600P安3600X16
加热炉的装炉升温时间为:
t装=s=
3600P安
=23011.85972.52922757.3=0.56h
360016
4.11功率分配:
16KW功率均匀分布在炉壁和炉底，接线按单相串联接法n+,供电可采用普通220V或车间动力380V.在低温井式炉中，炉膛内壁表面的功率密度约为：
〜15KW/m2,贝卩16KW功率均匀分布在炉壁和炉底，其密度为16KW/m,在路门口，均可适当加大功率；采用车间动力380V电压接法。
接线方法如图：
V/VxA
5、电热元件的设计
5.1电热元件材料的选择：
由最高使用温度为650C,选用线状0Cr25AI5合金电热元件，接线方式选择单相接法n+。
5.2元件单位表面功率的确定：
查材料加热炉基础P166图9.1可得，在650C条件下，0Cr25AI5合金电热元件的表面允许功率为5.2W/cm2,则0Cr25AI5电热合金的表面允许功率负荷取W.=1.5W/cm2。
5.3元件直径及长度的确定：
由以上知，电阻炉总功率为P安=16KW，选用电热体根数n=1，则单根电热体的设计功率为P=16KW，同时采用380V单相接法，其端电压为U=380V,由附表查20C时0Cr25AI5的电阻率为
20=1.40Qmm2/m,炉温为650C时电热元件温度1100°C,在此温
度下，电热元件的电阻率为Piio0=P20（1+at）=1.4OX（1+4X1Q-5X11QQ）
=1.46Qmm2/m。
则，线状电热元件的直径d可由下式求得：
2
d=34.3X3；—怛=4.11mm
\UWai
线状电热元件的总长度L可由下式求得：
L=J1QP^=94.34m
.4兀goWai
5.4电热元件重量的计算：
查附表得到QCr25AI5电热元件的比重为丫=7.1g/cm3，则长度为L的电热元件的重量为：
G二兰l1o-3=8.9Kg
4
5.5电热元件在炉膛内的布置：
将电热元件均匀分布在炉壁和炉底，电热元件绕成螺旋状，当温度高于1000C时，螺旋节径D=（4〜6）d,取D=4d=4X
4.11mm=16.44mm螺旋体圈数N和螺距h分别为：
N二L/二D=46.2圈h=H/N=25.97mm。
电热元件在炉膛内的布置方式如简图：
a
b
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
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0C〜650C,铁-康铜工业用标准热电偶，其温度测量范围为-40C〜760C,适用于氧化性气氛、还原型气氛、中性气氛以及真空环境，在500C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。
温度控制柜选择背景佳凯中兴自动化技术有限公司生产的ZKW-0025型温度控制柜，其额定功率16KW，匹配本设计炉额定功率。
7、炉子技术指标（标牌）：
额定功率：
16KW
额定电压：
380V
使用温度：
650C
生产率：
60kg/h
接线方法：
单相接法
丄作至有效尺寸：
?
650mmxi200mm
重量：
出厂日期：
8、参考资料：
8.1杨君刚著材料加热炉基础
西北工业大学出版社
2009
8.2吉泽升等编著热处理炉.
哈尔滨工程大学出版社
2004
8.3李均益主编炉温仪表与控制北京：
机械工业出版社
1981
8.4吴光英主编新型热处理电炉国防工业出版社1982
8.5重启大学编.热处理车间设计.机械工业出版社1982
8.6热处理设备及设计编写组.山东人民出版社1977
8.7孟繁杰，黄国靖合编.热处理设备.山东：
机械工业出版社
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