关键设备工程设计训练课程设计讲义.docx
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关键设备工程设计训练课程设计讲义
关键设备工程设计训练课程设计（论文）
设计（论文）题目970℃150Kg/h箱式电阻炉设计
学院名称材料与化学化工学院
专业名称材料科学与工程（金属方向）
学生姓名
学生学号
任课教师
设计（论文）成绩
教务处制
2016年01月08日
目录
1.设计任务书4
1.1技术条件4
1.2主要任务4
2.设计的目的和技术要求5
2.1设计的目的5
2.2设计的技术要求5
3.箱式电阻炉设计说明书6
3.1炉型的选择6
3.2确定炉体结构和尺寸6
3.2.1炉底面积的确定6
3.2.2炉底长度和宽度的确定6
3.2.3炉膛高度的确定6
3.2.4炉衬材料及厚度的确定7
3.3电热元件材料选择及计算8
3.3.1加热炉功率的计算8
3.3.2炉子热效率计算13
3.3.3炉子空载功率的计算13
3.3.4空炉升温时间计算13
3.3.5功率的分配和接线15
3.3.6电热元件材料选择及计算16
4.炉子技术指标（标牌）18
5.箱式电阻炉使用说明书18
6.参考文献20
1.设计任务书
1.1技术条件
为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：
用途：
中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理；处理
对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量。
生产率：
150kg/h
工作温度：
最高使用温度≤970℃；
生产特点：
周期式成批装料，长时间连续生产。
1.2主要任务
本课程设计的主要任务为：
编写电阻炉设计说明书；
按照工程制图的相关要求，手绘电阻炉设计1号图纸一张，图纸要求
整洁、规范，写出主要技术规范；
设计电阻炉技术指标（标牌）；
箱式电阻炉使用说明书；
…
3.箱式电阻炉设计说明书
3.1炉型的选择
根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。
3.2确定炉体结构和尺寸
3.2.1炉底面积的确定
因无定形产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。
已知生产率P=150kg/h，选择箱式炉用于合金钢淬火时的单位面积生产率P0为
120kg/m2·h，故可得炉底有效面积。
由于有效面积与炉底面积存在关系式F=F1/（70﹪-85﹪），取系数上限，
得
3.2.2炉底长度和宽度的确定
由于热处理台车炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2:
1，而F=L·B=0.5L2因此可得
考虑到砌砖的方便取L=1741mm，B=869mm。
3.2.3炉膛高度的确定
依统计资料，炉膛高度H与宽度B之比多数在0.5～0.9范围内，据炉子工
作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度
因此炉膛尺寸如下
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的空间，确定工作室有效尺寸为
L效=1500mmB效=700mmH效=500mm
3.2.4炉衬材料及厚度的确定
（1）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。
（2）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。
（3）炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖（67×3）mm+50mm密度为250kg/m3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。
（4）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（NZ-35），电热元件搁砖选用重质高铝砖。
炉底板材料选用Cr-Mn-Ni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
砌体外廓尺寸：
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
求得。
式中f=R（1-cos30°）=0.869×（1-0.866）=116mm
炉顶平均面积
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
炉底平均面积
3.3电热元件材料选择及计算
3.3.1加热炉功率的计算
1．根据经验公式计算炉子功率
取式中系数，空炉升温时间假定为,炉温t=970℃，炉膛内壁面积
所以
由经验公式法计算得．
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970℃及70℃时比热容分别为
C2=0.63kJ/（kg·℃），C1=0.486kJ/（kg·℃）
（2）通过炉衬的散热损失Q散
由于炉内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，将炉门包括在前墙内。
由公式：
i
对于炉墙散热，如图5—16所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，
t′2墙=800℃，
t′3墙=500℃，
t′4墙=70℃
则耐火层S1的平均温度ts1均=（970+800）/2=885℃，
硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均=（800+500）/2=650℃,
硅藻土砖层S3的平均温度ts3均=（500+70）/2=285℃，
S1、S3层炉衬的热导率由附表3得
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=650℃，得
λ2=0.131W/（m﹒℃）
当炉壳温度为70℃，室温为20℃时，由附表2经近似计算得
（综合传热系数）
①求热流
②验算交界面上的温度t2墙、t3墙
，满足设计要求，不需重算。
，不需重算。
③验算炉壳温度t4墙
满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。
④计算炉墙散热损失
同理可求，
t2顶=844.39℃，t3顶=562.6，t4顶=53℃，q顶=485.4W/m2
t2底=782.2℃，t3底=568.54℃，t4底=53.7℃，q底=572.2W/m2
炉顶通过炉衬散热
炉底通过炉衬散热
整个炉体散热损失
（3）开启炉门的辐射热损失
设装出料时间为每小时6分钟,根据
式中：
C－黑体辐射系数；
F－炉门开启面积或缝隙面积m2；
3.6－时间系数；
Φ－炉口遮蔽系数；
－炉门开启率（平均1小时开启的时间）。
因为Tg=970+273=1243K，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
炉门开启率
由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.32/0.869=0.37，
炉门开启高度与炉墙厚度之比为H′/S=0.32/0.28=1.14，由孔口的遮蔽系数图查得
Φ=0.7，故
0.28=（0.113+0.002）+（0.113+0.002）+0.05（m）
（4）开启炉门热溢气损失
当炉压为正值时，开启炉门将引起炉气外溢，对于一般箱式电阻炉，开启
炉门时，通常以加热，吸入的冷空气所需要的热量作为该顶热损失：
式中：
－炉外冷空气温度（℃）
－溢出热空气温度随炉门开启时间的增加而降低，若开启时间很短，可取炉工作温度。
－空气的密度（kg/m3）
－空气在ta～t´g温度内的平均比热容[kJ/（kg·℃）]
－流入炉内的空气流量（m3/h）
冷空气密度=1.29kg/m3,由表5.7可查得
=1.342kJ/（m3·℃）
=20℃，为溢气温度，近似认为
所以，可以求得溢气热损失
（5）其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%～20%，故
（6）热量总支出
其中=0，=0，由公式得
（7）炉子安装功率
由（其中K为功率储备系数,本炉设计中取K=1.4）则
与标准炉子比较,取炉子功率为75kW
3.3.2炉子热效率计算
（1）正常工作时的功率
（2）在保温阶段,关闭炉门时的效率
3.3.3炉子空载功率的计算
3.3.4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、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,因为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
因为
查表得
查表得
查表得
所以得
（2）炉底蓄热计算
由于
查表得
所以得:
（3）炉底板蓄热
根据表3得970℃和700℃时高合金钢的比热容分别为：
c板2=0.670kJ/（kg·℃）和c板1=0.473kJ/（kg·℃），经计算炉底板重量G=242kg，所以有
由此得空炉升温时间
对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在3-8h内均可,故本炉子设计符合要求。
3.3.5功率的分配和接线
75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、△或YY,、△△接线。
供电电压为车间动力电网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。
表面负荷在20~25kW/m2常用的范围之内，故符合设计要求。
3.3.6电热元件材料选择及计算
由炉子的最高使用温度970℃，选用线伏0Cr25A15合金作为电热组件，
采用YY接线方法。
（1）图表法
由附表15查得0Cr25A15电热元件75kW箱式炉YY接线，直径d=5mm时，其表面负荷为1.58W/cm2。
每组元件长度L组=50.5m，总长度L总=303.0m,元件总重量G总=42.3kg,
（2）理论计算法
1）求950℃时电热元件的电阻率ρt
当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25A15在20℃时电阻率ρ20=1.40Ωmm2/m，电阻温度系数α=4×10-5℃-1，则1100℃下的电热元件电阻率为
2）确定电热元件表面功率
根据本炉子电热元件工作条件取
W允=1.6W/Cm
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
4）每组电热元件端电压
由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压
5）电热元件直径
线状电热元件直径
取d=5mm。
6）每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度
每组电热元件重量
7）电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L总=6L组=6×52.07=312.44m
电热元件总重量
G总=6G组=6×7.26=43.56kg
8）校核电热元件表面负荷
由于W实＜W允，所以计算结果是合理的。
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
布置电热元件的炉壁长度
L’=L-50=1741-50=1691mm
丝状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=6×5=30mm。
螺旋体圈数N与螺距h分别为
按规定，h/d在2~4范围内满足设计要求。
根据计算，选用YY方式接线，采用d=5mm所用电热元件质量最小，成本最
低。
电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材选用1Cr18Ni9Ti，=12mm，L=500mm。
4.炉子技术指标（标牌）
额定功率：
75kW额定电压：
380V
最高使用温度：
970℃生产率：
150kg/h
相数：
3接线方法：
YY
工作室有效尺寸：
1500×700×500
外形尺寸：
L=2300mm，B=1430mm，H=1566mm
质量：
出厂日期：
6.参考文献
6.1吉泽升-热处理炉，哈尔滨.哈尔滨大学出版社.1998
6.2徐斌-热处理设备，北京.机械工业出版社.2010
学生学习心得
通过本次设计实验，提升了我对热处理炉的深刻理解，从里到外，箱式热处理炉的各个地方都了如指掌。
更清晰的认识了各种砖，知道了他们的用途和分别。
炉子的热效率很重要，通过复杂的计算过程，采用各种假设，都是为了减少炉子的热损失。
提高生产效率减少能量损耗是好的炉子的基本要求。
学生（签名）：
年月日
诚信承诺
本人郑重声明所呈交的课程报告是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
与我一同工作的同学对本文研究所做的贡献均已在报告中作了明确的说明并表示谢意。
学生（签名）：
任课
教师
评语
成绩评定：
任课教师（签名）：
年月日
箱式电阻炉使用说明书
5.1首先检查电炉、温度控制器及热电偶专用补偿导线是否完好。
说明书、合格证是否齐全，仔细阅读说明书并按照说明书的安装程序进行安装与操作。
5.2将电炉与温度控制器水平放在工作台上，依照电器连接示意图所示，用相应截面积的铜绝缘导线做可靠的连接，设备的外壳均应接有可靠的保护接地或保护接零。
温度控制器与电炉之间的距离不宜过近，以防止因环境温度过高而影响温度控制器的正常工作。
热电偶与补偿导线连接时应注意其极性不能接错，热电偶的极性在接线端有明显标记，补偿导线的极性由导线绝缘皮的颜色来区分，其中红色为正、蓝色或绿色为负。
5.3当电炉初次使用或长期停用再次使用时，必须进行烘炉干燥。
烘炉方法如下：
接通电源后将设定旋钮设定在200℃工作4小时，并将炉门略打开进行，以放走潮气。
再将设定旋钮设定在600℃工作4小时，烘炉干燥结束。
5.4烘炉完毕后电炉可开始正常使用，但应注意下列事项：
a.为保护和延长炉膛及加热元件的使用寿命，本系列电阻炉严禁在额定温度以上工作，电炉长期工作时的温度应比额定温度低50℃。
b.禁止向炉膛内直接灌注液体，经常清洁炉膛内的铁屑、氧化皮，以保护炉膛内的清洁。
含碳气氛、含卤族元素气氛、含硫气氛、含氢和氮气氛、含水蒸气的气氛和盐类、一些熔化的金属及其金属蒸气均会对加热元件表面的氧化膜造成影响，在上述气氛中长期工作将降低加热元件的使用寿命。
c.根据加热工件的大小，调整热电偶的插入深度，一般热电偶插入炉膛的深度为
20-50mm。
d.炉门应轻开轻关，取放被加热的工件时应轻拿轻放，避免损坏炉口和炉膛。
在使用过程中出现裂纹不会影响电炉的正常使用，取放被加热的工件时应切断电源以保证人身安全。
e.当热电偶与温控仪表损坏后需要更换时，应保证热电偶与温控仪表的分度号一致，否则将会造成炉温与温控仪表显示的温度不一致，严重时将会使电炉烧毁。
5.5常见故障现象及检修方法
现象
故障原因及检修方法
不升温
电源电压正常，控制器工作正常，电流表无显示，常见故障为电炉丝断路，可用万用表检查并用相同规格的电炉丝更换。
电源电压正常，控制器不能工作，可检修控制器内部的开关、熔断器及炉门的行程开关。
如果电炉的炉门没有关好控制器也不能工作，控制器故障的检修方法可参阅控制器说明书。
供电电源的故障：
不接电炉时工作正常，接电炉时不能正常工作，控制器内发出连续的哒哒声音其原因为供电线路的电压降太大或插座及控制开关接触不好，可调整或更换。
升温慢
电源电压正常，控制器工作正常，常见故障为部分电炉丝断路，可用万用表检查并用相同规格的电炉丝更换。
电源电压正常，但是电炉的工作电压低，其原因为供电线路的电压降太大或插座及控制开关接触不好，可调整更换。
电源电压比正常电压低，电炉工作时加热功率不足。
三相电源缺相，可调整检修。
温度
异常
热电偶没有插入到炉膛内，造成炉温失控。
热电偶的分度号与温控仪表的分度号不一致，将造成炉温与温控仪表显示的温度不一致。
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