热处理设备课程之650 90kgh的箱式电阻炉设计Word格式文档下载.docx

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（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：

650℃；

（4）.生产率：

90kg/h；

（5）.生产特点：

周期式成批装料，长时间连续生产。

设计说明

2.1确定炉体结构和尺寸

2.1.1炉底面积的确定

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=90，按表5-1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）。

故可求的炉底的有效面积

F1=P/P0=0.75m2

由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.78～0.85，取系数上限，得炉底实际面积

F=F1/0.85=0.88m2

2.1.2确定炉膛尺寸

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，因此，可求的：

L==1.328m

B=L/2=0.664m

根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取

L=1.392mB=0.680m

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=0.7左右。

则H=0.490m

可以确定炉膛尺寸如下

L=（230+2）×

6=1392mm

B=（120+2）×

3+（40+2）×

2+（113+2）×

2=680mm

H=（65+2）×

7+21=490mm

确定为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

空间，确定工作室有效尺寸为

L效=1200mmB效=500mmH效=350mm

F壁=2×

（L×

H）+（L×

B）+2（B×

H）+2×

3.14×

B×

1/6×

L=3.97m2

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）〕,空炉升温时间假定为τ升=4h，炉温t=650℃。

所以P安=30×

4-0.5×

3.970.9×

（650/1000）1.55=26.61kW

暂取P安=30kW

2.1.3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。

2.2砌体平均表面积计算

L外＝L+2×

（115+50+115）=1950mm

B外＝B+2×

（115+50+115）=1240mm

H外＝H+f+（115+80+115）+67×

4+50+182=1390mm

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。

2.2.1炉顶平均面积

F顶内＝×

L＝×

1.392=0.991m2

F顶外＝B外×

L外＝1.724m2

F顶均＝＝1.31m2

2.2.2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＝2H（L＋B）＝2×

0.490×

（1.392+0.680）=2.031m2

F墙外＝2H外（L外＋B外）＝2×

1.390×

（1.950+1.240）=8.868m2

F墙均＝＝4.24m2

2.2.3炉底平均面积

F底内＝B×

L＝0.680×

1.392＝0.947m2

F底外＝B外×

L外＝1.240×

1.950=2.418m2

F底均＝＝1.51m2

2.3根据热平衡计算炉子功率

2.3.1加热工件所需的热量Q件

查表得，工件在650℃及20℃时比热容分别为c件2＝1.051kJ/（kg·

℃），c件1＝0.486kJ/（kg·

℃）

Q件＝p（c件2t1－c件1t0）＝90×

（1.051×

650－0.486×

20）＝60609kJ/h

2.3.2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，将炉门也包括在前墙内。

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＝540℃，t’3墙＝320℃，

t’4墙＝60℃则

耐火层s1的平均温度ts1均＝＝595℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均＝＝430℃，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均＝＝190℃，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得

λ1＝0.29+0.256×

10-3ts1均＝0.442W/（m·

λ3＝0.131+0.23×

10-3ts3均＝0.175W/（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＝430℃，得

λ2＝0.098W/（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·

（1）求热流

q墙＝

＝

＝417.3W/m2

（2）验算交界面上的温度t2墙，t3墙

t2墙=t1－q墙＝541.4℃

Δ＝＝＝0.26%

Δ<

5%，满足设计要求，不需重算。

t3墙=t2墙－q墙＝328.2℃

Δ＝＝＝2.6%

（3）验算炉壳温度t4墙

t4墙=t3墙－q墙＝54.0℃<

70℃

满足一般热处理电阻炉表面升温<

50℃的要求。

（4）计算炉墙散热损失

Q墙散＝q墙·

F墙均＝417.3×

4.24＝1769.4W

同理可以求得

t2顶=583.9℃,t3顶=374.2℃,t4顶=38.5℃,q顶＝256.9W/m2

t2底=508.8℃,t3底=356.7℃,t4底=50.3℃,q底＝298.1W/m2

炉顶通过炉衬散热

Q顶散＝q顶·

F顶均＝336.5W

炉底通过炉衬散热

Q底散＝q底·

F底均＝450.1W

整个炉体散热损失

Q散＝Q墙散＋Q顶散＋Q底散＝2556W

2.3.3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＝650＋273＝923K，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×

＝0.680×

＝0.167m2

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0.36，炉门开启高度与炉墙厚度之比为＝0.88，由图1－14第1条线查得φ＝0.66，故

＝3.6×

5.675×

0.167×

0.1×

0.66×

[（）4－（）4]

＝1617.7kJ/h

2.3.4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＝1997B·

·

＝1997×

0.680×

0.245×

=164.7m3/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＋（650-20）=440℃

Q溢＝qvaρaca（t’g－ta）δt＝164.7×

1.29×

1.342×

（440－20）×

0.1＝11975.3kJ/h

2.3.5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＝0.13（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=9939.5kJ/h

2.3.6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=86397.5kJ/h

2.3.7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1.5，则

P安＝＝36.0kW

与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW。

2.4炉子热效率计算

2.4.1正常工作时的效率

η＝=60609/86397.5=70.2%

2.4.2在保温阶段，关闭时的效率

η＝＝83.2%

2.5炉子空载功率计算

P空＝＝＝3.5kW

2.6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。

2.6.1炉墙及炉顶蓄热

V侧粘＝2×

[1.392×

（10×

0.067+0.135）×

0.115]=0.258m3

V前·

后粘＝2×

[（0.680+0.115×

2）×

（15×

0.115]=0.239m3

V顶粘＝0.97×

（1.392+0.276）×

0.115=0.186m3

V侧纤＝2×

[（1.392+0.115）×

0.05]=0.121m3

后纤＝2×

0.05]=0.104m3

V顶纤＝1.071×

0.08=0.143m3

V侧硅＝2×

[（10×

（1.392+0.115）×

0.115]=0.279m3

后硅＝2×

[1.240×

0.115]=0.325m3

V顶珍≈1.950×

1.240×

0.115=0.278m3

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＝＝595.7℃

查附表3得

c粘＝0.84+0.26×

10-3t粘＝0.84+0.26×

10-3×

595.7=0.995kJ/（kg·

t纤＝（t2墙＋t3墙）/2＝＝434.8℃

c纤＝0.81+0.28×

10-3t纤＝0.81+0.28×

434.8=0.932kJ/（kg·

t硅＝（t3墙＋t4墙）/2＝＝191.1℃

c硅＝0.84+0.25×

10-3t硅＝0.84+0.25×

191.1=0.888kJ/（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）

＝493808kJ/h

2.6.2炉底蓄热计算

V底粘＝[4×

（0.02×

0.12+0.113×

0.065）+（0.04×

0.113+（0.113×

0.120）×

2]×

1.392+

（1.240-0.115×

（1.950-0.115）×

0.065

＝0.225m3

V底纤＝1.950×

0.05＝0.121m3

V底硅＝1.950×

0.182＝0.440m3

由于t底粘＝（t1＋t2底）/2＝（650+508.8）/2＝579.4℃

c底粘＝0.84+0.26×

10-3t底粘＝0.991kJ/（kg·

t底纤＝（t2底＋t3底）/2＝（508.8+356.7）/2＝432.8℃

c底纤＝0.81+0.28×

10-3t底纤＝0.931kJ/（kg·

t底硅＝（t3底＋t4底）/2＝（356.7+50.3）/2＝203.5℃

c底硅＝0.84+0.25×

10-3t底硅＝0.891kJ/（kg·

Q底蓄＝0.225×

1.0×

103×

0.991×

（579.4-20）+0.121×

0.25×

0.931×

（432.8-20）+

0.440×

0.5×

0.891×

（203.5-20）

＝172327kJ/h

2.6.3炉底板蓄热

根据附表6查得650℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板2＝0.875kJ/（kg·

℃）和c板1＝0.473kJ/（kg·

℃）。

经计算炉底板重量G=180kg，所以有

Q板蓄＝G（c板2t1-c板1t0）=180×

（0.875×

650－9.46）＝100672.2kJ/h

Q蓄＝Q蓄1＋Q底蓄＋Q板蓄＝766807kJ/h

空炉升温时间

τ升＝＝6.1h

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。

2.7功率的分配与接线

35kW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，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在15～35kW/m2之间，常用为20～25kW/m2之间。

F电＝2F电侧＋F电底＝2×

1.392×

0.490+1.392×

0.680=2.31m2

W＝P安/F电＝35/2.31＝15.2kW/m2

故符合设计要求。

2.8电热元件材料选择及计算

由最高使用温度650℃，选用线状0Cr25Al15合金电热元件，接线方式采用Y。

2.8.1图表法

由附表15查得0Cr25Al1电热元件35kW箱式炉Y接线，直径d＝4.8mm时，其表面负荷为1.56W/cm2。

每组元件长度L组＝49.6m,总长度L总＝148.8m,元件总重量G总＝19.1kg。

2.8.2理论计算法

1、求650℃时电热元件的电阻率ρt

当炉温为650℃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Y接法，即三相双星形接法，每组元件功率

P组＝35/n=35/3＝11.7kW

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＝4.7mm

取d=4.8mm

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=0.785×

＝51.25m

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

G组＝d2L组ρM＝6.58kg

7、电热元件的总长度和总重量

电热元件总长度

L总＝3L组＝3×

51.25＝153.75m

电热元件总重量

G总＝3G组＝19.74kg

8、校核电热元件表面负荷

W实＝＝＝1.51W/cm2

W实<

W允，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

L折＝L组/4=51.25/4＝12.81m

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=5d＝5×

4.8＝24mm

螺旋体圈数N和螺距h分别为

N＝L折/πD＝12.81/（3.14×

24）×

103＝170圈

h＝L’/N＝（1392-50）/170＝7.9mm

h/d=7.9/3=2.6

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＝4.8mm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。

2.9炉子技术指标（标牌）

额定功率：

35kW额定电压：

380V

使用温度：

650℃生产率：

90kg/h

相数：

3接线方法：

Y

工作室有效尺寸：

1200×

500×

350外型尺寸：

重量：

出厂日期：

参考文献

1、热处理炉吉泽升、张雪龙、武云启编著,哈尔滨工程大学出版社

2、工程制图大连理工大学出版社组编

3、热处理炉设计手册机械工业出版社组