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06工艺设计模板105KW

热处理设备设计

说明书

设计题目

105KW中温箱式电阻炉设计

学院

材料科学与工程

年级

2003级

专业

金属材料工程

学生姓名

王扬

学号

0307024308

指导教师

马臣教授

佳木斯大学

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

1.4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%

Δ〈5%满足设计要求不需要重算。

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