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2.2.7炉底平均面积4
2.3计算炉体的热散失5
2.3.1求热流量5
2.3.2验算交界面上的温度t2墙t3墙5
2.3.3验算炉壳温度t4墙6
2.4计算炉墙散热损失Q墙散6
2.4.1计算炉墙散热损失6
2.4.2开启炉门的辐射热损失Q辐6
2.4.3开启炉门溢气热损失Q溢7
2.4.4其它热损失Q它7
2.4.5工件吸收的热量7
2.5炉子生产率的计算7
2.5.1炉子生产率计算7
2.5.2正常工作时的效率7
2.5.3保温阶段关闭炉门时的效率7
2.6炉子空载功率计算8
2.7空炉升温时间计算8
2.7.1炉墙及炉顶蓄热8
2.7.2炉底蓄热计算8
2.7.3炉底板蓄热9
2.8功率的分配与接线9
2.9电热元件材料选择及计算10
2.9.1求950℃时电热元件的电阻率pt10
2.9.2确定电热元件表面功率10
2.9.3每组电热元件功率10
2.9.4每组电热元件端电压10
2.9.5电热元件直径10
2.9.6每组电热元件长度和重量10
2.9.7电热元件的总长度和总重量10
2.9.8校核电热元件表面负荷11
2.9.9电热元件在炉膛内的布置11
2.10炉子技术指标11
3附录12
3.1装配图12
3.2电阻丝13
3.3电阻丝接线示意图14
4参考文献15
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1前言
1.1本设计的目的、意义
1.1.1本设计的目的
设计一台电阻加热炉,额定功率为105KW,使其加热温度在650℃-1000℃之间,周期式成批装料,长时间连续生产。
用于中碳钢,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。
1.1.2本设计的意义
通过本次热处理炉设计,了解中温热处理炉的基本结构,掌握热处理炉设计的基本方法,熟悉热处理炉在工厂中的实际应用以及进一步熟练工程制图的方法,为以后的工厂实际奠定基础。
1.2本设计的技术要求
1.2.1技术要求
1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。
2额定功率:
105KW
3工作温度:
中温(650℃-1000℃)
4生产特点:
周期式成批装料,长时间连续生产。
1.3热处理炉的发展现状
1.3.1国外热处理行业的能源利用情况
在国外推出的热处理节能措施中,主要考虑的就是改进设备和革新工艺的技术措施,主要措施有以下几个方面:
1.加强合理利用热能的理论研究和实际应用。
2.采用直接控制炉内气氛碳势、氮势、氧势的传感器和执行机构,可以获得一定的节能效果。
3.采用新型的保温材料,可减少20%以上的热损失。
4.采用直接加热工件的方法,可减少蓄热损失和辐射损失,也可有效的节约能源。
5.改进料盘、夹具的结构,减轻耐热钢构件的重量,增加强度,减少料盘夹具的无效加热损失。
1.4我国热处理行业存在的问题
由于我国工业起步较晚,现行的热处理装备水平普遍落后,主要有以下几个方面:
1.设备负荷率低,装炉量不足。
2.设备的利用率低。
3.加热设备落后。
4.无效热消耗多。
5.工艺落后。
目前,我国的热处理工艺普遍落后,过于保守。
2设计说明
2.1炉型选择
根据设计任务给出的生产特点,拟选用中温箱式热处理电阻炉,不通保护气氛。
2.2确定炉体结构和尺寸
2.2.1根据经验公式法计算炉子的炉膛砌砖体内腔的尺寸L*B*H
经验公式:
P安=Ct升0.5F0.9(T/1000)1.55
由于炉门为开启式,故散热量较大,取C=30[(kw*h0.5)/(m1.8*℃1.55)],空炉升温时间假定为4h,炉温为T=1000℃,故105=30*4-0.5*F0.9*(1000/1000)1.55计算得F=8.69m2
根据炉膛面积计算公式F=2*B*H+2*L*H+B*L+2*∏*B*L*(60o/360o)
(1)
根据经验一般有L=2BH=0.7B
(2)
根据
(1)
(2)式计算得L=2.05mB=1.03mH=0.72m
根据标准热处理炉砖尺寸(230mm*113mm*65mm)
及在各方向上砖缝不能重合,以保持其强度,必须用半块砖,故取L=1.96mB=0.9mH=0.68m
考虑每块砖之间的缝隙2mm,确定最后尺寸
L=(230+2)*8+(230*0.5+2)=1973mm
B=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=967mm
H=(65+2)*10+37=707mm
2.2.2确定工作室有效尺寸L效B效H效
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的空间,确定工作室有效尺寸为L效=1700mmB效=700mmH效=500mm
2.2.3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轻质黏土转+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轻质黏土砖+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轻质黏土砖(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。
炉门用65mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质黏土砖,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。
2.2.4砌体平均表面积计算
L外=L+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2483mm
B外=B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=1527mm
H外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182
=707+130+310+268+50+182=1647
式中:
f----拱顶高度,此炉采用60o标准拱顶,取拱弧半径R=B,则f可由f=R(1-cos30o)求得。
2.2.5炉顶平均面积
F顶内=2∏R/6*L=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025m2
F顶外=B外*L外=2.483*1.527=3.903m2
F顶均=√F顶内*F顶外=√2.025*3.903=2.82m2
2.2.6炉墙平均面积
炉墙平均面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前墙。
F墙内=2LH+2BH=2H(L+B)=2*0.707(1.973+0.967)
=4.150m2
F墙外=2H外(L外+B外)=2*1.647(2.483+1.527)
=13.39m2
F墙均=√F墙内*F墙外=√4.15*13.39=7.45m2
2.2.7炉底平均面积
F底内=B*L=0.967*1.973=1.93m2
F底外=B外*L外=2.483*1.527=3.90m2
F底均=√F底内F底外=√1.93*3.9=2.74m2
2.3计算炉体的热散失
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,将炉门包括在前墙内。
根据公式Q散=t1-tn+1/∑Si/入iFi
对于炉墙散热,首先假定界面上的温度及炉壳温度,t2ˊ墙=780℃,t3ˊ墙=485℃,t4ˊ墙=60℃则
耐火层S1的平均温度ts1均=(950+780)/2=865℃
硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均=(780+485)/2=632.5℃
硅酸土砖层S3的平均温度ts3均=(485+60)/2=272.5℃
S2S3层炉衬的热导率由附表3查得
λ1=0.29+0.256*10-3ts1均
=0.29+0.256*10-3*865=0.511W/(m·
℃)
λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*272.5=0.194W/(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呈线形关系
由ts2均=632.5℃得λ2=0.129W/(m·
当炉壳温度为60℃室温为20℃由附表2经近似计算得
a∑=12.11W/(m·
2.3.1求热流量
q墙=(tg-ta)/(s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ)
=(950-20)/(0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1)=730.4W/㎡
2.3.2验算交界面上的温度t2墙t3墙
t2墙=t1-q墙*(s1/λ1)=950-730.4*(0.115/0.511)=788.6℃
Δ=(t2墙-t2ˊ墙)/t2ˊ墙=(788.6-780)/780=1.1%
Δ〈5%满足设计要求不需要重算。
t3墙=t2墙-q墙*(s2/λ2)=788.6-730.4*(0.05/0.129)=497.8℃
Δ=(t3墙-t3ˊ墙)/t3ˊ墙=(497.8-485)/485=2.64%
2.3.3验算炉壳温度t4墙
t4ˊ墙=t3墙-q墙*(s3/λ3)=497.8-730.4*(0.115/0.194)=64.9℃〈70℃
满足一般热处理电阻炉表面升温小于50℃的要求。
2.4计算炉墙散热损失Q墙散
2.4.1计算炉墙散热损失
Q墙散=q墙*F墙均=730.4*7.45=5441.48W
同理可以求得t2顶=844.3℃t3顶=562.6℃t4顶=53℃
q顶=485.4W/㎡
t2底=782.2℃t3底=568.5℃t4底=53.7℃
q底=572.2W/㎡
炉顶通过炉衬散热
Q顶散=q顶*F顶均=485.4*2.82=1368.83W
炉底通过炉衬散热
Q底散=q底*F底均=572.2*2.74=1567.83W
则整个炉体散热损失(其中1W=3.6KJ/h)
Q散=Q墙散+Q底散+Q顶散
=5441.48+1368.83+1567.82
=8378.13=30161.32KJ/h
2.4.2开启炉门的辐射热损失Q辐
设装出料所需时间为每小时6分钟
Q辐=3.6*5.765FΦδt〔(Tg/100)4-(Ta/100)4〕
Tg=950+273=1223KTa=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*(H/2)=0.967*0.707/2=0.343m2
炉门开启率δt=6/60=0.1
由于炉门开启后,辐射口为矩形,且H/2与B之比为0.351/0.978=0.36,炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.351/0.28=1.25,由图1-14第一条线查得Φ=0.7故
Q辐=5.675*3.6FΦδt〔(Tg/100)4-(Ta/100)4〕
=5.675*3.6*0.343*0.1*0.7*(22372-73.7)
=11406.62KJ/h
2.4.3开启炉门溢气热损失Q溢
Q溢=qvaΡaca(tˊg-ta)δt
近似认为qva=1997B*H/2=1997*0.978*0.351*√0.351=406.14
冷空气密度Ρa=1.29㎏/㎡有附表得Ca=1.342KJ/(㎡·
ta=20℃tˊg为溢气温度,近似认为
tˊg=ta+2/3(tg-ta)=20+2/3(950-20)=640℃
Q溢=qvaΡaca(tˊg-ta)δt=406.14*1.29*1.342*(640-20)*0.1
=43592.29KJ/h
2.4.4其它热损失Q它
一般其它热损失为上述热损失的10%~20%则
Q它=0.13(Q件+Q散+Q辐+Q溢)
=0.13(Q件+30161.32+11406.62+43592.29)
=0.13Q件+11070.83KJ/h
2.4.5工件吸收的热量
因为炉子安装功率为105KW,又P安=KQ总/3600其中K为功率储备系数,本炉子设计中取K=1.4则P安=1.4Q总/3600=75KW
Q总=105*3600/1.4=270000KJ/h得
Q件=153777.82KJ/h
Q它=31061.95KJ/h
2.5炉子生产率的计算
2.5.1炉子生产率计算
低合金钢工件在650和20的比热容为C件2=0.770KJ/(㎏·
C件1=0.486KJ/(㎏·
℃)由Q件=P(C件2t1-C件1t0)得
P=Q件/(C件2t1-C件1t0)=153777.82/(0.77*650-0.486*20)
=313.37Kg/h
2.5.2正常工作时的效率
η=Q件/Q总=153777.82/270000=56.95%
2.5.3保温阶段关闭炉门时的效率
η=Q件/Q总-Q辐-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%
2.6炉子空载功率计算
P空=Q散+Q它/3600=(30161.32+31061.95)/3600=17KW
2.7空炉升温时间计算
由于所设计的炉子的耐火层相似,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。
因升温时炉底板也随炉升温,也要计算在内。
2.7.1炉墙及炉顶蓄热
V粘侧=2*[1.973*(13*0.067+0.135)*0.115]=0.458m3
V粘前后=2*[(0.967+0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05]=0.354m3
V粘顶=0.97*(1.973+0.276)*0.05=0.251m3
V纤侧=2*[(1.973+0.115)*(13*0.067+0.135)*0.05]=0.187m3
V纤前后=2*[(0.967+0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05]=0.154m3
V纤顶=1.071*(1.973+0.276)*0.08=0.193m3
V硅侧=2*[(13*0.067+0.135)*(1.973+0.115)*0.115]=0.484m3
V硅前后=2*[1.43*(17*0.067+0.135)*0.115]=0.419m3
V硅顶=2.3*1.43*0.115=0.378m3
由式
Q蓄=V粘p粘c粘(t粘-t0)+V纤p纤c纤(t纤-t0)+V硅p硅c硅(t硅-t0)
其中t粘=(t1+t2墙)/2=(950+788.6)/2=869.3℃
t纤=(t2墙+t3墙)/2=(788.6+497.8)/2=643.2℃
t硅=(t3墙+t4墙)/2=(497.8+64)/2=281.3℃
查附表3得
C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.066KJ/(㎏·
C纤=0.81+0.28*10-3t纤=0.99KJ/(㎏·
C硅=0.84+0.25*10-3t硅=0.91KJ/(㎏·
所以得
Q蓄1=(V粘侧+V粘前后+V粘顶)p粘c粘(t粘-t0)+(V纤侧+V纤前后+V纤顶)p纤c纤(t纤-t0)+(V硅侧+V硅前后+V硅顶)p硅c硅(t硅-t0)
=962391+82365+152300=1044908.3KJ
2.7.2炉底蓄热计算
V粘底=[4*(0.02*0.12+0.133*0.065)+(0.04*2+0.065)*0.113+(0.113*0.12)*2]*1.973+(1.43-0.115*2)*(2.3-0.115)*0.065
=0.324m3
V纤底=2.538*1.527*0.05=0.164m3
V硅底=2.538*1.527*0.128=0.600m3
由于t粘=(t1+t2底)/2=(950+782.2)/2=866.1℃
t纤=(t2底+t3底)/2=(788.2+568.5)/2=675℃
t硅=(t3底+t4底)/2=(568.5+53.7)/2=311℃
查表得
C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.065KJ/(㎏·
C纤=0.81+0.28*10-3t纤=0.999KJ/(㎏·
C硅=0.84+0.25*10-3t硅0.918KJ/(㎏·
所以得
Q蓄底=V粘底Ρ粘C粘(t粘-t0)+V纤底Ρ纤C纤(t纤-t0)+V硅底Ρ硅C硅(t硅-t0)
=399880KJ
2.7.3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0.670和0.473,经计算炉底板重量为242Kg,所以有
Q蓄板=G(c板2t1-c板1t0)=242(636.5-9.46)=151743.6KJ
得
Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板
=1044908.3+399880+151743.6
=1596531.9KJ
得升温时间
τ升=Q蓄/3600P安=4.22h
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。
2.8功率的分配与接线
105KW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*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71m2
W=P安/F电=105/4.71=22.29KW/㎡
表面负荷在常用的范围20-25kW/m2之内,故符合设计要求。
2.9电热元件材料选择及计算
由最高使用温度1000℃,选用线状0Cr25Al5合金电热元件。
接线方式采用YY。
理论计算
2.9.1求950℃时电热元件的电阻率pt
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p20=1.40Ω·
mm2/m,电阻温度系数a=4*10-5℃-1,则1100℃下的电热元件电阻率为
pt=p20(1+at)=1.46Ω·
mm2/m
2.9.2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系数取W允=3W/㎝2
2.9.3每组电热元件功率
由于接线方式采用YY,每组元件功率
P组=105/n=105/(3*2)=17.5KW
2.9.4每组电热元件端电压
由于接线方式采用YY,供电电压为车间动力电网380V,故每组电热元件端电压既为每组电压
U组=380/√3=220V
2.9.5电热元件直径
由公式得d=34.3√P2组ρt/(U2组·
W允)〕3=4.99㎜
取d=5mm
2.9.6每组电热元件长度和重量
L组=0.785*10-3(U2组d2)/(P组ρt)=37.18m
G组=∏*d2L组ρm/4式中ρm由附表12查得ρm=7.1g/㎝2得G组=5.18㎏
2.9.7电热元件的总长度和总重量
总长度L总=6*L组=6*37.18=223.08m
总重量G总=6*G组=6*5.18=31.08㎏
2.9.8校核电热元件表面负荷
W实=P组/(ΠdL组)
=(17.5*1000)/(3.14*0.5*3718)=2.998W/㎝2
W实〈W允,结果满足设计要求。
2.9.9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=37.18/4=9.295m
布置电热元件的炉壁长度
L′=L-50=1973-50=1923mm
丝状电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于1000时,
由表5-5得螺旋直径D=(4~6)d,取D=6d=6*5=30㎜
螺旋体圈数N和螺距h分别为
N=L折/(ΠD)=9.295*1000/(3.14*30)=99
h=L′/N=1923/99=19.47㎜
h/d=19.47/5=3.89<4
按规定h/d在2~4之间满足设计要求。
根据计算,选用YY方式接线d=5㎜的电热元件重量最小,成本最低。
电热元件节距h在安装时适当调整,炉口部分增大功率
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti,Φ=20㎜L=500㎜。
2.10炉子技术指标
额定功率:
105KW额定电压:
380V
最高使用温度:
950℃生产率:
313.37㎏/h
相数:
3接线方法:
YY
工作室有效尺寸:
1700*700*500
外形尺寸:
2483*1527*1647
重量:
出厂日期:
3附录
3.1装配图
3.2电阻丝
3.3电阻丝接线示意图
4参考文献
[1]吉泽升,张雪龙,武云启.热处理炉.第1版.哈尔滨工程大学出版社出版,2004
[2]热处理手册—热处理设备和辅助材料.机械工业出版社,2001年6月第三版
热处理设备选用手册.机械工业出版社,1989年8月第一版