普通电阻加热炉的设计Word文档格式.docx

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炉壳内包容了耐火及绝缘隔热材料，炉胆支撑炉体。

一般工业炉大多含机械传动系统，如炉门升降机构，物料传送机构等等。

接线柱用于将电源和电热元件连接。

测温及控温系统是炉子温度精度保证的核心内容，一般由二次仪表保证。

1.4电阻炉设计原理

电阻炉是一个将电能转换成热能的设备及综合装置，依据焦耳定律，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q：

Q=0.24I2Rt 

（cal） 

（1-1）

通过以上公式可见：

我们控制I、R、t三个参数就等于控制了Q值。

即可达到控制发热体的目的。

在设计技术前，一定要牢记：

为了达到增加热量值并不是意味着无限度地增加发热元件的电阻值，这往往会增加炉子的制造成本。

如适当增大发热元件的电流，发热量将会成倍增加。

这便是电阻炉设计原理上需要掌握的精髓。

因此合理地选用电热元件更为重要，依据设计原理首先要计算出必须的、合理的R值和足够的I值，确保在工艺及使用需要时，在规定的时间t内产生足够的热量Q，达到设备所要求的温度。

这里需要强调的是：

选择R值固然重要，但更为重要的是选择I值。

另一方面，即使电热元件能够发出足够的热量，设备不一定能够达到我们所需要使用的温度，之所以电炉未能达到所要求的高温，乃是因为在很大程度上取决于电炉的隔热保温状况。

炉子少散热或极少散热才是更为至关重要的事情。

实际上所有经验的工程师都知道：

设计电炉的正确使用温度，除了取决于炉子的供热量以外，更重要的是取决于炉子的散热量。

因此设计炉子的保温能力，如何合理选择保温材料的厚度，最大限量地减少热量损失是工业炉设计工程师首选的、必要的措施之一。

电热元件一般分为金属和非金属两大类。

在金属电热元件中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电热体等等，非金属的有石墨电热体、碳化硅电热体等等。

（1）铁铬铝合金电热元件

目前国产的、常见的有三种牌号：

Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能见表1-1，随着技术进步，含Mo等其它铁铬铝合金电热元件牌号越来越多，它们适用于1000-1300℃的温度范围内工作，甚至更高，有些新材料可达1400℃以上。

它们抗氧化性好、易加工、电阻大，电阻温度系数小，价格低廉。

在高温下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空气对合金的进一步氧化，但不宜在还原气氛中使用，另外还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触，以免破坏保护膜。

这种电热体的主要缺点是高温强度低，经常时间在高温工作后，加热元件由于晶粒长大而变脆。

（2）镍铬合金电热体

这类合金电热体适用于1000℃以下的温度，其型号为Cr20Ni80、Cr15Ni60等，其性能见表1-1。

此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。

Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。

表1-1：

Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能

合金种类

成份wt％Cr

成份wt％Al

成份wt％Ni

成份wt％Fe

比重

20℃电阻系数Ω/m

熔点℃

电阻温度系数1/℃

导热系数KJ/m.h

热膨胀系数1/℃

最高使用温度℃

常温加工性能

Cr25Al5

23-27

4.5-6.5

余量

7.1

1.45

1500

（3-4）*10-5

60.25

15*10-6

1200

裂纹

Cr17Al5

16-19

4-6

7.2

1.3

6*10-5

15.6*10-6

1000

Cr13Al4

13-15

3.5-5.5

7.4

1.26

1450

15*10-5

16.5*10-6

850

Cr20Ni80

20-23

75-78

8.4

1.11

1400

8.5*10-5

14*10-6

1100

良好

Cr15Ni60

15-18

55-61

8.15

1.1

1390

14*10-5

45.19

13*10-6

非金属电热元件有碳化硅制品、硅钼制品和石墨

注：

以上3种电热元件在今后讲解中再详细论述。

（3）耐火材料和保温材料

为了获得稳定的高温必须具备两个条件，一是要有电热体即热源，二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。

耐火材料：

在高温电阻炉中，发热元件本身温度较高，一般可达1400℃以上，炉膛结构需要布置合适的耐火材料。

胜任耐火材料必须具备以下条件：

高的耐火度、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。

表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。

主要有高铝砖、刚玉管、1600℃硅酸铝纤维板等等。

表1-2：

常用耐火材料

材料名称

耐火度℃

荷重软化点（2Kg/cm2）℃

使用温度℃

体积密度（g/cm3）

主要用途

石墨制品

〉3000

2000

1.6

高温电阻炉耐温部件

硅砖

1690-1710

1620-1650

1000-1630

1-9

电阻炉炉膛内层

耐火黏土砖

1610-1730

1250-1400

《1400

1.8-2.2

电阻炉炉底用砖

高铝砖

1750-1790

1400-1550

1650-1670

2-3.2

刚玉制品

1240-1850

1600-1670

2.96-3.10

高温电阻炉耐火部件

镁砖

1470-1520

2.5-2.9

轻质粘土砖

1670-1710

1200-1400

0.4-1.3

硅酸铝纤维

〉1600

1650

1600-1650

0.35

硅藻土砖

1280

900-950

0.45-0.65

保温材料：

为了减少热损失和增加炉温的稳定性，常常在炉壳内填入保温材料，他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。

按温度使用可分为：

A高温保温材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大类，有关材料见表1-3。

高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400℃），轻质硅砖不大于（1500℃），轻质高铝转不大于（1350℃），硅酸铝纤维板（1200-1400℃）等等。

中温的保温材料常用的有：

轻质珍珠岩和蛭石。

低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。

现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600℃

当然，硅酸铝纤维毡也以较佳保温性能被大量使用。

因此目前可供我们选择的新型保温材料大量出现，使我们开拓了设计视野，摒弃过去使用耐火砖和珍珠岩的概念，尽可能的选择最新材料，隔热保温性能会大大提高，这样我们工业炉制造除了将会变得越来越轻外，而且越来越节约能源。

表1-3常用保温材料性能

容量（Kg/m3）

硅藻土砖、管、板

500±

50

900

电阻炉保护层

膨胀蛭石

100-300

《1000

电阻炉保温层填料

石棉板

1150

《600

电阻炉炉底、炉壳、顶等，密封材料

矿渣棉

150-180

400-500

259

矿渣棉砖、管、板

350-450

电阻炉保温层材料

磷酸盐珍珠岩制品

《220

≯1000

玻璃纤维

300

750

低温电阻炉保温层填料

1.5电阻炉的计算与设计

根据不同工件大小的不同尺寸需要，设计制造的电阻炉可分为小型电阻炉、中型电阻炉、大型电阻炉。

随着炉膛尺寸的加大，炉子加热功率将会相应的增加。

根据不同工件大小的不同温度需要，设计制造的电阻炉可分为低温电阻炉、中温电阻炉、高温电阻炉。

随着炉子温度的增高，炉子加热功率也将会相应的增加。

因此加热功率一般是由炉膛内部尺寸大小及工作温度决定的。

当然还有一个重要参数也对确定功率大小起作用那就是加热时间，也就是我们常说的升温速率。

常见的电阻炉的功率一般在10KW-1000KW范围不等，有时可能更高。

我们这里所讲的电阻炉计算与设计主要包括功率的确定，电热体的选择，耐火材料和保温材料的选择。

（1）电阻炉功率的确定

电炉功率是从能量角度上衡量电炉大小的一个指标。

如何将功率设计的恰到好处是一个重要的事情。

设计太大将会造成不必要的浪费，设计太小将会使炉子达不到温度要求或者升温缓慢，达不到工艺要求。

确定设备功率方法较多，无论选用那种，归纳起来只有两种：

热平衡计算法和经验计算法。

实际上，由于电炉散热条件的复杂性，环境温度的可变性，要想从理论上确定炉子的功率消耗和炉子在一定功率输入下所能达到的温度事实上是非常困难的一件事情，即便使用计算机的手段，精确计算事实上根本做不到。

故一般都靠一些经验的、半经验的方法，再借助热平衡方程式，即辅助能量平衡的基本概念来确定。

下面介绍的内容将是一个极为简单的功率确定的经验的方法

对于一个圆形炉膛【炉膛形状根据要求可制造成各型各异的，如方形、椭圆、异性等等】来说，首先要计算出炉胆部分内表面积。

假设：

炉子为中等保温程度，则可由表1-4的经验数据查出每100cm2加热内表面积所需的功率瓦数，然后乘以被加热炉膛内表面积，即可得到需要的功率。

表1-4：

不同温度下每100cm2炉管表面所需功率

温度℃

600

700

800

1300

功率w

80

100

130

160

190

220

260

示例:

由电阻炉内径为10cm，加热部分长为80cm，预计加热到1100℃，求在中等保温情况下炉子所需功率。

首先算出被加热炉膛的内表面积：

S=3.14*D*L=3.14*10*80=2513（cm2） 

（1-2）

由表1-4查出1100℃时，每100cm2炉膛表面积所需功率Ρ=220w，所以上述炉管的总功率：

（1-3）

用这种经验办法计算小型电炉所需功率，虽不十分严格，但实践证明还是很适用的。

确定炉子功率的经验方法各种各样，有的以公式形式出现，有的以图表形式出现，无论使用那种，选用的正确就行。

对使用热平衡方程式方法以后再详细介绍。

（2）电热元件的计算

根据炉膛所要达到的最高温度和炉子的工作气氛决定电热体的种类。

例如要制作一台在空气中使用的炉子【即氧化性气】，最高使用温度为1100℃的电炉，则可选用Cr25Al5电热丝为发热体，但必须明确，电热元件的最高使用温度是指电热体在干燥空气中表面最高温度，并非指炉膛温度。

由于散热条件不同，一般要求炉膛最高温度比电热体最高使用温度低100℃-200℃左右最好。

另外，还必须明确的一个重要指标是电热体表面负荷。

表面负荷是指电热元件在单位表面积所承担的炉子的功率数。

在一定的炉子功率条件下，电热体表面负荷选的大，则电热体用量就少，但电热体表面负荷越大，其寿命越短，所以选择要适当。

表1-5为Fe-Cr-Al和Ni-Cr电热体的表面负荷值，它是电热元件计算的重要参数。

在进行电热体计算时，为了使用安全，设计时，电热体允许表面负荷一般取下线，为了使用可控硅调节电压，留出可调余地。

工作电压通常以200v计算。

下面，以电阻丝炉为例说明计算步骤：

炉管尺寸为Φ100*110*1000mm,要求炉膛温度1100℃，电压220v，氧化性气氛，炉体中等保温，加热带长度800mm,求电阻丝长度和直径。

1）加热带面积的计算

加热带内表面积

S=∏*D*L=3.14*10*800=2513cm2 

（1-4）

功率的计算

由表1-4查出，1100℃时，每100cm2炉管面积所需功率p=220w,所以电炉所需功率：

（1-5）

2）电热体及其参数的确定

根据要求和表1-1，可选择Cr25Al5铁铬铝丝为电热体，再根据表1-5，Cr25Al5电热体在1100℃时准许的表面积负荷为10w/cm2。

由表1-1查出Cr25Al5在20℃时的比电阻Po=1.45Ω*mm2/m,温度系数=（3-4）*10-5/℃，因此1100℃时的比电阻

（1-6）

电热丝直径的计算：

对圆线电热丝来说，其直径可按式（1-7）计算：

（1-7）

式中：

－在工作温度t时的比电阻Ω*mm/m

P－炉子的功率 

（Kw）

W－电热体表面负荷 

w/cm2

V－电压 

V

D－电热丝直径 

mm

把已知数据带入（1-7）式即可得到电热丝直径

（1-8）

电热丝长度的计算：

电热丝的截面积：

（1-9）

电热丝电阻：

（1-10）

电热丝长度：

（1-11）

式中：

R—电热体总电阻Ω；

f—电阻丝截面积mm2；

L—电热体总长度m

把已知数据代入（1-9）（1-10）（1-11）可得：

表1-5：

Fe-Cr-Al和Ni-Cr电热体的表面积负荷值

温度

正常表面积负荷（w/cm2）

Fe-Cr-Al电热体

Cr20Ni80电热体

Cr15Ni60电热体

Cr27Al6

Cr27Al5

500

5.10-8,40

3.90-8.40

2.6-4.2

2.4-3.4

550

4.75-9.95

3.66-7.90

2.4-4

2.25-3.15

4.44-7.50

3.44-7.35

2.2-3.8

2.05-2.95

650

4.05-7.05

3.15-6.80

2-3.7

1.9-2.75

3.75-6.60

2.9-6.25

1.85-3.5

1.7-2.55

3.45-6.15

2.70-5.70

1.7-3.3

1.55-2.30

3.15-5.70

2.5-5.15

1.6-3.05

1.35-2.10

2.8-5.25

2.25-4.60

1.5-2.75

1.2-1.85

2.5-4.8

2-4.05

1.35-2.4

1.05-1.65

950

2.25-4.35

1.8-3.5

1.25-2

0.9-1.45

1.95-3.90

1.6-2.9

1.15-1.5

0.75-1.25

1050

1.75-3.45

1.45-2.55

1.05-1.2

0.6-1.0

1.55-3.00

1.25-2.20

10

1.40-2.45

1.15-1.90

0.5-0.8

1.25-2.00

1.00-1.65

验算：

上面的计算是否正确，可按表面负荷公式验算：

（1-12）

把有关数据代入（1-12）式，可得：

这与设计时选用的表面负荷还小，故可保证安全使用。

1.6电阻炉的制作

（1）确定匝数并在炉管上缠电阻丝

根据上述，选择电阻丝为Cr25Al5,其直径d=3.6mm.总长度L=49m,炉膛外径Φ=110mm,加热带长度800mm.如果均匀的将电热丝绕在炉管加热带上，则电热丝匝数：

（1-13）

n—匝数

L—电热丝总长度

l—炉管外圆周长

D—炉膛外径

匝间距离h=H/n, 

H为加热带长度，这里为800mm所以：

H=800/142=5.6（mm）。

根据上面的计算可以在炉管上缠电阻丝，但在缠时应注意将两头各留一米左右电阻丝作为引线，取同一材料的电阻丝作为绑线，另外，为了缠绕均匀，应在炉管上画好匝间距。

一般为了保证炉子的恒温带，在缠绕时应按密缠---疏缠---密缠的方法，炉管两端密缠中间疏缠，缠好后的炉管，用Al2O3（经过1300℃焙烧）粉末加入磷酸或胶水搅均匀，均匀的涂在炉管上，这主要是保护电阻丝高温时不暴露在空气中，延缓电阻丝氧化，另外还起到固定电阻丝作用，在高温时不易脱落，炉管涂好Al2O3后，要阴干24小时。

炉子装好后要在100℃烘4小时，除去水分，400℃烘4小时把炉子烘干。

（2）测定电阻炉的恒温带

为了确定炉子的轴向温度分布，在炉子制成后一定要测定炉子的温度分布情况。

如图1-2图1-2是测定电炉纵向恒温带的装置略图，首先用控温仪把炉温控制在要求温度附近，此温度应尽量与工作温度相近，将控温热电偶放在炉子中间尽量贴近电热丝，再用一根足够长的热电偶画好刻度，以备测量时使用，假设控温仪温度控制在900℃，当温稳定在±

1℃时，开始将热电偶下插一个刻度，并记录下此点插入深度和温度。

表1-6

SV℃

PV℃

901

899

插入深度mm

a

B

c

D

e

F

G

h

实际温度℃

940

956

963

962

960

958

952

945

图1-2测定电炉纵向恒温带的装置示意图

当温度稳定后再下插一个刻度，直到最高温度点出现后，再测到和起始点温度差不多点出现时，测试完毕。

用插入深度和实际温度作图。

所谓炉子的恒温带是指具有一定恒温精度的加热带长度。

因此在得出炉子恒温带的同时，还要指出炉子其工作温度与恒温精度。

利用表1-6试求ah和bg长度上的恒温带。

在ah两点之间共测八个点，其平均值为：

（℃） 

（1-14）

ti－为各点温度测定值

n－为测定点数

Δti－为各测量点值与平均值之差，则其算术平均值偏差Δt为:

（1-15）

所以ah两点之间的恒温代为954±

6℃。

用同样的方法bf间的恒温带为959±

2℃，由此可见，恒温带的恒温精度与恒温带的长度有关，恒温带越短精度越高。

当然恒温带要满足式样的要求。

1.7温度的测量---热电偶

所谓二次仪表是由热电偶、控温仪表和补偿导线组成。

此种类型的温度测量方法具有结构简单、精度高使用方便，适用