箱式热处理炉课程设计docWord文档格式.docx

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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%

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×

＝3.6×

5.675×

0.342×

0.1×

0.7×

[（

＝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

＝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×

0.115]=0.304m3

V顶粘＝0.97×

（1.398+0.276）×

0.115=0.187m3

V侧纤＝2×

[（1.398+0.115）×

0.05]=0.132m3

后纤＝2×

V顶纤＝1.092×

0.08=0.146m3

V侧硅＝2×

[（15×

（1.398+0.115）×

0.115]=0.397m3

后硅＝2×

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℃

c纤＝0.81+0.28×

10-3t纤＝0.84+0.26×

503.15=0.951kJ/（kg·

t硅＝（t3墙＋t4墙）/2＝

＝219.85℃

c硅＝0.84+0.25×

10-3t硅＝0.84+0.26×

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×

（1.958-0.115）×

0.065

＝0.288m3

V底纤＝1.958×

1.488×

0.05＝0.146m3

V底硅＝1.958×

0.182＝0.535m3

由于t底粘＝（t1＋t2底）/2＝（750+618.4）/2＝684.2℃

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℃

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℃

c底硅＝0.84+0.25×

10-3t底硅＝0.901kJ/（kg·

Q底蓄＝0.288×

1.0×

103×

1.02×

（684.2-20）+0.146×

0.25×

0.959×

（532.55-20）+0.538×

0.5×

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×

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

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<

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