650℃ 90kgh的箱式电阻炉设计 课程设计报告.doc

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1、热处理设备课程设计课程设计报告报告题目：650 90kg/h的箱式电阻炉设计 作者所在系部： 材 料 工 程 系 作者所在专业： 金 属 材 料 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011-10-20 热处理设备课程设计任务书课题名称 650 90 kg/h的箱式电阻炉设计完成时间2011-10-20指导教师 职称高工、讲师学生姓名 班 级 总体设计要求和技术要点总体设计要求：1.通过设计，培养学生具有初步的设计思想和分析问题、解决问题的能力，了解设计的一般方法和步骤。2.初步培养学生的设计基本技能，如炉型的选择、结构尺寸设计计算、绘图

2、、查阅手册和设计资料，熟悉标准和规范等。3.使学生掌握设计热处理设备的基本方法，能结合工程实际，选择并设计常用热处理设备，培养学生对工程技术问题的严肃认真和负责的态度。设计一台热处理箱式电阻炉，其技术要点为：1.用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。2.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；3.最高工作温度：650、750、850、950、1100、1200（选一个温度）；4.生产率：60-120kg/h（分7份）；5.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。工作内容及时间进度安排1.热处理设备设计准备 0.5天2.箱式电阻炉结构尺寸计算、选择炉体材

3、料、计算分配电阻炉加热功率 0.5天3.计算电热元件尺寸、进行结构设计 0.5天3.核算设备技术经济指标 0.5天4.绘制电阻炉总图、电热元件零件图 1.0天5.编写设计说明书、使用说明书 0.5天6.设计总结 0.5天7.答辨 1.0天课程设计成果1、设计说明书：设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下：（1）统一模板，正规书写；（2）说明书的内容及计算说明项目：（a）、对设计课题的分析；（b）、设计计算过程；（c）、炉子技术指标；（d）、参考文献。2、设计图纸：（1)电阻炉总图一张（A3），要求如下：（a）、图面清晰，比例正确；（b）、尺寸及其标注方法正确；（c）、视图

4、、剖视图完整正确；（d）、注出必要的技术条件。（2）零件图3张：电热元件零件图，炉门图，炉衬图（A4）。3、使用说明书：电阻炉的技术规范及注意事项等。内 容 摘 要650 90kg/h的箱式电阻炉的设计。包括炉型的选择、选择炉体材料、箱式电阻炉结构尺寸设计计算、计算分配电阻炉加热功率、计算电热元件尺寸、核算设备技术经济指标、绘图（电阻炉总图一张，电热元件零件图，炉门图，炉衬图）。关键词：箱式电阻炉、炉衬材料、砌体结构、电热元件、热处理炉、技术经济指标目 录1 前 言11.1 本设计的目的11.2 本设计的技术要求12 设计说明22.1 确定炉体结构和尺寸22.1.1 炉底面积的确定22.1.2

5、 确定炉膛尺寸22.1.3 炉衬材料及厚度的确定32.2 砌体平均表面积计算32.2.1 炉顶平均面积32.2.2 炉墙平均面积42.2.3 炉底平均面积42.3 根据热平衡计算炉子功率42.3.1 加热工件所需的热量Q件42.3.2 通过炉衬的散热损失Q散42.3.3 开启炉门的辐射热损失62.3.4 开启炉门溢气热损失62.3.5 其它热损失62.3.6 热量总支出72.3.7 炉子安装功率72.4 炉子热效率计算72.4.1 正常工作时的效率72.4.2 在保温阶段，关闭时的效率72.5 炉子空载功率计算72.6 空炉升温时间计算72.6.1 炉墙及炉顶蓄热82.6.2 炉底蓄热计算82

6、.6.3 炉底板蓄热92.7 功率的分配与接线92.8 电热元件材料选择及计算102.8.1 图表法102.8.2 理论计算法102.9 炉子技术指标（标牌）113 参考文献前 言 本设计的目的设计650 90kg/h的箱式电阻炉本设计的技术要求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淬火、正火、调质处理及回火。（2）.工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；（3）.最高工作温度：650；（4）.生产率：90kg/h；（5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。设计说明2.1 确定炉体结构和尺寸 2.1.1 炉底面积的确定 因无定型产

7、品，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=90，按表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为120kg/(m2h)。故可求的炉底的有效面积 F1=P/P0=0.75 m2 由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.780.85，取系数上限，得炉底实际面积 F=F1/0.85=0.88m2 2.1.2 确定炉膛尺寸由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便,取 L/B=2，因此，可求的： L=1.328 m B=L/2=0.664 m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 L=1.392 m B=0.680 m 按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比

8、H/B通常在0.50.9之间，根据炉子的工作条件，取H/B=0.7左右。则H=0.490 m可以确定炉膛尺寸如下 L=(230+2)6=1392 mm B=(120+2)3 +(40+2)2+（113+2）2=680 mm H=(65+2)7+21=490 mm确定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空间，确定工作室有效尺寸为 L效=1200 mm B效=500 mm H效=350 mm F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+23.14B1/6L=3.97m2由经验公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系数C=30(kMh0.5

9、)/(m1.81.55),空炉升温时间假定为升=4h，炉温t=650。 所以 P安= 304-0.53.970.9（650/1000）1.55 =26.61 kW暂取 P安=30kW2.1.3 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113mmQN1.0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。 炉顶采用113mmQN1.0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。炉底采用三层QN1.0轻质粘土砖（673）mm50mm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。

10、炉门用65mm QN1.0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，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。2.2 砌体平均表面积计算L外L+2(115+50+115)=1950 mmB外B+2(115+50+115)=1240 mmH外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =1390 mm 式中：f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径RB，则f可由fR（1cos30）求得。 2.2.1 炉顶平均面积F顶内L1.392=0.991m2 F顶

11、外B外L外1.724 m2 F顶均1.31 m2 2.2.2 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2LH2BH2H（LB）20.490(1.392+0.680)=2.031 m2F墙外2H外(L外B外)21.390(1.950+1.240)=8.868 m2F墙均4.24 m2 2.2.3炉底平均面积F底内BL0.6801.3920.947 m2F底外B外L外1.2401.950=2.418 m2F底均1.51 m22.3 根据热平衡计算炉子功率2.3.1 加热工件所需的热量Q件查表得，工件在650及20时比热容分别为c件21.051kJ/(kg)，c件1

12、0.486kJ/(kg)Q件p(c件2t1c件1t0)90(1.0516500.48620)60609 kJ/h2.3.2 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，将炉门也包括在前墙内。 根据式 Q散 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙540，t3墙320，t4墙60则耐火层s1的平均温度ts1均595，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均430，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均190，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得 10.29+0.25610-3ts1均0.442W/(m) 30.131+0.2310-3ts3均0.175W/

13、(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成线性关系，由ts2均430，得 20.098W/(m) 当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2近似计算得12.17 W/(m) (1)求热流 q墙 417.3W/ m2(2)验算交界面上的温度t2墙，t3墙t2墙=t1q墙541.40.26%5%，满足设计要求，不需重算。 t3墙=t2墙q墙328.2 2.6%5%，满足设计要求，不需重算。(3)验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙q墙54.070满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。(4)计算炉墙散热损失 Q墙散q墙F墙均417.34.241769.

14、4 W同理可以求得t2顶=583.9, t3顶=374.2, t4顶=38.5, q顶256.9 W/ m2t2底=508.8, t3底=356.7, t4底=50.3, q底298.1 W/ m2炉顶通过炉衬散热 Q顶散q顶F顶均336.5 W炉底通过炉衬散热Q底散q底F底均450.1 W整个炉体散热损失 Q散Q墙散Q顶散Q底散2556 W 2.3.3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Q辐3.65.675Ft（）4（）4因为Tg650273923K，Ta20273293K，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 FB0.6800.167 m2 炉门开启

15、率 t0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.36，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.88，由图114第1条线查得0.66，故 Q辐3.65.675Ft（）4（）4 3.65.6750.1670.10.66（）4（）4 1617.7kJ/h2.3.4开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t其中，qva1997B19970.6800.245=164.7m3/h冷空气密度a1.29kg/ m3,由附表10得ca1.342kJ/( m3),ta=20, tg为溢气温度，近似认为tgta(tg-ta) 20(650-20)=440Q溢qvaaca(tgta) t

16、164.71.291.342(44020)0.111975.3 kJ/h2.3.5其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故Q它0.13(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=9939.5 kJ/h2.3.6热量总支出其中Q辅0，Q控0，由下式得Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它=86397.5 kJ/h2.3.7炉子安装功率P安 其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.5，则 P安36.0kW与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW。2.4炉子热效率计算2.4.1正常工作时的效率=60609/86397.5 =70.2%2.4.2在保温阶段，关闭时的效率83.2%2.5炉子空载功

17、率计算 P空3.5 kW2.6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，将炉子侧墙和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。2.6.1炉墙及炉顶蓄热V侧粘21.392(100.067+0.135)0.115=0.258m3V前后粘2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.115=0.239m3V顶粘0.97(1.392+0.276)0.115=0.186m3V侧纤2(1.392+0.115)(100.067+0.135)0.05=0.121m3V前后纤2(0.680+0.1

18、152)(150.067+0.135)0.05=0.104m3V顶纤1.071(1.392+0.276)0.08=0.143m3V侧硅2 (100.067+0.135)(1.392+0.115)0.115=0.279m3V前后硅21.240(150.067+0.135)0.115=0.325m3V顶珍 1.9501.2400.115=0.278 m3Q蓄V粘粘c粘(t粘t0)+V纤纤c纤(t纤t0)+ V硅硅c硅(t硅t0)因为t粘（t1t2墙）/2595.7查附表3得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3595.7=0.995 kJ/(kg) t纤（t2墙t3墙）/2

19、434.8查附表3得 c纤0.81+0.2810-3t纤0.81+0.2810-3434.8=0.932 kJ/(kg)t硅（t3墙t4墙）/2191.1查附表3得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2510-3191.1=0.888 kJ/(kg)所以得Q蓄1(V侧粘+ V前后粘+ V顶粘)粘c粘(t粘t0)+(V侧纤+ V前后纤+ V顶纤)纤c纤(t纤t0)+( V侧硅+ V前后硅+ V顶硅)硅c硅(t硅t0) 493808 kJ/h2.6.2炉底蓄热计算V底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042)0.113+(0.1130.120)21.392+(1.

20、240-0.1152)(1.950-0.115)0.065 0.225m3.V底纤1.9501.2400.050.121m3V底硅1.9501.2400.1820.440m3由于t底粘（t1t2底）/2(650+508.8)/2579.4查附表3得 c底粘0.84+0.2610-3t底粘0.991 kJ/(kg) t底纤（t2底t3底）/2(508.8+356.7)/2432.8查附表3得 c底纤0.81+0.2810-3t底纤0.931 kJ/(kg) t底硅（t3底t4底）/2(356.7+50.3)/2203.5查附表3得 c底硅0.84+0.2510-3t底硅0.891 kJ/(kg)

21、所以得Q底蓄0.2251.01030.991(579.4-20)+0.1210.251030.931(432.8-20)+0.4400.51030.891(203.5-20)172327 kJ/h2.6.3炉底板蓄热根据附表6查得650和20时高合金钢的比热容分别为c板20.875kJ/(kg)和c板10.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=180kg，所以有 Q板蓄G(c板2t1- c板1t0)=180(0.8756509.46)100672.2 kJ/hQ蓄Q蓄1Q底蓄Q板蓄766807 kJ/h空炉升温时间 升6.1h对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38小时内均可，故本炉子设计

22、符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。2.7功率的分配与接线35kW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，内壁表面负荷应在1535kW/ m2 之间，常用为2025 kW/ m2 之间。 F电2F电侧F电底21.3920.490+1.3920.680=2.31 m2 WP安/F电35/2. 3115.2kW/ m2 故符合设计要求。2.8电热元件材料选择及计算由最高使用温度650，选用线状0Cr25Al15合金电热元件，接线方式采用Y。2.8.1图表

23、法由附表15查得0Cr25Al1电热元件35kW箱式炉Y接线，直径d4.8mm时，其表面负荷为1.56W/ cm2。每组元件长度L组49.6m,总长度L总148.8m,元件总重量G总19.1kg。2.8.2理论计算法1、求650时电热元件的电阻率t 当炉温为650时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25Al5在20时电阻率201.40mm2/m，电阻温度系数410-5-1,则1100下的电热元件电阻率为 t20(1+t)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m2、确定电热元件表面功率 由图53，根据本炉子电热元件工作条件取W允1.6W/ cm2。3、每组电热元件

24、功率 由于采用Y接法，即三相双星形接法，每组元件功率 P组35/n=35/311.7 kW4、每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压 U组380/=220V5、电热元件直径 线状电热元件直接由下式得 d34.34.7 mm取d=4.8 mm6、每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由下式得 L组0.78510-3 =0.78510-351.25m 每组电热元件重量由下式得G组d2 L组M式中，M由附表12查得M7.1g/ cm2所以得 G组d2 L组M6.58kg7、电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度 L总3L组351.251

25、53.75m 电热元件总重量 G总3G组19.74kg8、校核电热元件表面负荷W实1.51W/ cm2 W实 W允，结果满足设计要求。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=51.25/412.81m 布置电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000。由表55可知，螺旋节径D=(46)d， 取D=5d54.824mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为 NL折/D12.81/(3.1424) 103170圈 hL/N（1392-50）/1707.9mm h/d=7.9/3=2.6 按规定，h/d在24范围内满足设计要求。 根据计算，选用Y方式接线，采用d4.8mm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，炉口增大功率。 电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，12mm，l500mm。2.9炉子技术指标（标牌）额定功率：35kW 额定电压：380V使用温度：650 生产率：90 kg/h相数：3 接线方法：Y 工作室有效尺寸：1200500350 外型尺寸：重量： 出厂日期：参 考 文 献1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著,哈尔滨工程大学出版社2、工程制图 大连理工大学出版社组编3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组指导教师评语及设计成绩 评 语 课程设计成绩： 指导教师： 日期： 年 月 日