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1、关键设备工程设计训练课程设计讲义关键设备工程设计训练课程设计(论文)设计（论文）题目970150Kg/h箱式电阻炉设计学院名称材料与化学化工学院 专业名称材料科学与工程（金属方向） 学生姓名 学生学号 任课教师 设计（论文）成绩教务处制2016年01月08日目录1.设计任务书 41.1技术条件 41.2 主要任务 42. 设计的目的和技术要求 52.1设计的目的 52.2设计的技术要求 53. 箱式电阻炉设计说明书 63.1 炉型的选择 63.2确定炉体结构和尺寸 63.2.1 炉底面积的确定 63.2.2炉底长度和宽度的确定 63.2.3 炉膛高度的确定 63.2.4炉衬材料及厚度的确定 7

2、3.3电热元件材料选择及计算 83.3.1加热炉功率的计算 83.3.2炉子热效率计算 133.3.3炉子空载功率的计算 133.3.4空炉升温时间计算 133.3.5功率的分配和接线 153.3.6电热元件材料选择及计算 164.炉子技术指标（标牌） 185.箱式电阻炉使用说明书 186.参考文献 201.设计任务书1.1技术条件为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：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。生产率：150 kg/h 工作温度：最高使用温度970；生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。1.2 主

3、要任务本课程设计的主要任务为：编写电阻炉设计说明书；按照工程制图的相关要求，手绘电阻炉设计1 号图纸一张，图纸要求整洁、规范，写出主要技术规范；设计电阻炉技术指标(标牌)；箱式电阻炉使用说明书； 3.箱式电阻炉设计说明书3.1 炉型的选择根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。3.2确定炉体结构和尺寸3.2.1 炉底面积的确定因无定形产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。已知生产率 P=150kg/h，选择箱式炉用于合金钢淬火时的单位面积生产率P0为120kg/m2h，故可得炉底有效面积。由于有效面积与炉底面积存在关系式 F=F1/（70-85）

4、，取系数上限，得3.2.2炉底长度和宽度的确定由于热处理台车炉设计时应考虑装出料方便，取 L/B=2:1，而F=LB=0.5L2因此可得考虑到砌砖的方便取 L=1741mm，B=869mm。3.2.3 炉膛高度的确定依统计资料，炉膛高度H 与宽度B 之比多数在0.50.9 范围内，据炉子工作条件，取H/B=0.7 左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度因此炉膛尺寸如下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L 效=1500mm B 效=700mm H 效=500mm3.2.4炉衬材料及厚度的确定(1)侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉

5、衬结构，即113mmQN-1.0轻质粘土砖+50mm 密度为250kg/m3 的普通硅酸铝纤维毡+113mmB 级硅藻土砖。(2)炉顶采用113mmQN-1.0 轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/m3 的普通硅酸铝纤维毡+115mm 膨胀珍珠岩。(3)炉底采用三层QN-1.0 轻质粘土砖（673）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。(4)炉门用65mmQN-1.0 轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/m3 的普通硅酸铝纤维毡+65mmA 级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖（NZ-35），电热元件搁砖选用重质高铝砖。

6、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。砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸：式中：f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f 可由求得。式中f=R（1-cos30）=0.869(1-0.866)=116mm 炉顶平均面积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炉底平均面积3.3电热元件材料选择及计算3.3.1加热炉功率的计算1根据经验公式计算炉子功率取式中系数，空炉升温时间假定为, 炉温t=970，炉膛内壁面积所以由经验公式法计算得 2.根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量Q 件查表得，工件在970

7、及70时比热容分别为C2 = 0. 63kJ/(kg ) ， C1=0.486kJ/(kg)（2）通过炉衬的散热损失 Q 散由于炉内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。由公式：i对于炉墙散热，如图516所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2 墙= 800，t3墙=500，t4墙=70则耐火层S1的平均温度ts1均=（970+800）/2=885，硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均=（800+500）/2=650,硅藻土砖层S3的平均温度ts3均=（500+70）/2=285，S1、S3层炉衬的热导率由附表3得普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给

8、定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由tS2均= 650，得2=0 .131W/ ( m)当炉壳温度为70，室温为20时，由附表2经近似计算得（综合传热系数）求热流验算交界面上的温度t 2墙、t 3墙，满足设计要求，不需重算。，不需重算。验算炉壳温度 t 4墙满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。计算炉墙散热损失同理可求，t2顶=844 .39，t3顶=562 .6 ，t4顶=53，q 顶= 485 .4 W/m2 t2底=782 .2，t3底=568 .54，t4底=53.7，q底=572 . 2 W/m2炉顶通过炉衬散热炉底通过炉衬散热整个炉体散热损失（3）开启炉门的辐

9、射热损失设装出料时间为每小时6 分钟,根据式中：C黑体辐射系数；F炉门开启面积或缝隙面积m2；3.6时间系数；炉口遮蔽系数；炉门开启率（平均1 小时开启的时间）。因为Tg=970+273=1243K， Ta=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：炉门开启面积炉门开启率由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2 与B 之比为0.32/0.869=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为H/S=0.32/0.28=1.14，由孔口的遮蔽系数图查得=0.7，故0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m)（4）开启炉门热溢气损失当

10、炉压为正值时，开启炉门将引起炉气外溢，对于一般箱式电阻炉，开启炉门时，通常以加热，吸入的冷空气所需要的热量作为该顶热损失：式中：炉外冷空气温度（）溢出热空气温度随炉门开启时间的增加而降低，若开启时间很短，可取炉工作温度。空气的密度（kg/m3）空气在tatg 温度内的平均比热容kJ/(kg)流入炉内的空气流量（m3/h） 冷空气密度=1.29kg/ m 3 ,由表5.7 可查得= 1.342 kJ/ (m 3 ) =20，为溢气温度，近似认为所以，可以求得溢气热损失（5）其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故（6）热量总支出其中 =0， =0，由公式得（7）炉子安装功率由 (

11、其中K 为功率储备系数,本炉设计中取K=1.4)则与标准炉子比较,取炉子功率为75kW 3.3.2炉子热效率计算(1)正常工作时的功率(2) 在保温阶段, 关闭炉门时的效率3.3.3炉子空载功率的计算3.3.4空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似, 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,因为升温时炉底板也随炉升温, 也要计算在内。(1) 炉墙及炉顶蓄热因为查表得查表得查表得所以得(2) 炉底蓄热计算由于查表得所以得: (3) 炉底板蓄热根据表3 得970和700时高合金钢的比热容分别为：c 板 2=0.670kJ

12、/(kg)和 c 板 1=0.473kJ/(kg)，经计算炉底板重量G=242kg，所以有由此得空炉升温时间对于一般周期作业炉, 其空炉升温时间在3-8h 内均可, 故本炉子设计符合要求。3.3.5功率的分配和接线 75kW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380 V 。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kw/m2之间，常用为20 25kw/m2之间。表面负荷在20 25kW/m2常用的范围之内，故符合设计要求。3.3.6电热元件材料选择及计算由炉子的最高使用温度970，选用线伏0Cr25A15 合金作为电热组

13、件，采用YY 接线方法。(1) 图表法由附表15查得0Cr25A15电热元件75kW箱式炉YY接线，直径d = 5mm时，其表面负荷为1. 58W/cm2。每组元件长度L组=50.5m，总长度L总 = 303. 0m,元件总重量G总=42 .3kg,(2) 理论计算法1)求950时电热元件的电阻率t当炉温为950时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25A15在20时电阻率20=1.40mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则1100下的电热元件电阻率为2)确定电热元件表面功率根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6W/Cm3)每组电热元件功率由于采用YY接法，即三相双星形接法，

14、每组元件功率4)每组电热元件端电压由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压5)电热元件直径线状电热元件直径取d=5mm。6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度每组电热元件重量7)电热元件的总长度和总重量电热元件总长度L总=6L组 =652.07=312.44m电热元件总重量G总 = 6 G组=67 .26 = 43 .56kg8)校核电热元件表面负荷由于W实W允，所以计算结果是合理的。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，则有布置电热元件的炉壁长度L=L-50=1741-50=1691mm丝状电热元件绕成螺旋状

15、，当元件温度高于1000，由表5-5 可知，螺旋节径D=（46）d，取D=6d=65=30mm。螺旋体圈数N 与螺距h 分别为按规定，h/d 在24 范围内满足设计要求。根据计算，选用YY 方式接线，采用d=5mm 所用电热元件质量最小，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。电热元件引出棒材选用1Cr18Ni9Ti，=12mm，L=500mm。4.炉子技术指标（标牌）额定功率：75kW 额定电压：380V最高使用温度：970生产率：150kg/h相数：3 接线方法：YY工作室有效尺寸：1500 700 500外形尺寸：L=2300mm，B=1430mm，H=1566mm

16、质量：出厂日期：6.参考文献6.1吉泽升-热处理炉，哈尔滨.哈尔滨大学出版社.1998 6.2徐斌-热处理设备，北京.机械工业出版社.2010学生学习心得通过本次设计实验，提升了我对热处理炉的深刻理解，从里到外，箱式热处理炉的各个地方都了如指掌。更清晰的认识了各种砖，知道了他们的用途和分别。炉子的热效率很重要，通过复杂的计算过程，采用各种假设，都是为了减少炉子的热损失。提高生产效率减少能量损耗是好的炉子的基本要求。学生（签名）： 年 月 日诚信承诺本人郑重声明所呈交的课程报告是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表

17、或撰写过的研究成果。与我一同工作的同学对本文研究所做的贡献均已在报告中作了明确的说明并表示谢意。学生（签名）：任课教师评语成绩评定：任课教师（签名）： 年 月 日箱式电阻炉使用说明书5.1首先检查电炉、温度控制器及热电偶专用补偿导线是否完好。说明书、合格证是否齐全，仔细阅读说明书并按照说明书的安装程序进行安装与操作。5.2将电炉与温度控制器水平放在工作台上，依照电器连接示意图所示，用相应截面积的铜绝缘导线做可靠的连接，设备的外壳均应接有可靠的保护接地或保护接零。温度控制器与电炉之间的距离不宜过近，以防止因环境温度过高而影响温度控制器的正常工作。热电偶与补偿导线连接时应注意其极性不能接错，热电偶

18、的极性在接线端有明显标记，补偿导线的极性由导线绝缘皮的颜色来区分，其中红色为正、蓝色或绿色为负。5.3当电炉初次使用或长期停用再次使用时，必须进行烘炉干燥。烘炉方法如下：接通电源后将设定旋钮设定在200工作4小时，并将炉门略打开进行，以放走潮气。再将设定旋钮设定在600工作4小时，烘炉干燥结束。5.4烘炉完毕后电炉可开始正常使用，但应注意下列事项：a.为保护和延长炉膛及加热元件的使用寿命，本系列电阻炉严禁在额定温度以上工作，电炉长期工作时的温度应比额定温度低50。b.禁止向炉膛内直接灌注液体，经常清洁炉膛内的铁屑、氧化皮，以保护炉膛内的清洁。含碳气氛、含卤族元素气氛、含硫气氛、含氢和氮气氛、含

19、水蒸气的气氛和盐类、一些熔化的金属及其金属蒸气均会对加热元件表面的氧化膜造成影响，在上述气氛中长期工作将降低加热元件的使用寿命。c.根据加热工件的大小，调整热电偶的插入深度，一般热电偶插入炉膛的深度为20-50mm。d.炉门应轻开轻关，取放被加热的工件时应轻拿轻放，避免损坏炉口和炉膛。在使用过程中出现裂纹不会影响电炉的正常使用，取放被加热的工件时应切断电源以保证人身安全。e.当热电偶与温控仪表损坏后需要更换时，应保证热电偶与温控仪表的分度号一致，否则将会造成炉温与温控仪表显示的温度不一致，严重时将会使电炉烧毁。5.5常见故障现象及检修方法现象故障原因及检修方法不升温电源电压正常，控制器工作正常

20、，电流表无显示，常见故障为电炉丝断路，可用万用表检查并用相同规格的电炉丝更换。电源电压正常，控制器不能工作，可检修控制器内部的开关、熔断器及炉门的行程开关。如果电炉的炉门没有关好控制器也不能工作，控制器故障的检修方法可参阅控制器说明书。供电电源的故障：不接电炉时工作正常，接电炉时不能正常工作，控制器内发出连续的哒哒声音其原因为供电线路的电压降太大或插座及控制开关接触不好，可调整或更换。升温慢电源电压正常，控制器工作正常，常见故障为部分电炉丝断路，可用万用表检查并用相同规格的电炉丝更换。电源电压正常，但是电炉的工作电压低，其原因为供电线路的电压降太大或插座及控制开关接触不好，可调整更换。电源电压比正常电压低，电炉工作时加热功率不足。三相电源缺相，可调整检修。温度异常热电偶没有插入到炉膛内，造成炉温失控。热电偶的分度号与温控仪表的分度号不一致，将造成炉温与温控仪表显示的温度不一致。