热处理 箱式电炉设计.docx
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热处理箱式电炉设计
无锡职业技术学院课程设计说明书
课题名称:
“材料成型工装设计”课程设计
姓名:
阳纯曜
班级:
材料11131
学号:
1040113135
学院/系:
机械学院
指导教师:
徐年宝
2013年月日
无锡职业技术学院课程设计说明书
设计任务书
姓名:
班级:
课程设计题目:
设计一箱式电阻炉
基本技术条件:
组数
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
用途
回火
工件
合金钢
最高温度/℃
700℃
生产率(kg/h)
90
学号(按班级)
按班级
学生应完成下列工作:
一﹑设计说明书一份(包括论述和计算)
1﹑说明目录
2﹑按技术条件要求确定炉型,炉膛及外形的主要尺寸;
3﹑炉衬材料与炉衬尺寸的确定;
4﹑通过热平衡计算,确定炉子功率及接线方法;
5﹑电热元件的选择,并且计算电热元件的基本尺寸和安装尺寸;
6﹑确定炉体金属构架及炉门启动装置;
7﹑炉子主要数据及主要指标计算并列表;
8﹑对所有炉子评价及必要的说明。
二﹑图纸部分
1﹑绘制炉子断面总图一张(2—3个视图)(A1图纸)
2013-11-11
一、炉型的选择2
二、确定炉体结构和尺寸2
三、砌体平均表面积设计4
四、计算炉子功率5
五、炉子热效率计算7
六、炉子空载功率计算7
七、空炉升温时间计算7
八、功率分配与接线9
九、电热元件材料选择与计算9
十、电热体元件图11
十一、电阻炉装配图11
十二、炉子技术指标11
参考文献12
设计任务:
为某厂设计一台热处理电阻炉,其技术条件为:
(1)用途:
中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火,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)生产率:
90kg/h;
(3)工作温度:
最高使用温度700℃;
(4)生产特点:
周期式成批装料,长时间连续生产。
一、炉型的选择
根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。
由于小批量生产,品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉,不通保护气氛。
二、确定炉体结构和尺寸
1.炉底面积的确定
炉底面积的计算方法有两种。
一种是根据一次装料量计算,另一种是根据炉底强度指标计算[1]。
因工件的加热周期和装炉量不明确,故不能用炉子一次装料量确定炉底面积,只能用炉底强度指标法。
已知生产率为150kg/h,按表5—1[1]选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2·h),故可求得炉底有效面积
F=p/p0=150/120=1.25m2
由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75~0.85,取系数上限0.85,得到炉底实际面积:
F=F/0.85=1.25/0.85=1.47m2
2.炉底长度和宽度的确定
对于热处理箱式电阻炉,设计时考虑装出料的方便,根据长度与宽度之比,取L/B=2:
1,因此,可求得炉底宽度L=
=2.059m
B=L/2=2.059/2=1.030m为方便砌砖L=2205mmB=1048mm
3.炉膛高度的确定
根据统计的资料,炉膛高度(H)对炉底宽度(B)之比H/B通常在0.52~0.9之间,大多数在0.8左右,根据炉子工作条件,取H/B=0.7左右,选定炉膛高度H=707mm。
因此,确定炉膛尺寸如下
长L=(230+2)×9+(230/2+2)=2205mm
宽B=(120+2)×5+(50+2)×4+(113+2)×2=1048mm
高H=(65+2)×10+37=707mm
为防止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,在一般情况下,要保证炉料上部有200~300mm的空间,有利于辐射与对流传热,由此确定工作室有效尺寸为
L效=2000mm
B效=950mm
H效=500mm
砌体结构如图1所示:
轻质粘土砖硅藻土砖重质粘土砖耐热钢
图1砌体结构示意图
4.炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似,采用相同炉衬结构,即两层:
113mmQN—1.0轻质粘土砖和180mmB级硅藻土砖。
炉底采用耐火层314mm,材料为113mmQN—1.0轻质粘土砖,绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚180mm。
炉门用65mmQN—1.0轻质粘土砖+65mmA级硅藻土砖。
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。
炉底隔砖采用重质粘土砖[2]。
三、砌体平均表面积计算
砌体外廓尺寸如图1所示。
L外=L+2×(113+180)=2791mm
B外=B+2×(113+180)=1634mm
H外=H+f+(115+180)+(65+2)×3+180=1523mm
式中:
f—拱顶高度,此炉子采用60°标准拱顶,取拱弧半径尺R=B,则f可由f=R(1-cos30°)=140mm求得。
1.炉顶平均面积
F顶内=(2πR/6)×L=2.42m2
F顶外=B外×L外=4.56m2
F顶均=
=3.320m2
2.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=2LH+2BH=5.109m2
F墙外=2H外(L外+B外)=13.479m2
F墙均=
=8.298m2
3.炉底平均面积
F底内=B×L=2.311m2
F底外=B外×L外=4.560m2
F底均=
=3.246m2
四、计算炉子功率
1据热平衡计算炉子功率
(1)加热工件所需的热量Q件
由附表6[1]得,工件在600℃及20℃时比热容分别为C件2=0.741KJ/(kg·℃),
C件1=0.486KJ/(kg·℃),根据
Q件=p(C件2t1-C件lt0)=150×(0.574×600-0.486×20)=50202.0KJ/h
(2)通过炉衬的散热损失Q散
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[3]。
根据式(1—15)[2]
对于炉墙散热,如图5—9[4]所示,首先假定界面上的温度及炉壳温度,炉内温度t1=600℃界面温度为t2=500℃炉壳温度t3=60℃
耐火层S1的平均温度t1均=(600+500)/2=550℃
保温层S2的平均温度t2均=(500+60)/2=280℃
炉衬的热导率由附表3[1]得
λ1=0.29+0.000256×t1均=0.29+0.000256×550=3.113W/(m·℃)
λ2=0.13+0.00023×ts3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/(m·℃)。
当炉壳温度为60℃,室温为20℃时,由附表2[1]经近似计算可得αΣ=12.17W/(m2·℃)
a)求热流
q墙=(600-20)/(S1/λ1+S2/λ2+1/αΣ)
=(600-20)/(0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17)
=682.4w/m2
b)计算交界面上的温度t2墙、
t2墙=
=600-682.4×(0.115/3.113)=574.8℃
验算界面温度(t2墙—t2)/t2墙=4.5%<5%
该假设结果满足设计要求,不需要重算.
c)验算炉壳温度t3墙
t3墙=
=574.8-682.4(S2/λ2)=58℃
该结果满足一般热处理电阻炉表面温度<60℃的要求。
d).计算炉墙散热损失
Q墙散=q墙·F墙均=682.4×8.298=5662.6W
同理可以求得
Q顶散=q墙·F顶均=682.4×3.32=2265.6W
Q底散=q墙·F底均=682.4×3.246=2215.1W
整个炉体散热损失
Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=10143.3W=2819.8kj/h
(3)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,根据式(5—6)[2]
Q辐=3.6×5.675FΦδt[
-
]
因为Tg=600+273=873K,Ta=20+273=293K,
由于正常工作时,炉门开启高度的一半,故
炉门开启面积F=B×
=1.048×
=0.370m2
炉门开启率δt=0.1
由于炉门开启后,辐射口为矩形,且
与B之比为0.35/1.048=0.34,炉门高度与炉墙厚度之比为0.35/0.29=1.21,由图1-14[4]第一条线图1-14[4]查得Φ=0.7故
Q辐=3.6×5.675FΦδt[
-
]=3034.0kJ/h
(4)开启炉门溢气热损失
溢气热损失Q溢=qvaρaCa(tg’-ta)δt
其中
qva=1997·B·
=439.9m3/h
空气密度ρa=1.29kg/m3由附表10[3]得Ca=1.358KJ/(m3·℃)
ta=20℃,tg’为溢气温度,
tg’=20+
(600-20)=406.7℃
Q溢=qvaρaCa(tg’-ta)δt=29800.1KJ/h
(5)其它热量损失
其他热量损失越为上述热损失之和的10%~20%故
Q它=0.12(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=10302.7KJ/h
(6)热量总输出
其中Q辅=0,Q控=0,
Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q损+Q溢+Q它=96158.6KJ/h
(7)炉子的安装功率
P安=
其中K为功率储备系数,本炉设计中K取1.4,则
P安=(1.4×112656)/3600=37.4kw
为减少加热时间,与标准炉子相比较,取炉子功率为39kW。
五、炉子热效率计算
1.正常工作时的效率[4]
由式(5—12)[1]
η=
=50202.0/96158.6=52.2%
2.在保温阶段,关闭炉门时的效率
η=Q件/[Q总-(Q辐+Q溢)]=79.3%
六、炉子空载功率计算
P空=
=3.65kW
七、空炉升温时间计算
由于所设计的箱式电阻炉的耐火层结构相似,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[5],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×(2.205+2×0.115)×0.115×(0.707+0.115)=0.451m3
V前·后粘=2×1.048×0.115×(0.707+0.115)=0.198m3
V顶粘=2.205×1.048×0.115=0.266m3
V侧硅=2×[2.205+2×(0.115+0.232)]×0.232×(0.707+0.115+0.232)=1.444m3
V前·后硅=2×(1.048+0.115×2)×0.232×(0.707+0.115+0.232)=0.625m3
V顶硅=(2.205+2×0.115)×0.232×(1.048+2×0.115)=0.722m3
由式(5—9)因为t粘=(t1+t2墙)/2=(600+574.8)/2=587.4℃
Q蓄=V粘ρ粘C粘(t粘-to)+V硅ρ硅C硅(t硅-t0)
查附表3[3]得
C粘=0.84+0.26×10-3t粘=0.990kJ/(kg·℃)
t硅=(t2墙+t3墙)/2=(574.8+58)/2=316.4℃
查附表3[3]得
C硅=0.84十0.25×10-3t硅=0.919kJ/(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侧硅+V前·后硅+V顶硅)ρ硅C硅(t硅-t0)
=(0.451+0.198+0.266)×1000×0.990×(587.4-20)
+(1.144+0.625+0.722)×500×0.919×(316.4-20)
=853243.0kJ
2.炉底蓄热计算
V底硅=0.018×[2.205+2×(0.113+0.232)]×[1.048+2×(0.113+0.232)]=0.09m3
V底粘=0.067×2[2.205+2×(0.113+0.232)]×[1.048+2×(0.232+0.113)]=0.67m3
查附表3[3]得
C底粘=0.84+0.25×10-3t底粘=0.990kJ/(kg·℃)
t底硅=397℃
查附表3[3]得
C底硅=0.84+0.25×10-3t底=0.919kJ/(kg·℃)
所以得
Q底蓄=0.67×0.990×1000×567.4+0.09×0.919×500×296.4=388614.0kJ
3.炉底板蓄热
根据附表6[1]查得600℃和20℃时高合金钢的比热容分别为:
C板2=0.779kJ/(kg·℃)和C板1=0.473kJ/(kg·℃)。
经计算炉底板重量G=119kg,所以有
Q板蓄=G(C板2t1-C板1t0)=54494.9kJ
Q蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=853243+388614+54495=1296352kJ
由式(5—13)[2]式得空炉升温时间
τ升=1296352/(3600×60)=6h
对于一般周期作业炉升温时间在3-8小时左右,所设计的炉子升温时间符合要求。
由于蓄热是按稳态传导计算的,误差大,实际升温时间应该是4小时左右。
八、功率的分配与接线[6]
39kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底,组成Y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,内壁表面负击应在15~35kw/m2之间。
F电=2F电侧+F电底=2×2.205×0.707+2.205×1.048=5.43m2
W=P安/F电=37.4/5.43=6.9kW/m2
对于周期作业电阻炉,内壁表面负击应在15~35kw/m2之间,但本炉子的生产率很高,功率很小,导致内壁表面负击很小,所以符合条件。
九、电热元件材料选择及计算
由最高使用温度600℃,选用线状0Cr25Al5合金作电热元件,接线方式采用Y。
[7]
1.理论计算法
(1)求600℃时电热元件的电阻率ρ
当炉温为600℃时,电热元件温度取700℃,由附表12[3]查得0Cr25Al5在20℃时电阻率ρ20=1.40Ω·mm2/m,电阻温度系数α=4×10-5℃-1,则1000℃下的电热元件电阻率为
ρt=ρ20(1+αt)=1.40×(1+4×10-5×700)=1.439Ω·mm2/m
(2)确定电热元件表面功率
由图5—3[4],根据本炉子电热元件工作条件取W允=3.3W/cm2。
(3)每组电热元件功率
由于采用Y接法,即三相星形接法,每组元件功率
P组=39/n=39/3=13kW
(4)每组电热元件端电压
由于采用Y接法,车间动力电网端电压为380V,故每组电热元件端为每相电压U组=
=220V电压即为每相电压U组=
=220V
(5)电热元件直径由式(5—24)[2得
线状电热元件直径
d=34.3
=3.5mm取d=4mm
(6)每组电热元件长度和重量由式(5—25)[2]得
每组电热元件长度
L组=0.785×l0-3(U组2d2/P组ρt)=32.5m取33m
每组电热元件重量由式(5—28)[2]得
G组=(π/4)d2L组ρm
式中,ρm=7.1g/cm2
所以得
G组=(π/4)d2L组ρm=2.9kg
(7)电热元件的总长度和总重量由式(5—27)[2]得
电热元件总长度
L总=3L组=3×33=99m
电热元件总重量由式(5—28)[2]得
G总=3G组=3×2.9=8.7kg
(8)校核电热元件表面负荷
W实=P组/πdL组=3.1W/cm2
W实(9)电热元件在炉膛内的布置
按规定,h/d在2~4范围内满足设计要求,取3
h=3d=3×4=12mm
布置电热元件的炉壁长度
L′=L-50=2025-50=1975mm
螺旋体圈数
N=L′/h=1975/12=165圈
丝状电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于700,螺旋节径D=(6—8)d,取D=6d=6×4=24mm
L折=NπD=165×3.14×24×10-3=12.4m
L组/L折=33/12.4=3
根据计算,选用Y方式接线,采用d=4mm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,炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Crl8Ni9Ti,Φ=12mm,L=500mm.电热元件图如图2、3、4所示。
十、电热体元件图
见附图一
十一、电阻炉装配图
见附图二
十二、电阻炉技术指标(标牌)
额定功率:
39kw,额定电压:
380V;
最高使用温度:
600℃,生产率150kg/h;
相数3,接线方法Y;
工作有效尺寸2000mm×950mm×500mm,外形尺寸:
2791mm×1634mm×1523mm.
参考文献
[1]刘人达.《冶金炉热工手册》.北京:
冶金工业出版社,2002.
[2]编委会.《热处理手册第三卷》.北京:
机械工业出版社,1992.
[3]吴德荣.《工业炉及其节能》.北京:
机械工业出版社,1995.
[4]刘孝曾.《热处理炉及车间设备》.北京:
机械出版社,1985.
[5]陈先咏.《热处理车间设计》.武汉:
华中理工大学出版社,1989.
[6]陈天民.《热处理设计简明手册》.北京:
机械工业出版社,1999.
[7]臧尔寿.《热处理车间设备与设计》.北京:
机械工业出版社,1989.
h=12mm
附图一
d=4mm
D=24mmm
图2螺旋状电热体结构
图3丝状电热体在炉墙上
图4丝状电热体在炉底的安装
附图二
L外2791mm炉膛尺寸:
L2205mmB外1634mmH外1523mm
箱式炉结构图
1炉门2热电偶3炉壳4炉衬
5罩壳6炉底板7加热元件8炉门升降机