箱式电阻炉说明书热工.docx
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箱式电阻炉说明书热工
箱式电阻炉的设计
任务设计书
1.电阻炉形式：
箱式电阻炉
2.炉膛尺寸：
400×200×160mm
3.使用温度：
1100℃
4.炉体表面温度：
80℃
5.电源电压：
三相，220V，380V。
摘要
本热工课程设计说明书根据教学计划的热工课程要求设计而成，着重在于阐述箱式电阻炉的具体设计过程。
设计包括：
炉膛设计，容积的设计，炉体材料的选择和炉体机构设计，功率的计算，电热体布置及供电电路设计，电热体积尺寸计算，测温热电偶选择等六部分。
着重在于阐述电阻炉结构的确定、发热体材料的选择和供电电路的设计等一系列设计箱式电阻炉需要解决的问题。
本设计说明书可为实验室实用箱式电阻炉提供参考，亦可为实验室箱式电阻炉维护提供依据。
本设计是综合运用《热工过程与设备》课程所学的传热学、耐火材料、保温材料、电热体材料、窑炉结构等方面的知识进行电阻炉的设计，通过本设计使学生进一步的了解和掌握课程所学的知识，同时对学生进行查阅资料、参数的选择和确定、设计计算、制图等设计技能的训练。
引言
电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。
电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层干燥等。
电阻炉与火焰炉相比，它具有结构简单，占地面积少，加热空间紧凑，空间热强度高，热效率高，温度便于实现精确控制等特点。
本次课程设计的目的就是将热工课程的理论知识应用到电阻炉设计的实验中去，理论与实践相结合，从而了解电阻炉的各部分元件的性能要求、构造及设计方法。
通过本次设计增强了理论与实践相结合的能力，加强了动手动脑能力和逻辑思维能力，为今后的实验工作奠定了基础，积累了丰富的经验。
陶瓷工业在社会主义建设、国防科学和人民生活中都占有重要的地位，它不仅与人类的日常生活文化有密切的关系，而且随着科学技术的发展，运用于电子、原子能等尖端材料中。
第一章电阻炉的特点及其分类
§1.1电热窑炉的简介
电热窑炉是一种可以把电能转化为热能，使制品温度上升，并完成烧结过程的一种窑炉。
其优点有：
（1）可以达到2000℃以上的高温，且控温精度高；
（2）炉内气氛洁净，产品质量好；
（3）结构紧凑，空间热强度高，即热效率高；
（4）不需要燃烧系统、通风系统，占地面积小，结构简单；
（5）对环境污染小；
（6）易实现自动化。
其缺点有：
（1）附属的电器设备比较复杂；
（2）烧还原气氛时，须人工引入还原气体；
（3）电耗高，电费较贵。
§1.2电阻炉简介
电阻炉通常按照炉膛的结构形式及制品在电阻炉内的移动方式加以划分，可分为如下几类：
（一）间歇操作电炉：
按炉温的高低，分为低温（工作温度低于600～700℃）、中温（工作温度为700～1250℃）和高温（工作温度大于1250℃）三类。
按其结构特点来分可分为：
①箱式电阻炉：
外形象箱子，炉膛呈六面体，靠近炉膛内壁放置电热体，炉温在1200℃以下，通常采用镍铬丝、铁铬铝丝；炉温为1350～1400℃时采用硅碳棒；炉温为1600℃时可采用二硅化钼。
箱式电阻炉主要用于单个小批量的大、中、小型制品的烧成。
②井式电阻炉：
炉膛高度大于长度和宽度，炉门开在炉顶面，用炉盖密封。
电热体通常布置在炉膛的侧壁上，多为圆形、正方形或长方形，适宜于烧制管状制品。
深井电炉通常沿高度分成几个加热区，各区温度通过分别控制功率来调节，使电炉沿整个高度温度分布均匀。
噶问陶瓷氢气钼丝炉最高工作温度为1700～1800℃，钨棒炉可达2500℃。
（二）半连续操作电阻炉：
这种窑炉不在狭长的炉室内装制品，这样有便于操作，改善劳动条件的优点。
按结构可分为：
①钟罩式电阻炉：
它由炉罩和底座构成，形状大多是圆形，密封性好，热效率高。
②台车式电阻炉：
它易于适应生产上的变化情况，比普通电炉热利用率高。
（三）连续操作电热窑炉：
电热隧道窑较其他窑型有先进的热工设备，已广泛使效果好，它的结构与煤气隧道窑很相似，具有连续大批量生产的优点。
工业应用较多的连续操作电热窑有：
①窑车式电热隧道窑：
可以做成双轨，两个隧道靠的很近，以减少向外热损失。
②推板式电热隧道窑：
通道由一个或数个隧道所组成。
通道底由坚固的耐火砖精确砌成滑道，制品装在推板上由顶推机构推入窑室内烧成。
③辊底式电热隧道窑：
这种窑温度分布均匀适宜快速烧成，有利于实现烧成工序的机械化和自动化。
④传带式电阻炉：
具有一条由两个轮滚撑紧的传送带，两个轮滚中的一个是主轮滚，由电动机驱动。
传动带用耐火合金材料制成，电热体安装在炉顶和炉底。
⑤链式电阻炉：
电热体用铁铬铝高电阻电热合金丝，采用带状加工成波纹型悬挂于炉膛四周或采用丝状盘绕成螺旋形悬挂于炉膛两侧及搁置在炉底。
§1.3选用箱式电阻炉的原因
本设计我选用箱式电阻炉。
箱式电阻炉的使用范围广，不同温度下可采用不同的电热元件，且制品的烧成范围比较广，适用于大、中、小型的各类制品的生产加工。
第二章炉膛容积和尺寸的确定
§2.1炉内宽与高的尺寸确定原则
（1）.窑炉体积大，产量大，单位窑积所占外表面积比容积小的窑炉相应小些，
因此单位制品的电阻炉体积蓄、散热量要小些。
电阻炉的容积过大会使炉内温度分布不均匀，降低烧成产品的质量。
（2）.炉膛容积小，单位制品热耗大但炉内温度分布均匀，炉内气氛均匀。
窑炉的容积过小，其开设炉门散热损失所占比重大。
综上所述，炉膛容积不是越大越好，也不是越小越好，视情况而定。
§2.2炉膛尺寸的确定
炉膛尺寸的大小应根据工件、盛料器或工件模具所需要的空间及发热元件的分布予以确定。
工件与炉壁的距离随炉型和热工的要求不同而异，电炉的有效容积不包括电热体所占空间。
确定电炉的长、宽、高等各项尺寸时，除考虑产品尺寸外还要考虑以下特点：
电热体装在炉膛两旁宽度不能太大，否则炉膛方向上温度就不够均匀。
具体参考数据如下：
功率大于5000W的大中型电阻炉，其工件到炉壁距离为10～50mm；功率小于5000W的小型电阻炉，工件与炉壁距离约为10～25mm。
本次设计所选炉膛尺寸为：
400×200×160mm。
第三章炉体材料选择和炉体结构设计
§3.1材料的选择
3.1.1耐火材料的选择
1、耐火材料的要求：
耐火材料的质里主要从它的高温实用性和耐火度，高温荷重，软化温度，热稳定性，抗化学腐蚀性和高温体积稳定性等几个方面综合考虑。
2、几种可选的耐火材料的性能特点：
（1）粘土耐火砖：
粘土砖属于耐酸性耐火材料，热稳定性好，荷重软化开始温度在1250～1300℃以上，软化开始和坍塌变形温度间隔很大，拈七砖在陶瓷工业窑炉上使用很广，使用温度在1300℃以下。
（2）高铝砖：
高铝砖是用高铝矾土熟料加综合粘土成型，在1450～1500℃下烧成，它的耐火度及荷重软化温度均比粘土砖高，开始软化温度在1400～1500℃以上，抗化学腐蚀性也比较好，但是热稳定性较差，使用温度在1400～1600℃。
（3）半硅砖：
属于半酸性耐火材料，荷重软化温度比粘土砖稍高，极冷极热性能比硅砖好，比粘土砖差。
（4）硅砖：
含氧化硅95%以上，以石英砂烧制，若在其中加入Fe或者P，用石灰乳做矿化剂，以亚硫酸汁浆做。
使用温度在1350～1400℃。
荷重软化温度在1620℃以上，但热稳定性差，不适合砌筑间歇式窑炉。
（5）镁硅砖：
是以方镁石（MgC）为主要矿物组成，镁橄榄石为基质结合的，烧成温度1620～1650℃，荷重软化点1550℃以上。
（6）镁砖：
耐火度超过2000℃，荷重软化温度1500℃，使用温度1650～1700℃，但热稳定性不好。
（7）镁铝砖：
氧化镁大于80%，氧化铝为51%，耐火度高达2130℃。
（8）刚玉砖：
刚玉砖和氧化铝为原料，1600～1800℃烧制而成，使用温度1800℃以下。
3.1.2隔热保温材料的选择
1.目的：
减少窑体的热损失，提高热效率。
2.要求：
①要有较低的热导系数，工作热阻要高。
②有较低的比热和密度。
③使用温度要高（要有一定耐火度）。
④具有一定的机械强度，高温下体积稳定性和化学稳定性好，寿命长。
⑤便于施工，便于取得。
3、分类：
①低温隔热保温材料如：
硅藻上、珍珠盐、石棉、矿渣棉,使用温度小于600℃。
②中温轻质耐火材料如：
轻质硅砖、轻质粘土砖、轻质高铝砖
③高温耐火隔热材料：
耐火纤维及制品，氧化铝空心小球及制品。
特点：
隔热保温效果好，用于陶瓷窑炉。
综合上述因素考虑，所选保温材料应为轻质粘土砖。
3.1.3箱体材料
普通钢板（5mm）
§3.2炉膛结构与热量计算
窑内温度与窑外温度的传导主要为导热传热，而对流和辐射可以忽略不计，所以电阻炉热量的损失计算转化为双层平壁导热。
窑墙示意图如：
80℃
1270℃
耐火材料选择粘土砖厚度为20～30mm
粘土砖：
轻质粘土砖：
=
t
=1100℃t3=80℃
设t
=1080℃则
Q=
校核
℃
误差：
|
|×100%=0.203%＜5%
所以t2=1080℃Q=1317.1W/m
δ1=23mm，δ2=140mm
综上t2温度适合耐火材料。
保温层厚度＝内外壁厚度－砖的厚度
炉体长：
400＋2×﹙23＋140＋5﹚＝736mm
炉体宽：
200＋2×﹙23＋140＋5﹚＝536mm
炉体高：
160＋2×﹙23＋140＋5﹚＝496mm
电阻炉的主视结构图：
炉壁和炉底均采用此种结构砌筑，在炉壁外表面用厚约2mm的耐火陶瓷棉做成的布覆盖。
炉顶盖在设计时，考虑到其常移动打开，而且全部用轻质的陶瓷纤维做成的板材砌筑，使其密封性良好，将其周围研磨平整，在炉盖上压一定重量的重物。
保温材料要能承重，选用轻质粘土上砖。
§3.3炉壳、炉门
3.3.1炉壳结构
炉壳是一个密封结构件，炉壳的结构应便于对每一个焊缝进行检漏。
工作时应充分冷却不许变形。
1.炉壳材料
炉壳应根据加热炉的工作条件，焊接性能和密封性能选用复合钢板，空炉壳的复层厚度有1～2mm即可。
起支撑保护作用。
2.炉门设计
炉门功能：
开关，便于样品存放与取出。
要求保温，密封性好。
尺寸约为200×500mm2，实验室用两块耐火砖即可。
第四章功率的计算
§4.1确定功率
4.1.1按面积负荷法确定功率
炉膛内表面每平方米上布置的功率大，炉温就高，布置功率越小，炉温就低。
一般推荐如下：
炉温，℃布置功率，kw/m2
120015～20
100010～15
7006～10
4004～7
功率计算公式：
N=KF（F表示炉的内表面积）。
已知炉膛尺寸：
400×200×160mm
炉膛内表面积：
F＝2×﹙0.4×0.2＋0.4×0.16＋0.2×0.16﹚＝0.352m²
因为炉子使用温度为1100℃，取13kw/m²
N＝k1F＝13×0.352＝4.576kw
4.1.2按容积负荷法确定功率
根据箱式电阻炉，井式电阻炉长期实践总结可知电阻炉的功率与电炉的炉膛容积有一定关系，其关系如下：
N=KV2/3kw
式中：
V=炉膛的有效容积，m3；K=随炉温不同的系数。
对于箱式电阻炉：
当炉温为1200℃时，K=150；当炉温为1000℃时，K=100；当炉温为700℃时，K=75；当炉温为400℃时，K=50。
炉子有效容积V＝0.4×0.2×0.16＝12.4×10
m
k
＝120则N＝k
V
＝120×﹙12.4×10
﹚
＝6.43kw
4.1.3实际功率
由于计算功率并不是所实际炉子的实际功率，实际考虑到进一步提高产量的可能，或者计算中选用数据与实际不一样，或者供电压的波动对功率的影响，电热体长期使用后的老化现象使电阻增大，以及缩短升温冷却时间等因素，在设计炉子时，一方面应考虑炉子的安全系数，另一方面应考虑炉子的功率储备，故实际功率应为：
N实=KN计（K取1.2~1.5）
取k＝1.3N实＝kN＝1.2×6.43=7.716
因此取最大功率7.716kw
§4.2功率校核
由第三节、第四节计算散失热量q=1330.1w/m
散热功率：
1330.1×F表＝1330.1：
1330.1×F表＝1330.1×0.352＝0.4682kw
由上计算功率为7.716kw＞0.4682kw，可以使温度迅速升温，符合要求。
第五章电热体材料的选择
§5.1材料要求
1.电热体的发热温度应当满足工艺要求。
电热体的温度应比炉膛温度高50～100℃。
2.具有较高的比热阻和较小的电阻温度系数。
3.在高温下电热体必须稳定，不易氧化，不与炉内的衬砖和气体发生化学反应。
4.具有优良的机械性能。
在高温下不变形，有足够的机械强度和良好的塑性和韧性，易于加工。
5.热膨胀系数不能太大。
如果热膨胀系数过大，电阻炉容易受损。
6.电热体成本要低，尽量合理利用材料。
§5.2可选材料
1、钼属于高熔点的稀有金属，熔点2630℃，具有金属光泽，硬而坚韧。
钼在高温下具有加大的持久强度导电性能优良，膨胀系数小。
具有抗腐蚀性，是一种易氧化的金属。
钼丝炉必须有调节范围很宽的调压装置，一般采用感应变压器或自耦变压器。
2、镍铬合金也称为镍基合金，其熔点随合金成分而定，约为1400℃左右，可用于1100℃以下的电阻炉，其特点：
高温氧化性能好，因为在其表面能生成Cr
O
薄膜，它可以保护内部的镍合金不被氧化，所以不需要任何气体保护。
3、铁铬铝合金熔点比镍合金高，约为1500℃左右，目前我国生产的高温镍铬合金的温度可达1300—1400℃，铁铬合金加热火在其表面生成一层Al
O
保护层，此保护层的熔点高，而且不容易氧化，它适合氧化或中性气氛。
但对碳、氯、氧的抗侵蚀能力不强，在高温与酸性耐火材料及氧化铁的反应剧烈。
4、硅碳棒是最常用的非金属元件，其他主要成分是SiC94.4％,SiO
3.6％,其余为铁铝氧化钙等使用温度为1400℃左右，具有良好的导热性、导电性和耐磨性，能承受较高的加热温度，低温时其电阻与温度成反比，硅碳棒在高温的条件下使用与空气中的CO2，O2等强烈反应，使其氧化，生成玻璃态的SiO2薄膜，因此电阻大。
综合以上条件和性质，本实验选择硅碳棒作电热体材料。
第六章电热体尺寸计算
§6.1硅碳棒规格的确定
查铁铬铝合金实际表面功率与电阻炉温度关系图可知（《硅酸盐工业热工设备》）
选定铁铬铝合金作为电热元件，则其表面温度为：
1100+100=1200℃（假设电热元件表面温度比炉膛温度高100℃）
查表可知：
则
=1.4[1+8.5×10-5（1200-20）]
=1.54
查表可知：
铁铬铝合金在1100℃工作温度下允许的最高表面功率W允=1（w/cm2）
因为供电系统采用三相星型连接，故相电压为220V，电炉的额定总功率为6.43KW，则每相功率
2.14KW
则电热丝的断面直径d
=
=1.8mm
根据电阻丝的规格决定使用d=2mm的铁铬铝合金丝。
由公式
=
=37.35（m）
考虑到引出端接线取L为38m.
则全炉共用
的铁铬铝合金丝总长为：
3×38=114（m）
第七章供电电路、功率分布、功率调节
§7.1供电电路
电阻炉通常用工业频率（50Hz）的交流电，由车间电网供电，电压为220V,或380V,炉子电压不宜过高，因为高温下耐火材料的导电性急剧增加，并使电流漏损的可能性增大，供电线路尽可能缩短，以减少电能在线路中的损耗。
三相电荷应尽可能平衡，两相不需平衡。
§7.2功率分布
功率大的需要功率分布。
升温、保温时采用不同的功率分布。
本设计电阻炉功率不大，所以不用功率分布。
§7.3功率调节
为了调节炉内的温度制度及炉内温度稳定，以满足制品的烧成工艺需要，必须对电阻炉进行功率的调节，即调节电热元件的发热功率，其调节方法，一般来说有两种：
1.利用变压器调节。
2.改变电热元件的连接方法来调节。
本电阻炉设计使用的是单相交流电，电压为220V。
采用两根长电热体并联的方式连接电路。
第八章测温热点偶的选择
§8.1常用热电偶
1、铂锗—铂热电偶，WELB型
铂含量90%，铑10%。
这是一种贵金属热电偶，正极为铂锗合金，负极为纯铂。
比热电偶可用于较高温度的测量，若长时间使用可在0～1300℃工作。
优点：
复线性好，灵敏度高。
缺点：
小于800℃时测量有误差。
2、镍铬—镍钴电偶，WELBⅡ型
这种热电偶的电热特性相同，正极为镍镉铬，负极为镍硅或者镍铝。
优点：
化学稳定性好，在氧化性或中性介质中长期使用在1000℃以下，短时间使用在1300℃，复线性好，灵敏度高，价格便宜。
缺点：
在还原介质及硫和硫化物的气氛中，温度超过500℃时容易腐蚀，因此在这种气氛中热电偶要加保护罩，精度比铂铑—铂的低。
3、镍铬—铐钢电偶，WELB型
这种热电偶正极镍铬，负极铐铜（56%铜，44%镍）。
优点：
热电热大，线性度较好，价格便宜。
缺点：
电极材料在高温下易受氧化而变质，使用于还原或中性气氛中测量，测量上限长期使用在600℃，短期800℃。
4、铜—康铜电偶
这种电偶由铜和康铜（铜60%，镍40%）组成电极。
缺点：
温度低时，复线性差。
使用温度：
长时间使用在200℃以下，短时间是300℃。
综合以上条件和性质，使用铂锗—铂热电偶。
设计心得
本设计说明书严格按照工科电阻炉的设计要求设计，经过科学严密的计算、充分考虑各使用环节可能存在的问题，并参与大量相关书籍。
尤其在电阻炉结构、发热体的布置上自成特色。
在电阻炉功率确定和发热体材料的确定方面进行了一系列的计算，并大胆对设计要求中的炉膛尺寸进行修改，尽量做到更科学。
由于本设计仅限于理论设计，未应用于实践，故实际应用中肯定存在诸多的问题，望参考者能够提出意见，并进行改进。
在此次的电阻炉的设计过程中，得到了指导老师的指导和同组同学的帮助，在此表示衷心的感谢！
参考文献
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[2]江荛忠.陶瓷工业电炉[M].中国建筑工业出版社，1981年
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[4]陈景雨.陶瓷工业热工过程及设备[M].中国轻工业出版社，1992年
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