设计950120kgh的箱式电阻炉设计.docx
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设计950120kgh的箱式电阻炉设计
《热处理设备》课程设计任务书课题名称
950℃120kg/h的箱式电阻炉设计完成时间指导教师职称学生姓名班级
总体设计要求和技术要点
总体设计要求1.通过设计培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力了解设
计的一般方法和步骤。
2.初步培养学生的设计基本技能如炉型的选择、结构尺寸设计计算、绘图、
查阅手册和设计资料熟悉标准和规范等。
3.使学生掌握设计热处理设备的基本方法能结合工程
实际选择并设计常用热处理设备培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责的态度。
设计一台
热处理箱式电阻炉其技术要点为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950℃
4.生产率120kg/h5.生产特点周期式成批装料长时间连续生产。
工作内容及时间进度安排
1.热处理设备设计准备0.5天
2.箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材料、计算分配电阻炉加热功率0.5天
3.计算电热元件尺寸、进行结构设计0.5天
3.核算设备技术经济指标0.5天
4.绘制电阻炉总图、电热元件零件图1.0天
5.编写设计说明书、使用说明书0.5天
6.设计总结0.5天
7.答辨1.0天
课程设计成果
1、设计说明书设计说明书是存档文件是设计的理论计算依据。
说明书的格式如下
1统一模板正规书写2说明书的内容及计算说明项目a、对设计课题的分析b、
设计计算过程c、炉子技术指标d、参考文献。
2、设计图纸1）电阻炉总图一张A3要求如下
a、图面清晰比例正确b、尺寸及其
标注方法正确c、视图、剖视图完整正确d、注出必要的技术条件。
2零件图3张电热
元件零件图炉门图炉衬图A4。
3、使用说明书电阻炉的技术规范及注意事项等。
前言一、本设计的目的设计950℃120kg/h的箱式电阻炉设计二、本设计的技术要求1.设计一台高温电阻炉其技术条件为
2.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。
3.工件中小型零件无定型产品处理批量为多品种小批量
4.最高工作温度950℃
5.生产率120kg/h
6.生产特点周期式成批装料长时间连续生产。
设计说明一、确定炉体结构和尺寸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=12
0kg/h由表5-1取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=1m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.780.85取系数上限得炉底实际面积F=F1/0.8=1.25m22.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=21因此可求的
L=5
.0/F=1.58m
B=L/2=0.79m
查附表5根据标准砖尺寸为便于砌砖取
L=1.509mB=0.74m
3.炉膛高度确定
按统计资料炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9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=（230+2）×6+（230×0.5+2）=1509mm
B=（120+2）×4+（40+2）×6=740mm
H=（65+2）×9+37=640mm
确定为避免工件与炉内壁或电热元件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=1400mmB效=600mmH效=500mm4.炉衬材料及厚度的确定查附表3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113mmQN1.0轻质
耐火粘土砖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113mmQN1.0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QN1.0轻质粘土砖67×3mm50mm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65mmQN1.0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N2-35电热元件搁砖选用重质高铝砖。
炉底板材料选用CrMnN耐热钢根据炉底实际尺寸给出分三块或四块厚
20mm。
二、砌体平均表面积计算1.砌体外廓尺寸L外L+2×（115+80+115）=2129mm
B外B+2×（115+80+115）=1360mmH外H+f+（115+80+115）+67×4+50+182=1549mm
f为拱顶高度此炉子采用60°标准拱顶取拱弧半径RB则f可由fR1cos30°
求得。
2.炉顶平均面积F顶内
R×L6
74.014.32×1.509=1.169m2
F顶外B外×L外1.36×2.129=2.895m2
F顶均顶外
顶内F·F1.84m23.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2LH2BH2HLB2×0.64×（1.509+0.74）=2.879m2F墙外2H外（L外B外）2×1.549×（2.129+1.36）=10.809m2
F墙均墙外
墙内F·F5.578m24.炉底平均面积F底内B×L0.74×1.5091.17m2
F底外B外×L外1.36×2.129=2.90m2
F底均底外
底内F·F1.84m2三、根据热平衡计算炉子功率
1.加热工件所需的热量Q件查附表6得工件在950℃及20℃时比热容分别为c件20.636kJ/（kg·℃）c件1
0.486kJ/（kg·℃）
Q件p（c件2t1c件1t0）120×（0.624×9500.486×20）69969.6kJ/h2.通过炉衬的散热损失Q散①F壁=2×（L×H）+（L×B）+2（B×H）+2×3.14×B×1/6×L=3.12m2
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）〕,空炉生温时间假定为τ升=4h炉温t=950℃。
所以30×4-0.5×3.120.9×950/10001.55=P安
解得P=38.364kW暂取P安=40kW
②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
n
i
ii
iF
s1
1n1t
-t
对于炉墙散热首先假定界面上的温度及炉壳温度t’2墙800℃t’3墙450℃
t’4墙65℃则
耐火层s1的平均温度ts1均2
760950875℃硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均2450800625℃硅藻土砖层s3的平均温度ts3均2
65450257.5℃s1、s3层炉
衬
的热导率由附表3得
λ10.29+0.256×10-3ts1均0.465W/（m·℃）
λ30.131+0.23×10-3ts3均0.19W/（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625℃得
λ20.318W/（m·℃）当炉壳温度为65℃室温为20℃时由附表2近似计算得αΣ12.50W/（m·℃）1）根据图5-9炉墙结构图
求热流
q墙
617.9W/m23
12
1231gatt
s
ss
a
2）验算交界面上的温度t2墙t3墙t2墙=t1q墙
s801.7℃
Δ'
t
'tt2
2
墙
墙墙2.12%
Δ<5%满足设计要求不需重算。
t3墙=t2墙q墙
s443.3℃
Δ'
t
'tt33
墙
墙墙1.49%
Δ<5%满足设计要求不需重算。
3）验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙q墙
s69.5℃<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617.9×5.5783446.6W
同理可以求得
t2顶=646.9℃,t3顶=296.9℃,t4顶=55.63℃,q顶419.6W/m2t2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772W
炉底通过炉衬散热
Q底散q底·F底均554.76W
整个炉体散热损失
Q散Q墙散Q顶散Q底散4773.36W3.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[
Tg4Ta4]
因为Tg9502731223KTa20273293K
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FB×
H0.74×2
64.00.237m2
炉门开启率δt
0.1
由于炉门开启后辐射口为矩形且
H与B之比为0.43炉门开启高度与炉墙厚度之比为31
.0
32.01.03由图114第1条线查得φ0.6故
Q辐3.6×5.675Fφδt[
Tg4Ta4]
3.6×5.675×0.117×0.1×0.6×[100
12234
4]
3198kJ/h4.开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得Q吸qvaρaca（t’gta）δt其中qva1997B·
H·
H1997×0.74×0.32×32
.0=267.5m3/h
冷空气密度ρa1.29kg/m3,由附表10得ca1.342kJ/（m3·℃）,ta=20℃,t’g为溢气温度近似
认为t’gta
（t’g-ta）20（950-20）=640℃
Q溢qvaρaca（t’gta）δt267.5×1.29×1.342×（95020）×0.143067kJ/h5.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）=18151.2kJ/h6.热量总支出其中Q辅0Q控0由下式得Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它=139159kJ/h7.炉子安装功率P安总KQ
其中K为功率储备系数本炉设计中K取1.4则
P安3600
1391594.154kW
与标准炉子相比较取炉子功率为60kW。
四、炉子热效率计算1.正常工作时的效率η总
件Q
Q=59.4%2.在保温阶段关闭时的效率η）
（溢辐总
件Q
QQ
Q
50.3%五、炉子空载功率计算P空
它
散QQ6.37kW六、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×[1.509×（12×0.067+0.135）×0.115]=0.326m3
V前·后粘2×[（0.74+0.115×2）×（16×0.067+0.135）×0.115]=0.269m3V顶粘0.97×（1.509+0.276）×0.115=0.198m3V侧纤2×[（1.509+0.115）×（12×0.067+0.135）×0.08]=0.244m3V前·后纤2×[（0.64+0.115×2）×（16×0.067+0.135）×0.08]=0.168m3V顶纤1.071×（1.509+0.276）×0.08=0.153m3V侧硅2×[（12×0.067+0.135）×（1.509+0.115）×0.115]=0.351m3
V前·后硅2×[1.36×（16×0.067+0.135）×0.115]=0.378m3
V顶硅≈2.36×1.36×0.115=0.369m3Q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t粘t1t2墙/2875.9℃
查附表3得
c粘0.84+0.26×10-3t粘0.84+0.26×10-3×875.9=1.07
kJ/（kg·℃）
/22
3.4437.801622.5℃
t纤t2墙t3墙
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/22
7.60379219.85℃
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）402590.6kJ/h2.炉底蓄热计算炉底高铝质电热元件搁砖近似看成重质粘土砖炉底的复合炉衬按硅藻土计
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]×1.509+（1.509-
0.115×2）×（1.680-0.115）×0.065
0.136m3V底纤1.680×1.043×0.050.088m3
V底硅1.680×1.043×0.1820.319m3由于t底粘t1t2底/2（750+618.4）/2684.2℃
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）/2532.55℃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）/2245.5℃2
7.801950
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
0.319×1.0×103×1.02×（684.2-20）+0.088×0.25×103×0.959×（532.55-20）+0.319×0.5×103×0.901×（245.5-20）
147905.8kJ/h3.炉底板蓄热根据附表6查得950℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板20.670kJ/（kg·℃）和c板10.473kJ/（kg·℃）。
经计算炉底板重量G=242kg所以有Q板蓄G（c板2t1-c板1t0）=206×（0.691×7509.46）103944.5kJ/hQ蓄Q蓄1Q底蓄Q板蓄654440.9kJ/h
空炉升温时间
τ升安
蓄P
Q
36007.27h
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。
七、功率的分配与接线60kW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。
根据表5-2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1535kW/m2之间常用为2025kW/m2之间。
F电2F电侧F电底2×1.509×0.640+1.509×0.740=3.05m2WP安/F电60/3.0520kW/m2表面负荷在常用范围2025kW/m2之内故符合设计要求。
八、电热元件材料选择及计算由最高使用温度950℃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60kW箱式炉YY接线直径d4.5mm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150.3m,元件总重量G总34.6kg。
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0Cr25Al5在20℃时
电阻率
ρ201.40Ω·mm2/m电阻温度系数α4×10-5℃-1,则1100℃下的电热元件电阻率为
ρtρ20（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53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接法即两组电热元件并联后再接成Y的三相双星形接法每组
元件功率
P组60/n=60/（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
d34.322
3/tPUW
允3.6mm
取d=4.5mm
⑥每组电热元件长度和质量
每组电热元件长度由下式得
L组0.785×10-3tP
dUρ组
组
=0.785×10-3×46
.1105.422022
45.9m
每组电热元件质量由下式得
G组
d2L组ρM式中ρM由附表12查得ρM7.1g/cm2
所以得
G组
d2L组ρM5.76kg
⑦电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L总6L组6×45.9275.4m
电热元件总重量
G总6G组34.56kg
⑧校核电热元件表面负荷
W实组
组dL
P
1.54W/cm2W实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=45.9/411.48m
布置电热元件绕成螺旋状当元件温度高于1000℃。
由表55可知螺旋节径
D=（46）d
取D=6d6×4.527mm
螺旋体圈数N和螺距h分别为
NL折/πD1148/（3.14×27）×103135圈
hL'/N10.8mm
h/d=2.4
按规定h/d在24范围内满足设计要求。
根据计算选用Y方式接线采用d4.5mm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1Cr18Ni9Tiφ12mml500mm。
九、炉子技术指标标牌额定功率30kW额定电压380V
使用温度950℃生产率60kg/h
相数3接线方法YY
工作室有效尺寸1500×700×500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
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