盐浴炉的设计插入式电极盐浴炉课程设计说明书.docx
《盐浴炉的设计插入式电极盐浴炉课程设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《盐浴炉的设计插入式电极盐浴炉课程设计说明书.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
盐浴炉的设计插入式电极盐浴炉课程设计说明书
插入式电极盐浴炉课程设计
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.设计任务
设计一台热处理炉。
其技术条件：
（1）用途T10手工锯条的淬火；处理批量为大批量，温度760℃
，保温时间为5min；
（2）装炉量：
12kg/次；
（3）生产率：
96kg/h；
（4）工作温度：
最高使用温度≤780℃
（5）生产特点：
周期式成批装料，长时间连续生产。
3.炉型的选择
根据设计任务给出的生产特点，拟选用插入式电极盐浴炉。
4.确定炉体结构和尺寸
4.1浴槽尺寸的确定
确定浴炉的浴槽尺寸的原则：
根据周期式工件产量的排布确定其浴槽的尺寸
（1）周期工件数量：
400件，20个一组；
（2）零件尺寸如图4.1所示：
315×12×0.65
（3）盐浴炉两侧预留尺寸为：
124/134（有电极）
（4）工件摆放的横间距：
25
（5）工件摆放的竖间距：
50
图4.1处理零件图
摆放的形式如图4.2所示分两层，每层放十组
框的尺寸为：
550×415×200
图4.2装框图
已知有效尺寸为：
550×415×200
由工件的排放可以计算得：
浴槽的长度:
L＝2×124+50×11=798
浴槽的宽度:
B=50×2+315+134×2=683
盐浴容量一般为浴槽的高度尺寸的2/3，同时根据工件的排放要求（放两层工件）求得为：
h=200+100×2=400，此高度为盐浴炉的溶盐的高度;
则可求得浴槽的高度H=400×3/2=600;
4.2坩埚的尺寸确定
坩埚是在8mm厚的耐热钢板焊成的炉胆内用水泥结合耐火浇注材料（GL-70），其烘干后密度为1230kg/m³浇注成形的
，其尺寸如下图4.3所示：
（单位：
mm）
图4.3炉胆
4.3炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙，前墙及后墙的工件条件相似，采用相同炉衬结构,按设计需求炉胆内再加一层粘土砖（硅藻土砖A级）113×230×65（最高使用温度900℃）将65的那边贴着炉胆的外侧，230那边则放置在高的方向；
为了保温需求，炉胆外侧加一层普通硅酸铝纤维针刺毯子，要求其厚度为77；
在毯子外侧再加一层粘土砖予以保温固定,此粘土砖硅藻土砖A级为113×230×65，此次的113那面则是朝炉胆方向；如下图4.4所示：
图4.4炉子的俯视图
盐炉的炉底用水泥浇注而成，厚度为300mm;
炉盖外边用薄钢板，盖内部用普通粘子予以保温，盖中间留有一个直径为10cm的孔用于观察其盐浴的工作情况。
电极根据工作要求选用0Cr25Al5,其炉膛温度为760℃，允许表面负荷W允=2.6-3.0。
电阻率1.80Ω·mm²/m,电阻温度系数3.5×1/100000/℃,熔点为1500℃.
5砌体外廓尺寸
L外=L+2×（132+116+77+67+8）=1672mm；
B外=B+2×（132+116+77+67+8）=1493mm；
H外=H+300+130+8+200=1038mm≤
6炉体各层的温度的计算
6.1炉体侧面的各层的温度计算
已知炉内温度t1=780℃（用最高使用温度来算）,要求定炉外温度t5≤50℃；
假设t2=730℃t3=670℃t4=150℃t5=40℃；
水泥浇料层S1=130mm平均温度为t1均=755℃
粘土砖层S2=114mm的平均温度为t2均=700℃
针刺毯子层S3=75mm的平均温度为t3均=410℃
粘土砖层S4=65mm的平均温度为t4均=95℃
S1/λ1=130/（2.09+0.00186×t1均）=37.2
S22/λ2=114/（0.689+0.00064×t2均）=100.2
S3/λ3=75/0.19=394.7
S4/λ4=65/（0.689+0.00064×t4均）=86.7
由炉壳温度为40℃，室温为20℃，
可用综合导热系数ɑ∑=12.83W（㎡·℃）
求热流量
q墙=（tg-ta）/（S1/λ1+S2/λ2+S3/λ3+S4/λ4+1/α∑）=1.2W/㎡
验算交界面上的温度实际的t2实t3实t4实
t2实=t1-q墙×S1/λ1=735℃
Δ=（t2实-t2）/t2=0.07%
Δ﹤5%，满足设计要求；
t3实=t1-q墙×（S1/λ1+S2/λ2）=615℃
Δ=（t3实-t3）/t3=0.5%
Δ﹤5%，满足设计要求；
t4实=t1-q墙×（S1/λ1+S2/λ2+S3/λ3）=141℃
Δ=（t4实-t4）/t4=4.9%
Δ﹤5%，满足设计要求；
t5实=t1-q墙×（S1/λ1+S2/λ2+S3/λ3+S4/λ4）=37.4℃
Δ=（t5实-t5）/t5=0.49%
Δ﹤5%，满足设计要求；
6.2炉体的底部的温度的计算
已知炉内温度t1=780℃（用最高使用温度来算）,要求定炉外温度t3=50℃；假设t2=700℃；按照设计要求S1=130mmS2=300mmλ1=2.09+0.00186×t1均λ2=0.689+0.00064×t2均t1均=740℃t2均=375℃q底=（tg-ta）/（S1/λ1+S2/λ2+1/α∑）=2.02W/㎡
t2实=t1-q底×S1/λ1=704℃
Δ=（t2实-t2）/t2=0.57%
Δ﹤5%，满足设计要求；
7计算炉子功率
7.1根据热平衡计算电极盐浴炉的功率
盐浴炉的功率可依据热平衡计算求得，并应满足空炉升温时间的要求。
中温盐浴炉加热阶段的主要热损失为：
固体盐升温热量
Q1=WyC1（t1-t0）/τ=28045kJ/h
式中Q1————固态盐升温热量（kJ/h）;
Wy———固态盐用量（kg）
Wy=ρy×Vy;=451.5kg;见表7.1
C1————固态盐的比热容（kJ/kg·℃）0.586kJ/kg·℃;
t1——盐的熔点（℃）550℃;
t0——室温（℃）20℃;
τ——盐由室温升至熔点所用的时间（h）5h;
表7.1盐浴炉常用盐的物理性能
性能
单位
碱金属硝酸盐和亚硝酸盐混合盐
碱金属
硝酸盐的
混合盐
碱金属
氯化盐和
碳酸盐的
混合盐
碱金属
氯化盐的
混合盐
碱金属和
碱土金属
氯化盐的
混合盐
氯化钡
碱类
混合物
熔点
℃
～145
～170
～590
～670
～550
～960
～150
工作温度
℃
～300
～430
～670
～650
～750
～1290
～250
固态密度
㎏/m3
2120
2150
2260
2080
2070
3860
2120
工作温度密度
㎏/m3
1850
1800
1900
1600
2280
2970
1660
固态
比热容
kJ/（㎏·℃）
1.34
1.34
0.96
0.84
0.29
0.38
—
液态
比热容
kJ/（㎏·℃）
1.55
1.50
1.42
1.09
0.75
0.50
—
熔化热
kJ/㎏
127.7
230.3
368.4
669.9
345.4
182.1
—
盐的熔化热量
Q2=WyC2/τ=31189kJ/h
式中Q2——盐的熔化热量（kJ/h）；
C2——盐的熔化热（kJ/kg）345.4kJ/kg；
液态盐升温热量
Q3=WyC3（t-t1）/τ=15660kJ/h
式中Q3——液态盐升温热（kJ/h）；
C3——液态盐的比热容（kJ/kg·℃）0.754kJ/kg·℃；
t——浴液工作温度（℃）780℃；
炉壁的散热量
Q4=3.6Fɑ∑（t2-t0）=17105kJ/h
Q4——炉壁的散热量（kJ/h）；
F——浴槽外壁的总面积（㎡）6.5㎡；
ɑ∑——炉壁表面的综合换热系数（W/㎡℃）14.62W/㎡℃;
t2——炉外壁的温度（℃）50℃；
盐浴叶面辐射热损失
Q5=3600Aq=139046kJ/h
式中Q5——盐浴液面辐射热损失（kg/h）；
A——浴剂液面辐射面积0.544㎡；
q——盐浴液面单位面积的辐射损失（kW/㎡）71kW/㎡见表7.2
表7.2盐液液面的热辐射损失
温度/℃
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
热损失q/kW㎡
11.6
20.3
33.2
51.2
76.8
108
150
203
268
350
砌体蓄热量
Q6=[G1（C1t1-C01t01）+G2（C2t2-C02t02）+G3（C3t3-C03t03）+G4（C4t4-C04t04）]/τ´
=（370.4×1435+37.5×6894+701×949+350×132）/5=300299kJ/h
式中Q6——砌体蓄热量（kJ/h）；
G1、（G2、G3、G4）——耐火层和保温层质量（kg）;
t1、t2、t3、t4、t01、t02、t03、t04——分别耐火层和保温层在冷态和热态的平均温
度（℃）
C1、C2、C3、C4、C01、C02、C03、C04——分别耐火层和保温层在冷态和热态的的比热容（kJ/kg·℃）；
τ´——空炉升温时间（h）;
则浴炉所需的总功率
P=1.2×（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6）/3600=841116/3600=177.1kW
8.电极盐浴炉电极的确定
8.1电极材料
常见的材料有纯铁、不锈钢、低碳钢、耐热钢、石墨、碳化硅等，由于用于高温电极盐浴炉，而耐热钢浴耐高温，寿命长等特点。
所以这里选择耐热钢
（0Cr25Al5,熔点1500℃，工作温度780℃）。
8.2电极尺寸
电极的功率为P总=177.1kW;
电源端部与变压器端部采取△/Y型接法；变压器与电极采取三相四极制接法；这就相当于“三对”电极。
则每对电极的功率为P=P总/3=60kW;
电极电压一般为5~35V；根据核算需取大电压30V。
由于功率较大，为此设计比较大的电极，同时为了保证电极的寿命，电极的截面电流密度一般取50~80A/cm²，取一大截面电流密度60A/cm²，而表面电流密度随盐浴温度而异，780℃时的电极表面密度为40A/cm²。
I=P/U=2000A
I/S≤60A/cm²
可求得S≥33.3cm²
同时R≤U²/P=0.01478Ω
满足上面两个条件初步设计,同时满足三对电极相对应的电阻相等：
图8.1电极尺寸与摆布
小的那两电极为电极的尺寸a=80mm,b=109mm,h=350mm；大的那两电极为a=80mm,b=230mm,h=350mm；
已知介质的电导率为ρ=3650μΩ·m
此时的R=ρL/S=3.650×315/（230×350）=3.650×110/（80×350）=0.0144Ω。
根据初步设计核算截面电流和表面电流
实际电极的电流I=U/R=2371A
此时的功率为P总=3×I²R=191kW大于所需求P=177.1kW，符合设计。
核算截面电流I/S≤60A/cm²
截面电流I/S1=2371/（8×10.9）=27.2A/cm²≤60A/cm²
截面电流I/S2=2371/（8×23）=12.88A/cm²≤60A/cm²
校核表面电流密度Iρ/S´≤40A/cm²
I/S´=2371/（35×8）=8.4678A/cm²≤40A/cm²,符合设计要求。
I/S´=2371/（35×23）=2.645A/cm²≤40A/cm²,符合设计要求。
最后确定电极尺寸为:
小电极的尺寸a=80mm,b=109mm,h=350mm；
大电极为a=80mm,b=230mm,h=350mm；
8.3启动电极的选择
根据的炉膛的尺寸可以选择启动电极型号为RDM—20—8，其的中径为Ф154mm,展开长1091mm，材料规格Ф14.截面积154A2./mm².
9．炉子技术指标（标牌）
额定功率:
200kw额定电压:
380v
最高使用温度:
780℃生产率:
96kg/h
相数:
3接线方法：
电源端/变压器端:
△/Y
工作室有效尺寸:
550*415*200
10.心得体会
通过本次全面、系统的合金钢的热处理炉课程设计进一步强化了自己所学的专业知识，知道一个产品的设计的困难，并且大幅提高了自身分析问题和解决问题的能力，为日后进一步的工作和研究强化了基础知识。
我深深的体会到实际动手操作和掌握书本上的理论知识两者之间的差别。
每一个小的环节、数据都是不容忽视的，它直接影响到最终结果，必须实事求是的，以严谨的治学态度去对待它。
此次课程设计对于即将走进社会实践的我们有提前演练的作用，为以后更好的适应社会提供了一个非常好的平台。
我想今后的工作中会更得心应手的。
为此感谢辛勤指导我们的老师们，感谢你们手把手的教导，感谢你们教我们“走路”,谢谢！
参考文献
樊东黎.《热处理技术数据手册》.机械工业出版社，2000年9月
孟繁杰，黄国靖《热处理设备》机械工业出版社，1987年6月
《热处理手册》编写组热处理手册第三分册.机械工业出版社，1982年12月
吉泽升，张学龙，武云启《热处理炉》哈尔滨工程大学出版社，1999年1月
升级会员 