箱式热处理电阻炉设计.docx
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箱式热处理电阻炉设计
辽宁工业大学
热工过程与设备课程设计（说明书）
题目：
箱式热处理电阻炉设计
院（系）：
专业班级：
材料工程及其自动化131
学号：
姓名：
指导教师：
起止时间：
2014-12-15~2014-12-28
课程设计任务及评语
院（系）：
教研室：
材料教研室
学号11111姓名名字专业班级
课程设
计题目
箱式热处理电阻炉的设计
生产率220kg/h，额定工作温度1200℃，炉底强度95kg/mh·；
炉底强度系数0.83；蛭石保温材料
课程设计（论文）
（1）炉型的选择
（2）确定炉体结构与尺寸
（3）计算砌体平均表面积
（4）计算加热炉功率
（5）计算炉子热效率
（6）计算炉子空载功率
（7）计算空炉升温时间
（8）功率分配与接线
（9）电热元件材料选择与计算
（11）电热体元件图
（12）电阻炉装配图
（13）炉子技术性能指标
（14）参考文献
1）布置设计任务，设计方案讨论、选择炉型1天
2）炉膛尺寸、炉体结构和尺寸、绘制炉衬示意图。
2天
3）炉子的加热功率、热效率、空炉升温时间。
2天
4）功率的分配；电热元件尺寸、布置，绘制电热元件示意图。
1天
5）绘制电热元件布置图和电阻炉装配示意图。
1天
6）撰写、编辑、排版、修改设计说明书。
4天
7）考核、答辩。
1天
成绩：
指导教师签字：
学生签字：
年月日
目录I
1炉型的选择1
2炉体结构及尺寸1...
2.1炉底面积的确定1...
2.2炉膛尺寸的确定1...
2.3炉衬材料及厚度的确定2...
3砌体平均表面积计算3...
4.炉子功率6
5炉子热效率计算9...
6炉子空载功率计算9...
7空炉升温时间计算9...
8功率的分配与接线11
9电热元件材料选择及计算1..2.
10电热体元件图1..4.
11电阻炉装配图1..5..
12电阻炉技术指标1..6.
参考文献1..7..
设计任务：
为某厂设计一台井式热处理电阻炉，其技术条件为：
（1）用途：
碳钢、合金钢毛坯或零件的正火、淬火，处理对象为中、小型零件、非长杆类零件，无定型产品，小批量，多品种。
（2）生产率：
220kg/h。
（3）
额定工作温度：
1200℃。
（4）生产特点：
周期式成批装料，长时间连续生产
1炉型的选择
根据给定的技术要求选取高温箱式炉，箱式炉结构简单，操作方便，容易准确控制温度，炉膛温度分布均匀，便于使用控制气氛，容易实现机械化自动化操作。
箱式炉生产能力较低，适用于小规模生产。
高温箱式炉，炉衬厚度大，可以减少热损失。
满足设计要求
2炉体结构及尺寸
炉体结构尺寸根据工件的形状，尺寸，装炉量以及炉子生产率来决定。
同时考虑到炉子的传热特点、检修和装出料方便。
在保证炉子生产率的情况下，尽量减小炉膛尺寸以降低能量消耗。
2.1炉底面积的确定根据炉底强度指标计算炉底面积。
因为零件产品为无定型产品，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。
根据已知的生产率p为220kg/h，炉底强度
h为95kg/m2·h，故可求得炉底有效面积
2
F1=p/h=220/95=2.32m2
式中F1–炉底有效面积，m2；
p–炉子生产率，kg/h。
本设计给定的生产率为220kg/h；h–炉底强度，kg/（m·h），
因为有效面积与炉底实际面积存在关系式K=F1/F=0.83，得炉底实际面积
F=F1/0.83=2.32/0.83=2.79m2
2.2炉膛尺寸的确定
对于箱式热处理电阻炉，炉底长度与宽度之比约为3:
2，所以由炉底长度公式
由炉底宽度公式
得B=2.793=1.36m
根据炉膛高度H与宽度B之比H/B=0.8，可以知道H=1.4×0.8=1.08m。
因此，可以确定炉膛尺寸如下
L=2000mmB=1360mmH=1080mm为避免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，确定工作室有效尺寸为
此段根据自己情况L效=2000mmB效=1400mmH效=1100mm自己写
2.3炉衬材料及厚度的确定
高温箱式炉炉墙选取三层材料，分别为高铝砖，轻质粘土砖，蛭石。
高铝砖，密度2.3g/cm2，导热系数λ=2.09+1.861×0-3t，厚度113mm。
轻质粘土砖，密度2.0g/cm2，导热系数λ=0.25+2.21×0-4t，厚度113mm。
蛭石，密度0.2g/cm2，导热系数λ=0.07+2.6-4
×10-4t，厚度240mm。
炉衬包括炉墙、炉底和炉顶三部分。
依次计算炉墙，炉底，炉顶。
1.炉墙
对于高温炉，炉墙要求有较高的耐压强度或承受冲击负荷，根据经验及耐火砖尺寸，耐火层可选用一层高铝砖，厚度113mm，一层轻质粘土砖，厚度为113mm。
保温层选用膨胀蛭石，其厚度需经计算确定，初步选取厚度为240mm。
炉墙内表面温度t0即为炉子的额定工作温度1200℃。
假定界面温度t1为1150℃，界面温度t2为950℃，炉壳温度t3为50℃，即t0=1200℃，t1=1150℃，t2=950℃，t3=50℃则有：
（2）计算交界面上的温度t1、t2
由t1'=t0–qS1/λ1均
得t1'=1200–789.840×.113/4.27=1179.46℃
验算界面温度（t1'–t1）/t1'=（1179.46–1200）/1179.46=2.4%<5%，结果合理，不需要重新假设界面温度。
t2'=1200–789.840×.113/4.27–789.840×.113/0.481=997.8℃
验算界面温度（t2'–t2）/t2'=（997.8–950）/997.8=4.79%<5%，结果合理，不需要重新假设界面温度。
故确定保温层厚度为240mm。
2.炉底炉底在高温下承受工件的压力，装出料时常受到弓箭的冲击或磨损，因此，要求有较高的耐压强度，砌层厚度也要求比炉墙厚一些。
一般电阻炉的炉底结构是在炉底钢板上用硅藻土砌成方格子做支撑，格子内再填充蛭石粉，上面在铺几层硅藻土或轻质砖，再往上为耐火砖。
本设计炉底厚度为408mm，分别为：
炉底采用耐火层230mm，材料为轻质粘土砖，中间层厚度为65mm,材料为轻质粘土砖，绝热层厚度为113mm，材料硅藻土砖，炉底板材料选用Cr3Si耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，厚20mm。
3.炉顶由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即三层：
耐火层厚度113mm高铝砖，113mm轻质粘土砖，保温层厚度为240mm，材料为膨胀蛭石。
炉膛宽度小于400–600mm的小型电阻炉，可采用平顶。
炉宽小于3.5–4.0m的电阻炉采用拱顶。
本设计炉采用拱顶60°拱角。
3砌体平均表面积计算
砌体平均面积包括，炉顶平均面积，炉墙平均面积与炉底平均面积之和。
砌体外廓尺寸：
外廓尺寸是指在炉膛的尺寸之外加上炉墙的厚度的尺寸。
L外=L+2×（113+113+240）=2972mm
B外=B+2×（113+113+240）=2372mm
H外=H+f+428+113+150=2136mmf=R（1–cos30）°=182mm式中f—拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，则拱弧半径尺R=B=1400mm
1.炉顶平均面积炉顶平均面积由炉内的拱形顶面积与炉顶外部的平面共同求得
2F顶内=（2πR/6）×L=（2×3.14×1.4/6）=1.465m2
2
F顶外=B外×L外=2.9722×.372=6.942m2
F顶均=F顶内F顶外=3.18m2
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。
计算墙内的面积与墙外的面积求得平均面积。
F墙内=
2LH+2BH=2
×2.0
×1.1+2
1×.4
×1.1=7.48m2
F墙外=
2H外（L外+B外
）=2
×2.136
（×2.972
+2.372）=22.8m2
F墙均=
F墙内F墙外=
13.06
2m
3.炉底平均面积
炉底是由113mm的硅藻土，65mm厚的轻质粘土砖，230mm厚的隔热材料，炉底长宽为炉底外实际长宽，炉内长宽为炉膛长宽
F底内=B×L=2.0×1.4=2.8m2
2
F底外=B外×L外=2.972×2.372=7.04m
F底均=F底外F底内
2
=4.43m2
炉衬结构图见图1。
4.炉子功率
电阻加热炉所需功率的大小，与炉子的生产率，升温时间，炉膛尺寸，炉子结构，工件的工艺规律和操作方法等因素有关。
在设计中必须考虑各方面因素以确定合适的功率。
用计算的方法通过复杂的公式利用热平衡法确定炉子功率。
炉子的总功率应满足热量支出的总和。
不同的电阻炉热量的支出具体项目和数量也不相同。
根据箱式炉的热量支出的项目，计算热量支出的具体数值并求和。
从而求得总功率。
1．加热工件所需的热量Q件
Q件是指电阻炉在加热过程中作用在零件上的有效的热量
Q件=g（C2t2–Clt1）
式中g–炉子生产率；g=220kg/h。
C2–工件在额定工作温度（即1200℃）时的热容；C2=0.678kJ/kg℃。
·
Cl–工件在常温（20℃）时的热容；Cl=0.404kJ/kg℃。
·
t2–炉子的额定温度（即1200℃）；
t1–室温温度，取20℃。
则Q件=g（C2t2–Clt1）
=220×（0.6781×2000.404×20）
=178992KJ/h
2．加热辅助工具夹所需的热量Q辅辅助工具为料盘，工夹具等辅助工具，由于不同的加热工序所用不同的工夹具，所以此次计算只带入炉底板计算。
Q辅=G辅（C2t2–Clt1）/τ
式中G辅–辅助工夹具的重量（Kg）；
t1、t2–辅助工夹具加热前和加热后的温度（℃）t1=20℃，t2=1200℃。
Cl、C2–辅助工夹具在t1和t2时的平均比热（KJ/Kg℃·）；
Cl=0.49KJ/kg℃·C2=0.657KJ/kg℃·。
τ–辅助工夹具的加热时间（h），一般情况下它与工件的加热时间相同；取τ=4
G辅=ρ·v
-33
=（1.4×2.00×.027×.81×0-3）/103
=43.68Kg
Q辅=G辅（C2t2–Clt1）/τ
=43.68（×0.65761×200.49×20）/4
=8502.312KJ
3.通过炉衬的散热损失Q散高温电阻炉炉衬厚度为三层，通过侧墙与前后墙散失的热量也要考虑在总体热量之内，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。
Q散=A×3.6（t1–t0）/（S1/λ1+S2/λ2+S3/λ3+1/αΣ）
式中A––炉衬的散热面积（m）
t1––炉膛内壁温度（℃），一般可用保温阶段的炉温代替。
t1=600℃。
t0––炉外车间空气温度（℃），可取20℃。
S1、S2、S3––耐火层和保温层的厚度。
λ1、λ2、λ3––耐火层和保温层材料的平均导热系数。
其数值为λ1均=2.09+0.18610×-2×t1均=2.09+0.18610×-2×1175=4.27千卡/（米2·时·℃）λ2均=0.25+0.2210×-3×t2均=0.25+0.2210×-3×1050=0.481千卡/（米2·时·℃）λ3均=0.07+0.2210×-3×t2均=0.07+0.2210×-3×500=0.2千卡/（米2·时·℃）当炉壳温度为50℃，室温为20℃时，由参考文献得1/αΣ=0.05W/（m2·℃）
因为
2
A=[（h+f）L炉+（h+f）B炉+L炉B炉]×2=27.8m2所以
Q散=A×3.6（t1–t0）/（S1/λ1+S2/λ2+1/αΣ）
=20.0923×.6（1200–20）/（4.27+0.481+0.2+0.05）
=79047.2KJ
4.通过开启炉门的辐射热损失Q辐当夹取工件的时候，需要开启炉门，当开启炉门的同时会产生热量的辐射散失
Q辐=5.67[（T1）4（T2）4]A×Φ×δ×3.6
100100
式中T1–炉膛的温度（K）；
T2–炉外空气的温度（K）；
A–炉门开启面积（m2）；
Φ–遮蔽系数，取0.8；
δ–炉门开启时间比率取0.1。
由于正常工作时，炉门开启高度的一半，炉门开启面积
H2
A=B×=1.4（×1.1/2）=0.77m2
Q辐=5.67[（1T010）4（1T020）4]A×Φ×δ×3.6
=51715.8KJ/h
5.通过开启炉门的溢气热损失Q溢当炉门开启的时候由于冷热空气的对流造成热量的散失。
热空气向外流出冷空气流入造成炉内温度的降低。
Q溢=V×C（t1–t2）×δ
=1256.31×.0004（×1200–20）0×.1=148464.6（KJ/h）
式中t1–室温温度，取20℃。
t2–炉子内热空气温度；
3
V–进入炉内的冷空气量（m3/h）；
C–空气在温度之间的平均比热[KJ/m3·℃]；为1.0004KJ/m3·℃。
对于电阻炉，V可以按下式近似计算
V=2200·B·HH=2200×1.4×0.55×1.1=1256.3m3/h
式中B–炉门的宽度（m）；
H–炉门的开启高度（m）；
6.其它热损失Q它除了以上各种热散失以外，还有很多考虑不到的其他因素造成的热散失，其中包括密封性不良，砖块之间的契合度差，内部老化等。
一般其他热损失近视取炉衬散热的50%–
100%或者总热损失的10%，本次计算选取Q它=10%Q总
Q它=0.1Q总=54692.08KJ/h
7.总热量支出Q总
总的热支出包括Q件，Q辅，Q散，Q损，Q溢，Q它。
因为Q它为10%Q总计算出总的热支出
0.9Q总=Q件+Q辅+Q散+Q损+Q溢+Q它
=178992+34009.2+79042.2+51715.8+148464.6=492228.8KJ/h
Q总=54692.08KJ/h
8.热功率P总
将热量转换为功率，通过转换系数将两者进行转变。
P总=Q总/3600
=546920.8/3600
=152KW
从热平衡的观点来看，P总热功率就是所需的功率。
但是考虑到生产中的某些情况，如车间电压降低或电热体老化引起的功率下降以及适应强化加热制度所要求的功率等，因此，炉子的功率应有一定的储备，炉子的额定（安装）功率应为P=KP总。
其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.3，故P=1.3×152=197.7KW取200KW。
5炉子热效率计算
单位时间加热工件能力的称为热效率，热效率越大，炉子的利用率越大，热效率过小说明炉子设计的不合理，需要重新设计，热效率的范围一般在30%到80%之间。
1.正常工作时的效率：
正常工作时的效率指的是在工件在炉内加热时的效率
Q件
η=
Q总
=178992/546920.88100×%
=32.72%
2.在保温阶段，关闭炉门时的效率
保温阶段的热效率，在工件加热到要求温度之后，保温的时间内炉子的热效率
η=Q件/[Q总–（Q辐+Q溢）]=178992/346740.4100×%=51.71％
6炉子空载功率计算
空载功率是指在没有工件加入炉内的时候，将炉内温度提升到标准工作温度时的功率
=79047.2+546292.08
=37.14KW
7空炉升温时间计算
不同耐火成，保温层的蓄热不同，耐火层蓄热多而保温层相对较少，为简化计算将炉
子侧墙，前后墙，炉顶按照相同数据计算，而炉底的构造比较复杂，统一按照轻质粘土砖计算。
1.炉墙及炉顶和炉底蓄热本设计高温炉有三层砌体，不同砌体尺寸除了考虑到炉膛尺寸以外还需要考虑到前一层耐火层的尺寸。
V侧=
V高铝=
2
×1.1
3
（×2.0+0.113+0.113）×0.113=0.55m3
前后
V高铝=
2
×1.1
3
（×1.4+0.113+0.113）×0.113=0.40m3
V顶=
V高铝=
0.113
3
2××3.141×.4/60.1×13=0.33m3
侧
V粘=
2
×1.1
3
2×.0+0.1134）×0.113=0.60m3
前·后
V粘=
2×1.1
×（1.4+0.1134×）=0.46m3
顶
V粘=
2
×2
3
×3.14（×1.4+0.113）×0.113/6=0.35m3
V侧=
V蛭=
2
×1.1
3
[×2+2（×0.113+0.113+0.24）]×0.24=1.3m3
前后
V蛭=
2
×1.1
3
（×1.4+0.1134×+0.242）××0.24=1.23m3
V蛭顶=（1.4+0.113+0.24）0.24×2×.03×.141×/6=0.88m3
V底粘=2.9722×.3720×.408=2.87m3
因为
t高铝=（t0+t1）/2=（1200+1150）/2=1175℃
t粘=（t1+t2）/2=（1200+950）/2=1050℃
t硅=
（t1+t3）/2=（950+50）/2=500℃
由参考文献查得
C高铝
=0.84+0.26410-×3t高铝
=1.15KJ/（kg·℃）
ρ高铝
3
=0.231×03=230kg/m
3
由参考文献查得
C粘
=0.837+0.26410-×3t粘
=1.11kJ/（kg·℃）
ρ粘=
33
0.21×03=200kg/m3
由参考文献查得
C蛭
=0.657KJ/（kg·℃）
ρ蛭=
33
0.021×03=20kg/m3
由公式
Q蓄=V粘ρ粘C粘（t粘–to）+V硅ρ硅C硅（t硅–t0）
可得炉墙及炉顶和炉底蓄热如下：
Q蓄1=
V粘+V·粘+V粘+V粘）ρ粘C粘（t粘–t0）侧前·后顶
V硅+V硅+V硅）ρ硅C硅（t硅–t0）
侧前后顶
V高铝+V高铝+V高铝）ρ高铝C高铝（t高铝–t0）
=（0.46+0.60+0.35+2.87）×200×1.11（×1050–20）
+（1.3+1.23+0.88）×20×0.657（5×00–20）
+（0.55+0.60+0.33）×230×1.15（×1200–20）=391036.8+21507.552+978664.8=1391209.152KJ
2.炉底板蓄热
炉膛底部至有一块炉底板，炉底板随炉子升温而蓄热，炉底板蓄热与炉底板重量与炉底板材料比热有关
根据参考文献得Cr3Si合金钢的比热容分别为：
C=0.494KJ/（kg℃），·ρ=7.1g/cm3
Q板蓄=G（C板2t1–C板1t0）
3
=7.11×03×1.42×.00×.021×200×0.494=235697.28KJ
Q蓄=Q蓄1+Q板蓄
=1391209.152+235697.28
=1626906.432KJ
3.空炉升温时间空炉升温时间是指，在没有工件的情况下，将电阻炉加热到额定工作温度的时间。
τ升=Q蓄/3600KP总=1626906.432/36001×.3×152=2.28h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，有误差存在，故本设计实际升温时间取是3小时左右。
8功率的分配与接线
因为该热处理电阻炉的炉膛宽度B=1.4m，为大型箱式炉，功率分配除了在侧墙和炉底之外，还应在炉门口增加一些功率，即在炉长1/4–1/3处，将功率加大为功率的15%–25%左右。
本设计功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成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，对于周期式作业炉，内壁表面负击
2
应在15–35kw/m2之间。
2
F电=2F电侧+F电底=2×1.1×1.4+1.42.×0=5.88m2
W=P安/F电=
200/5.88=34.01KW/m2
对于周期式作业炉，内壁表面负击应在15–35kw
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