箱式热处理炉课程设计doc.docx

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箱式热处理炉课程设计doc

河北工程大学

《热处理工程基础课程设计》

课程设计报告

10级金材三班

目录

1前言1

1.1本设计的目的1

1.2本设计的技术要求1

2设计说明2

2.1确定炉体结构和尺寸2

2.1.1炉底面积的确定2

2.1.2确定炉膛尺寸2

2.1.3炉衬材料及厚度的确定3

2.2砌体平均表面积计算3

2.2.1炉顶平均面积3

2.2.2炉墙平均面积4

2.2.3炉底平均面积4

2.3根据热平衡计算炉子功率4

2.3.1加热工件所需的热量Q件4

2.3.2通过炉衬的散热损失Q散4

2.3.3开启炉门的辐射热损失6

2.3.4开启炉门溢气热损失6

2.3.5其它热损失6

2.3.6热量总支出7

2.3.7炉子安装功率7

2.4炉子热效率计算7

2.4.1正常工作时的效率7

2.4.2在保温阶段，关闭时的效率7

2.5炉子空载功率计算7

2.6空炉升温时间计算7

2.6.1炉墙及炉顶蓄热8

2.6.2炉底蓄热计算8

2.6.3炉底板蓄热9

2.7功率的分配与接线9

2.8电热元件材料选择及计算10

2.8.1图表法10

2.8.2理论计算法10

2.9炉子技术指标（标牌）11

一.设计任务

设计一台高温电阻炉，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：

750℃；

（4）.生产率：

70kg/h；

（5）.生产特点：

周期式成批装料，长时间连续生产。

二确定炉体结构和尺寸

1.确定炉膛有效尺寸

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=70，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为100kg/（m2·h）。

故可求的炉底的有效面积

F1=P/P0=0.7m2

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：

1因此，可求的：

L效=

=1.18m

B效=L效/2=0.59m

2..确定炉膛砌体尺寸

按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.5～0.9之间，根据炉子的工作条件，取H/B=0.8左右。

则H=0.640m

可以确定炉膛尺寸如下

L=L效+0.218=1.398m

B=B效+0.619=0.928m

H=0.8B=0.067*11=0.737m

三.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－1.0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－1.0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－1.0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－1.0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+80+115）=1958mm

B外＝B+2×（115+80+115）=148mm

H外＝H+f+（115+80+115）+67×3+50+182

=737+124+310+268+50+182

=1604mm

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＝=1.358m2

F顶外＝B外×L外＝=2.914m2

F顶均＝

＝1.989m2

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）=1.3853.429m2

F墙外＝2H外（L外＋B外）=11.055m2

F墙均＝

＝6.157m2

炉底平均面积

F底内＝B×L＝1.297m2

F底外＝B外×L外＝2.941m2

F底均＝

＝1.944m2

四.计算炉子功率

1.根据经验公式法计算炉子功率

由经验公式可知：

P安=Cτ-0.5升F0.9（t/1000）1.55

取式中系数C=30〔（kM·h0.5）/（m1.8·℃1.55）〕,空炉生温时间假定问τ升=4h，炉温t=750℃。

F壁=2*（1.398*0.737）+2*（0.928*0.737）+1.398*0.928+2*3.14*0.928*60/360*1.398=6.09m2

所以30×4-0.5×6.090.9×（750/1000）1.55=P安

解得，P=48.78kW暂取P安=50kW

2.根据热平衡计算炉子功率

（1）加热工件所需的热量Q件

查表得，工件在750℃及20℃时比热容分别为c件2＝0.624kJ/（kg·℃），c件1＝0.486kJ/（kg·℃）

Q件＝p（c件2t1－c件1t0）＝70×（0.624×750－0.486×20）＝32105kJ/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

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＝620℃，t’3墙＝360℃，

t’4墙＝60℃则

耐火层s1的平均温度ts1均＝

＝685℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均＝

＝490℃，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均＝

＝210，s1、s3层炉衬

的热

导率由附表3得

λ1＝0.29+0.256×10-3ts1均＝0.465W/（m·℃）

λ3＝0.131+0.23×10-3ts3均＝0.119W/（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＝490℃，得

λ2＝0.100W/（m·℃）

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2近似计算得αΣ＝12.17W/（m·℃）

a.求热流

q墙＝

＝

＝496.4W/m2

b.验算交界面上的温度t2墙，t3墙

t2墙=t1－q墙

＝627.3℃

Δ＝

＝

＝1.16%

Δ<5%，满足设计要求，不需重算。

t3墙=t2墙－q墙

＝379℃

Δ＝

＝

＝4.7%

Δ<5%，满足设计要求，不需重算。

c.验算炉壳温度t4墙

t4墙=t3墙－q墙

＝60.7℃<70℃

满足一般热处理电阻炉表面升温<50℃的要求。

d.计算炉墙散热损失

Q墙散＝q墙·F墙均＝496.4×3.17＝3056.3W

同理可以求得

t2顶=646.9℃,t3顶=296.9℃,t4顶=55.63℃,q顶＝419.6W/m2

t2底=618.4℃,t3底=446.7℃,t4底=44.3℃,q底＝301.5W/m2

炉顶通过炉衬散热

Q顶散＝q顶·F顶均＝834.6W

炉底通过炉衬散热

Q底散＝q底·F底均＝601.2W

整个炉体散热损失

Q散＝Q墙散＋Q顶散＋Q底散

＝4492.1W

（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

Q辐＝3.6×5.675Fφδt[（

）4－（

）4]

因为Tg＝750＋273＝1023K，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×

＝0.342m2

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0.40，炉门开启高度与炉墙厚度之比为

＝0.7，由图1－14第1条线查得φ＝0.6，故

Q辐＝3.6×5.675Fφδt[（

）4－（

）4]

＝3.6×5.675×0.342×0.1×0.7×[（

）4－（

）4]

＝10207.6kJ/h

（4）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＝2200B·

·

=457.6m3/h

冷空气密度ρa＝1.29kg/m3,由附表10得ca＝1.342kJ/（m3·℃）,ta=20℃,t’g为溢气温度，近似认为t’g＝ta＋

（tg-ta）＝20＋

（750-20）=506.7℃

Q溢＝qvaρaca（t’g－ta）δt＝457.6×1.29×1.342×（750－20）×0.1＝38553.1kJ/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＝0.14（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=11950.1kJ/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

=97307.9kJ/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2，则

P安＝54.1kW

与标准炉子相比较，取炉子功率为60kW。

五.炉子热效率计算

1.正常工作时的效率

η＝

=33.0%

2.在保温阶段，关闭时的效率

η＝

＝66.1%

六.炉子空载功率计算

P空＝

＝4.57kW

七.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。

1.炉墙及炉顶蓄热

V侧粘＝2×[1.398×（11×0.067+0.135）×0.115]=0.280m3

V前·后粘＝2×[（0.928+0.115×2）×（15×0.067+0.135）×0.115]=0.304m3

V顶粘＝0.97×（1.398+0.276）×0.115=0.187m3

V侧纤＝2×[（1.398+0.115）×（11×0.067+0.135）×0.05]=0.132m3

V前·后纤＝2×[（0.928+0.115×2）×（15×0.067+0.135）×0.05]=0.132m3

V顶纤＝1.092×（1.398+0.276）×0.08=0.146m3

V侧硅＝2×[（15×0.067+0.135）×（1.398+0.115）×0.115]=0.397m3

V前·后硅＝2×[1.398×（15×0.067+0.135）×0.115]=0.367m3

V顶硅≈2.3×1.398×0.115=0.370m3

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＝688.65℃

查附表3得

c粘＝0.84+0.26×10-3t粘＝0.84+0.26×10-3×688.65=1.019kJ/（kg·℃）

t纤＝（t2墙＋t3墙）/2＝

＝503.15℃

查附表3得

c纤＝0.81+0.28×10-3t纤＝0.84+0.26×10-3×503.15=0.951kJ/（kg·℃）

t硅＝（t3墙＋t4墙）/2＝

＝219.85℃

查附表3得

c硅＝0.84+0.25×10-3t硅＝0.84+0.26×10-3×219.85=0.895kJ/（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）

＝673837.33kJ/h

2.炉底蓄热计算

V底粘＝[4×（0.02×0.12+0.113×0.065）+（0.04×2+0.065）×0.113+（0.113×0.120）×2]×1.398+（1.488-0.115×2）×（1.958-0.115）×0.065

＝0.288m3

V底纤＝1.958×1.488×0.05＝0.146m3

V底硅＝1.958×1.488×0.182＝0.535m3

由于t底粘＝（t1＋t2底）/2＝（750+618.4）/2＝684.2℃

查附表3得

c底粘＝0.84+0.26×10-3t底粘＝1.02kJ/（kg·℃）

t底纤＝（t2底＋t3底）/2＝（618.4+446.7）/2＝532.55℃

查附表3得

c底纤＝0.81+0.28×10-3t底纤＝0.959kJ/（kg·℃）

t底硅＝（t3底＋t4底）/2＝（446.7+44.3）/2＝245.5℃

查附表3得

c底硅＝0.84+0.25×10-3t底硅＝0.901kJ/（kg·℃）

所以得

Q底蓄＝0.288×1.0×103×1.02×（684.2-20）+0.146×0.25×103×0.959×（532.55-20）+0.538×0.5×103×0.901×（245.5-20）

＝267710.64kJ/h

3.炉底板蓄热

根据附表6查得750℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板2＝0.691kJ/（kg·℃）和c板1＝0.473kJ/（kg·℃）。

经计算炉底板重量G=336kg，所以有

Q板蓄＝G（c板2t1-c板1t0）=336×（0.691×750－9.46）＝170953.44kJ/h

Q蓄＝Q蓄1＋Q底蓄＋Q板蓄＝1112501.41kJ/h

空炉升温时间

τ升＝

＝5.15h

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。

八.功率的分配与接线

30kW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，

F电＝2F电侧＋F电底＝2×1.398×0.737+1.398×0.928=3.357m2

W＝P安/F电＝60/3.357＝17.87kW/m2

对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在15～35kW/m2之间，故符合设计要求。

九.电热元件材料选择及计算

由最高使用温度750℃，选用线状0Cr25Al15合金电热元件，接线方式采用YY。

1.图表法

由附表15查得0Cr25Al1电热元件30kW箱式炉YY接线，直径d＝4.5mm时，其表面负荷为1.39W/cm2。

每组元件长度L组＝50.1m,总长度L总＝300.6m,元件总重量G总＝36.4kg。

2.理论计算法

（1）、求750℃时电热元件的电阻率ρt

当炉温为750℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12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1100℃下的电热元件电阻率为

ρt＝ρ20（1+αt）=1.40×（1+4×10-5×1100）=1.46Ω·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＝1.6W/cm2。

（3）、每组电热元件功率

由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率

P组＝60/n=30/（3×2）＝10kW

（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＝34.3

＝4.2mm

取d=4.5mm

（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＝0.785×10-3

＝52.7m

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＝7.1g/cm2

所以得

G组＝

d2L组ρM＝5.95kg

（7）、电热元件的总长度和总重量

电热元件总长度

L总＝3L组＝316.2m

电热元件总重量

G总＝3G组＝35.7kg

（8）、校核电热元件表面负荷

W实＝

＝1.34W/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5折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有

L折＝L组/5=52.7/5=10.54m

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=6d＝6×4.5＝27mm

螺旋体圈数N和螺距h分别为

N＝L折/πD＝10.54/（3.14×27）×103＝125圈

h＝L’/N＝10.8mm

h/d=2.4

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＝4.5mm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。

十.炉子技术指标（标牌）

额定功率：

60kW额定电压：

380V

使用温度：

750℃生产率：

70kg/h

相数：

3接线方法：

YY

工作室有效尺寸：

1180*590*470外型尺寸：

1958*1488*1604

重量：

出厂日期：

十一.参考文献

1、热处理炉吉泽升编著哈尔滨工程大学出版社

2、热处理工程基础陆兴主编机械工业出版社