65KW高温台车式电阻炉设计.docx

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65KW高温台车式电阻炉设计

目录

1前言1

1.1本设计的目的、意义1

1.1.1本设计的目的1

1.1.2本设计的意义1

1.2本设计的技术要求1

1.2.1技术要求1

1.3热处理炉的发展现状2

1.3.1国外热处理行业的能源利用情况2

1.3.2我国热处理行业存在的问题2

2设计说明3

2.1炉型选择3

2.2确定炉体结构和尺寸3

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*H3

2.2.2确定工作室有效尺寸L效B效H效3

2.2.3炉衬材料及厚度的确定3

2.2.4砌体平均表面积计算4

2.2.5炉顶平均面积4

2.2.6炉墙平均面积4

2.2.7炉底平均面积4

2.3计算炉体的热散失4

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5

2.4计算炉墙散热损失Q墙散5

2.4.1计算炉墙散热损失5

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6

2.4.4其它热损失Q它6

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7

2.7空炉升温时间计算7

2.7.1炉墙及炉顶蓄热7

2.7.2炉底蓄热计算8

2.7.3炉底板蓄热8

2.8功率的分配与接线9

2.9电热元件材料选择及计算9

2.9.1求950℃时电热元件的电阻率pt9

2.9.2确定电热元件表面功率9

2.9.3每组电热元件功率9

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10

2.9.9电热元件在炉膛内的布置10

2.10炉子技术指标11

3附录11

3.1装配图11

3.2电阻丝12

3.3电阻丝接线示意图13

4参考文献14

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前言

本设计的目的、意义

本设计的目的

设计一台电阻加热炉，额定功率为65KW，使其加热温度在1000℃，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。

本设计的意义

通过本次热处理炉设计，了解高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。

本设计的技术要求

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：

65KW

3工作温度：

高温1000℃

4生产特点：

周期式成批装料，长时间连续生产。

热处理炉的发展现状

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。

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。

设计说明

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。

确定炉体结构和尺寸

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65=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55计算得F=5.08m2

根据炉膛面积计算公式F=2*B*H+2*L*H+2*B*L

（1）

根据经验一般有L=2BH=0.7B

（2）

根据

（1）

（2）式计算得L=1.574mB=0.787mH=0.551m

根据标准热处理炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm）

考虑每块砖之间的缝隙2mm,确定最后尺寸

L=（230+2）*6+（230*0.5+2）=1509mm

B=（120+2）*2+（113+2）+（65+2）*2+（113+2）*2=688mm

H=（65+2）*7+37=506mm

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=1300mmB效=550mmH效=450mm

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+80mm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。

砌体平均表面积计算

L外=L+2*（115+50+115）=1509+2*（115+80+115）=2129mm

B外=B+2*（115+50+115）=688+2*（115+80+115）=1409mm

H外=H+2*（115+80+115）=506+2*（115+80+115）=1126mm

炉顶平均面积

F顶内=L*B=1509*688=1.188m2

F顶外=B外*L外=2.129*1.409=3.000m2

F顶均=√F顶内*F顶外=√1.188*3.000=1.888m2

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*0.506（1.509+0.506）

=2.223m2

F墙外=2H外（L外+B外）=2*1.126（2.129+1.409）

=7.968m2

F墙均=√F墙内*F墙外=√2.223*7.968=4.209m2

炉底平均面积

F底内=B*L=506*688=1.188m2

F底外=B外*L外=2.129*1.409=3.000m2

F底均=√F底内F底外=√1.188*3.000=1.888m2

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=800℃，t3ˊ墙=450℃，t4ˊ墙=65℃则

耐火层S1的平均温度ts1均=（1000+800）/2=900℃

硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均=（800+450）/2=625℃

硅酸土砖层S3的平均温度ts3均=（450+65）/2=257.5℃

S2S3层炉衬的热导率由附表3查得

λ1=0.294+0.212*10-3ts1均

=0.294+0.212*10-3*900=0.485W/（m·℃）

λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*257.5=0.190W/（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=625℃得λ2=0.318W/（m·℃）

当炉壳温度为60℃室温为20℃由附表2经近似计算得

a∑=12.50W/（m·℃）

求热流量

q墙=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ）

=（1000-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=683.3W/㎡

验算交界面上的温度t2墙t3墙

t2墙=t1-q墙*（s1/λ1）=1000-683.3*（0.115/0.485）=838.0℃

Δ=（t2墙-t2ˊ墙）/t2ˊ墙=（838.0-800）/800=4.7%

Δ〈5%满足设计要求不需要重算。

t3墙=t2墙-q墙*（s2/λ2）=838.0-683.3*（0.080/0.138）=441.9℃

Δ=（t3墙-t3ˊ墙）/t3ˊ墙=（441.9-450）/450=1.80%

Δ〈5%满足设计要求不需要重算。

验算炉壳温度t4墙

t4ˊ墙=t3墙-q墙*（s3/λ3）=441.9-683.3*（0.115/0.190）=28.3℃〈50℃

满足一般热处理电阻炉表面升温小于50℃的要求。

计算炉墙散热损失Q墙散

计算炉墙散热损失

Q墙散=q墙*F墙均=683.3*4.209=2876.0W

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*1.888=916.4W

炉底通过炉衬散热

Q底散=q底*F底均=572.2*1.888=1080.3W

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

=2876.0+916.4+1080.3

=4872.7W=17541.7KJ/h

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=1000+273=1273KTa=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）=0.688*0.506/2=0.174m2

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0.253/0.688=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.253/0.310=0.816，由图1-14第一条线查得Φ=0.66故

Q辐=5.675*3.6FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕

=5.675*3.6*0.174*0.1*0.66*（26261.1-73.7）

=26187.4KJ/h

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*0.688*0.253*√0.253=174.8

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（1000-20）=673℃

Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt=174.8*1.29*1.342*（640-20）*0.1

=19760.5KJ/h

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+17541.7+6144.0+19760.5）

=0.13Q件+5648.0KJ/h

工件吸收的热量

因为炉子安装功率为65KW，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=65*3600/1.4=167142.9KJ/h得

Q件=104467.9KJ/h

Q它=19228.8KJ/h

炉子生产率的计算

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

正常工作时的效率

η=Q件/Q总=104467.9/167142.9=62.50%

保温阶段关闭炉门时的效率

η=Q件/Q总-Q辐-Q溢=104467.9/125491.1=83.25%

炉子空载功率计算

P空=Q散+Q它/3600=（17541.7+19228.9）/3600=10.2KW

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。

炉墙及炉顶蓄热

V粘侧=2*[1.509*（13*0.067+0.135）*0.115]=0.326m3

V粘前后=2*[（0.688+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.255m3

V粘顶=0.97*（1.509+0.276）*0.05=0.199m3

V纤侧=2*[（1.509+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05]=0.244m3

V纤前后=2*[（0.787+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.196m3

V纤顶=1.071*（1.509+0.276）*0.08=0.153m3

V硅侧=2*[（13*0.067+0.135）*（1.509+0.115）*0.115]=0.351m3

V硅前后=2*[1.409*（17*0.067+0.135）*0.115]=0.391m3

V硅顶=2.129*1.409*0.115=0.345m3

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=（1000+838）/2=919℃

t纤=（t2墙+t3墙）/2=（838+441.9）/2=640.0℃

t硅=（t3墙+t4墙）/2=（441.9+28.3）/2=235.1℃

查附表3得

C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.08KJ/（㎏·℃）

C纤=0.81+0.28*10-3t纤=0.99KJ/（㎏·℃）

C硅=0.84+0.25*10-3t硅=0.90KJ/（㎏·℃）

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）

=605854.08+90995.85+115737.78=812587.7KJ

炉底蓄热计算

V重粘底=（0.120*0.020*4+0.065*0.230+0.040*0.230*2+0.113*0.230*2）*1.509=0.143m3

V轻粘底=（0.113*0.065*4+0.113*0.065*3）*1.509+（1.409-0.113*2）*（2.129-0.113）*0.065=0.233m3

V纤底=2.129*1.409*0.05=0.150m3

V硅底=2.129*1.409*0.180=0.540m3

由于t粘=（t1+t2底）/2=（1000+782.2）/2=891.1℃

t纤=（t2底+t3底）/2=（782.2+568.5）/2=675.4℃

t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311.1℃

查表得

C重粘=0.88+0.23*10-3t粘=1.08KJ/（㎏·℃）

C轻粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.07KJ/（㎏·℃）

C纤=0.81+0.28*10-3t纤=1.00KJ/（㎏·℃）

C硅=0.84+0.25*10-3t硅0.92KJ/（㎏·℃）

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）

=596422.1KJ

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

=812587.7+596422.1+159807.12

=1568816.9KJ

得升温时间

τ升=Q蓄/3600P安=5.8h

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。

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*1.509*0.506+1.509*0.688=2.71m2

W=P安/F电=65/2.71=24.0KW/㎡

表面负荷在常用的范围20-25kW/m2之内，故符合设计要求。

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

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

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

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=65/（3*2）=10.8KW

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

电热元件直径

由公式得d=34.3√P2组ρt/（U2组·W允）〕3=3.6㎜

取d=4mm

每组电热元件长度和重量

L组=0.785*10-3（U2组d2）/（P组ρt）=38.55m

G组=∏*d2L组ρm/4式中ρm由附表12查得ρm=7.1g/㎝2得G组=3.43㎏

电热元件的总长度和总重量

总长度L总=6*L组=6*38.55=231.3m

总重量G总=6*G组=6*3.43=20.58㎏

校核电热元件表面负荷

W实=P组/（ΠdL组）

=（10.8*1000）/（3.14*0.04*385.5）=2.23W/㎝2

W实〈W允，结果满足设计要求。

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=38.55/4=9.63m

布置电热元件的炉壁长度

L′=L-50=1509-50=1459mm

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*4=24㎜

螺旋体圈数N和螺距h分别为

N=L折/（ΠD）=9.63*1000/（3.14*24）=128

h=L′/N=1459/128=11.4㎜

h/d=11.4/4=2.85＜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=4㎜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=12㎜L=500㎜。

炉子技术指标

额定功率：

65KW额定电压：

380V

最高使用温度：

1000℃生产率：

142.6㎏/h

相数：

3接线方法：

YY

工作室有效尺寸：

1700*700*500

外形尺寸：

1300*550*450

重量：

出厂日期：

附录

装配图

电阻丝

电阻丝接线示意图

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