熱工過(guò)程與設(shè)備課程設(shè)計(jì)箱式熱處理電阻爐設(shè)計(jì)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)熱工過(guò)程與設(shè)備 課程設(shè)計(jì)（說(shuō)明書(shū)）題目：箱式熱處理電阻爐設(shè)計(jì)院（系）：新能源學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)：材料科學(xué)與工程141學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：2015-12-212016-01-03課程設(shè)計(jì)任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：新能源學(xué)院 教研室：材料教研室學(xué) 號(hào)141609012姓 名專(zhuān)業(yè)班級(jí)材料科學(xué)與工程141課程設(shè)計(jì)題目箱式熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)生產(chǎn)率330kg / h，額定工作溫度600，爐底強(qiáng)度115kg / mh；爐底強(qiáng)度系數(shù)0.85；纖維氈保溫材料課程設(shè)計(jì)（論文）要求與任務(wù)(1) 爐型的選擇(2) 確定爐體結(jié)構(gòu)與尺寸(3) 計(jì)算砌體平均表面積(4) 計(jì)算加熱爐功率(5) 計(jì)算

2、爐子熱效率(6) 計(jì)算爐子空載功率(7) 計(jì)算空爐升溫時(shí)間(8) 功率分配與接線(xiàn)(9) 電熱元件材料選擇與計(jì)算(11) 電熱體元件圖(12) 電阻爐裝配圖(13) 爐子技術(shù)性能指標(biāo)(14) 參考文獻(xiàn)時(shí)間安排（1）布置設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)方案討論、選擇爐型 1天（2）爐膛尺寸、爐體結(jié)構(gòu)和尺寸、繪制爐襯示意圖。 2天（3）爐子的加熱功率、熱效率、空爐升溫時(shí)間。 2天（4）功率的分配；電熱元件尺寸、布置，繪制電熱元件示意圖。 1天（5）繪制電熱元件布置圖和電阻爐裝配示意圖。 1天（6）撰寫(xiě)、編輯、排版、修改設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 4天（7）考核、答辯。 1天指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 學(xué)生簽字： 年

3、月 日目 錄1 爐型的選擇12 爐體結(jié)構(gòu)及尺寸12.1 爐底面積的確定12.2 爐膛尺寸的確定12.3 爐襯材料及厚度的確定23 砌體平均表面積計(jì)算34 爐子功率45 爐子熱效率計(jì)算76 爐子空載功率計(jì)算87 空爐升溫時(shí)間計(jì)算88 功率的分配與接線(xiàn)99 電熱元件材料選擇及計(jì)算910 電熱體元件圖111 電阻爐裝配圖212 電阻爐技術(shù)指標(biāo)3參考文獻(xiàn)4設(shè)計(jì)任務(wù)：為某廠設(shè)計(jì)一臺(tái)箱式熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：(1) 用途：碳鋼、合金鋼毛坯或零件的正火、淬火，處理對(duì)象為中、小型零件、非長(zhǎng)桿類(lèi)零件，無(wú)定型產(chǎn)品，小批量，多品種。(2) 生產(chǎn)率：330kg / h。(3) 額定工作溫度：600 。(4) 生

4、產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)。1 爐型的選擇根據(jù)給定的技術(shù)要求選取低溫箱式爐，箱式爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，容易準(zhǔn)確控制溫度，爐膛溫度分布均勻，故設(shè)計(jì)額定溫度（最高使用溫度）600，為低溫回火爐類(lèi)熱處理爐。2 爐體結(jié)構(gòu)及尺寸爐體結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)工件的形狀，尺寸，裝爐量以及爐子生產(chǎn)率來(lái)決定。同時(shí)考慮到爐子的傳熱特點(diǎn)、檢修和裝出料方便。在保證爐子生產(chǎn)率的情況下，盡量減小爐膛尺寸以降低能量消耗。2.1 爐底面積的確定根據(jù)爐底強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算爐底面積。因?yàn)榱慵a(chǎn)品為無(wú)定型產(chǎn)品，故不能用爐子一次裝料量確定爐底面積，只能用爐底強(qiáng)度指標(biāo)法。根據(jù)已知的生產(chǎn)率p為280 kg / h，爐底強(qiáng)度h為110 kg/m

5、2h，故可求得爐底有效面積f1 = p / h = 330/ 115= 2.87m2式中 f1 爐底有效面積，2.87m2；p 爐子生產(chǎn)率，330kg / h；h 爐底強(qiáng)度，115kg /（mh）。因?yàn)橛行娣e與爐底實(shí)際面積存在關(guān)系式k = f1 / f = 0.85，得爐底實(shí)際面積f = f1 / 0.85= 2.87 / 0.85 = 3.38m22.2 爐膛尺寸的確定對(duì)于箱式熱處理電阻爐，爐底長(zhǎng)度與寬度之比約為3:2，所以由爐底長(zhǎng)度公式 l = 可知 l = 2.25 m 由爐底寬度公式 b = 得 b = = 1.5m根據(jù)爐膛高度h與寬度b之比h / b =0.8，可以知道h =1.5

6、 0.8= 1.2 m。因此，可以確定爐膛尺寸如下 l= 2250mm b = 1500 mm h= 1200mm2.3 爐襯材料及厚度的確定低溫箱式爐爐墻選取一層材料，為耐火纖維氈。耐火纖維氈，密度0.1 g / cm2，導(dǎo)熱系數(shù)= 0.116。襯包括爐墻、爐底和爐頂三部分。依次計(jì)算爐墻，爐底，爐頂。1.爐墻對(duì)于爐溫在小于等于600的電阻爐，可用耐火纖維氈做砌體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選取厚度為200 mm。爐墻內(nèi)表面溫度t0即為爐子的額定工作溫度600 。爐殼溫度t1為20，空氣溫度t2為50，即t0 = 600 ，t1 = 20 ，t2 = 50則有：耐火纖維氈層s的平均溫度為： t均 = =

7、= 310 ， = 0.116 w/(m)(1) 熱流q q墻 = =327（w/m2）（2）計(jì)算交界面上的溫度t1 由 t1= t0 q s / 得 t1 = 600 327 0.2 / 0.116= 36.2 驗(yàn)算界面溫度 （t1 t1）/ t1=（50 36.2）/ 36.2= 27.6% 30 % ，結(jié)果合理，不需要重新假設(shè)界面溫度。2.爐底爐底在高溫下承受工件的壓力，裝出料時(shí)常受到工件的沖擊或磨損，因此，要求有較高的耐壓強(qiáng)度，砌層厚度也要求比爐墻厚一些。一般電阻爐的爐底結(jié)構(gòu)是在爐底鋼板上用硅藻土砌成方格子做支撐，格子內(nèi)再填充蛭石粉，上面在鋪幾層硅藻土或輕質(zhì)磚，再往上為耐火磚。3.爐頂

8、由于側(cè)墻、前墻及后墻以及爐頂?shù)墓ぷ鳁l件相似，采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即一層：耐火纖維氈厚度200 mm。爐寬小于3.5 4.0 m的電阻爐采用拱頂。本設(shè)計(jì)爐采用拱頂60拱角。 3 砌體平均表面積計(jì)算砌體平均面積包括，爐頂平均面積，爐墻平均面積與爐底平均面積之和。砌體外廓尺寸：外廓尺寸是指在爐膛的尺寸之外加上爐墻的厚度的尺寸。l外= l + 2 200= 2250+ 2 200= 2650mmb外= b + 2200 = 1500+ 2 200 = 1900mmh外= h +g+200 =1200+113+200=1513 mmf = r ( 1 cos 30 ) =200 mm 式中 f 拱頂高度，

9、此爐子采用60標(biāo)準(zhǔn)拱頂，則拱弧半徑尺 r = b =1500mm。圖1 爐襯結(jié)構(gòu)圖4. 爐子功率電阻加熱爐所需功率的大小，與爐子的生產(chǎn)率，升溫時(shí)間，爐膛尺寸，爐子結(jié)構(gòu)，工件的工藝規(guī)律和操作方法等因素有關(guān)。在設(shè)計(jì)中必須考慮各方面因素以確定合適的功率。用計(jì)算的方法通過(guò)復(fù)雜的公式利用熱平衡法確定爐子功率。爐子的總功率應(yīng)滿(mǎn)足熱量支出的總和。不同的電阻爐熱量的支出具體項(xiàng)目和數(shù)量也不相同。根據(jù)箱式爐的熱量支出的項(xiàng)目，計(jì)算熱量支出的具體數(shù)值并求和。從而求得總功率。1加熱工件所需的熱量q件 q件是指電阻爐在加熱過(guò)程中作用在零件上的有效的熱量q件 = g (c2 t2 cl t1 ) 式中 g 爐子生產(chǎn)率；g

10、= 200 kg / h。c2 工件在額定工作溫度（即600 ）時(shí)的熱容；c2 = 0.682 kj / kg。cl 工件在常溫（20）時(shí)的熱容；cl = 0.494 kj / kg。t2 爐子的額定溫度（即600）；t1 室溫溫度，取20 。 則 q件 = g (c2 t2 cl t1 )= 330 (0.682 6000.49420) =131775.6kj / h 2加熱輔助工具夾所需的熱量q輔 輔助工具為料盤(pán)，工夾具等輔助工具，由于不同的加熱工序所用不同的工夾具，所以此次計(jì)算只帶入爐底板計(jì)算。 q輔 = 0.05 q件式中 q件加熱工件所需的熱量q輔= 0.05 q件=0.051317

11、75.6=6588.78kj3.通過(guò)爐襯的散熱損失q散低溫電阻爐爐襯厚度為一層，通過(guò)側(cè)墻與前后墻散失的熱量也要考慮在總體熱量之內(nèi)。 q散= q a均 式中a均箱式電爐各散熱面積平均值16.070 m2 q 熱流密度220.97 kj/(hm2)，它與爐殼表面狀況、外壁溫度有關(guān)。因?yàn)閍均= = ( h + f ) l+( h + f ) b+l b + l外 b外+l外 h外+h外 b外/2=(2.25+0.46)1.96+(1.2+0.63)1.96+1.832.71+(2.251.5+2.251.4+1.41.5)2/2=22.48 m2所以q散= q a均 =327 33.48=7350.

12、96kj4.通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失q輻當(dāng)夾取工件的時(shí)候，需要開(kāi)啟爐門(mén)，當(dāng)開(kāi)啟爐門(mén)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量的輻射散失q輻 = 5.67 a 3.6式中 t1 爐膛的溫度 k；t2 爐外空氣的溫度 k；a 爐門(mén)開(kāi)啟面積0.48m2； 遮蔽系數(shù)，取0.79； 爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)間比率取0.2。由于正常工作時(shí)，爐門(mén)開(kāi)啟面積a= 0.6 0.48= 0.288 m2q輻 = 5.67 a 3.6= 5.67 0.48 0.79 0.2 3.6= 2006 kj / h 5.通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)的溢氣熱損失q溢當(dāng)爐門(mén)開(kāi)啟的時(shí)候由于冷熱空氣的對(duì)流造成熱量的散失。熱空氣向外流出冷空氣流入造成爐內(nèi)溫度的降低。q溢 = v c ( t

13、 1 t2 ) = 818 1.37 (600 20 ) 0.2= 129996.56kj / h式中 t1 室溫溫度，取20。t2 爐子內(nèi)熱空氣溫度，取600。v 進(jìn)入爐內(nèi)的冷空氣量818m3 / h。c 空氣在溫度之間的平均比熱1.37kj / (m3)。對(duì)于電阻爐，v可以按下式近似計(jì)算v = 2200b= 2200 0.8 0.6= 818 m3 / h式中 b 爐門(mén)的寬度0.8 m； h 爐門(mén)的開(kāi)啟高度0.6 m； 6.其它熱損失q它除了以上各種熱散失以外，還有很多考慮不到的其他因素造成的熱散失，其中包括密封性不良，磚塊之間的契合度差，內(nèi)部老化等。一般其他熱損失近視取爐襯散熱的50 %

14、 100%或者總熱損失的10 %，本次計(jì)算選取q它= 30 % q散。q它 = 0.3 q散 = 0.37350.96=2205.288kj / h7.總熱量支出q總總的熱支出包括q件 ，q輔 ，q散 ，q輻 ，q溢 ，q它 。 q總= q件 + q輔 + q散 + q輻 + q溢 + q它= 131775.6 + 2205.288+ 7350.96+ 2006+ 129996.56+ 6588.78=155308.188kj / h8.熱功率p總將熱量轉(zhuǎn)換為功率，通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)將兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)變。p總 = q總 / 3600 = 155308.188 / 3600 =43.14 kw 從熱平衡的觀

15、點(diǎn)來(lái)看，p總熱功率就是所需的功率。但是考慮到生產(chǎn)中的某些情況，如車(chē)間電壓降低或電熱體老化引起的功率下降以及適應(yīng)強(qiáng)化加熱制度所要求的功率等，因此，爐子的功率應(yīng)有一定的儲(chǔ)備，爐子的額定（安裝）功率應(yīng)為p = kp總 。其中k為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中k取1.5，故p = 1.5 43.14 = 64.71 kw，取65kw。5 爐子熱效率計(jì)算單位時(shí)間加熱工件能力的稱(chēng)為熱效率，熱效率越大，爐子的利用率越大，熱效率過(guò)小說(shuō)明爐子設(shè)計(jì)的不合理，需要重新設(shè)計(jì)，熱效率的范圍一般在30%到80%之間。工作時(shí)的效率是指在工件在爐內(nèi)加熱時(shí)的效率 = = = 84.8 %6 爐子空載功率計(jì)算空載功率是指在沒(méi)有工件加入

16、爐內(nèi)的時(shí)候，將爐內(nèi)溫度提升到額定工作溫度時(shí)的功率 p空 = = （7350.96 + 2205.28）/3600= 2.65 kw7 空爐升溫時(shí)間計(jì)算不同耐火層，保溫層的蓄熱不同，耐火層蓄熱多而保溫層相對(duì)較少，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐子側(cè)墻，前后墻，爐頂按照相同數(shù)據(jù)計(jì)算，而爐底的構(gòu)造比較復(fù)雜，統(tǒng)一按照輕質(zhì)粘土磚計(jì)算。1.爐墻及爐頂和爐底蓄熱本設(shè)計(jì)中溫爐有二層砌體，不同砌體尺寸除了考慮到爐膛尺寸以外還需要考慮到前一層耐火層的尺寸。因?yàn)?v1=v外 = (2.25+20.2)(1.5+20.2)1.2+0.168+0.23+0.2 = 2.651.91.8 = 9.063m3 v2=v內(nèi) = 2.251.4

17、1.5 = 4.725m3所以 v =v1 -v2=9.0634.725=4.338 m3因?yàn)閠p =(t0 + t1) / 2=(600 + 50)/ 2=325 由參考文獻(xiàn)查得c = 0.2 +7 10-5tp =7+7 10-5325= 0.2228 kj / (kg) = 0.1 103= 100 kg /m3蓄熱量式中 v 耐火層和保溫層的體積（m2） 耐火材料和保溫材料的重度（kg/ m2） t 耐火層和保溫層在爐子工作溫度時(shí)的平均溫度（m2） c 耐火材料和保溫材料在 t粘和t蛭時(shí)的比熱 c 耐火材料和保溫材料在溫室下的比熱 故 q蓄=4.33280.1103(0.2426000

18、.201420)=61252.56kj2.空爐升溫時(shí)間空爐升溫時(shí)間是指，在沒(méi)有工件的情況下，將電阻爐加熱到額定工作溫度的時(shí)間。升= = = 0.2h對(duì)于一般周期作業(yè)爐升溫時(shí)間在0.1 0.8小時(shí)左右，所設(shè)計(jì)的爐子升溫時(shí)間符合要求。8 功率的分配與接線(xiàn)因?yàn)樵摕崽幚黼娮锠t的爐膛寬度b = 1.252m，爐膛超過(guò)1米爐膛為大型箱式爐，功率分配除了在側(cè)墻和爐底之外，還應(yīng)在爐門(mén)口增加一些功率，即在爐長(zhǎng)1 / 4 1 / 3處，將功率加大為功率的15 % 25 %左右。本設(shè)計(jì)功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底。供電電壓為車(chē)間動(dòng)力電網(wǎng)380 v。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對(duì)于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)擊應(yīng)在

19、15 25 kw / m2之間。9 電熱元件材料選擇及計(jì)算金屬電熱體材料有合金和純金屬材料兩種。電熱體要求高的電阻率，電阻溫度系數(shù)小，材料有足夠的耐熱性與高溫強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)要小，材料要具有良好的加工性，材料成分要符合國(guó)家資源情況，來(lái)源容易成本低。由于該熱處理爐的最高使用溫度為600，屬于中溫箱式爐，故選用線(xiàn)狀cr13al4合金作電熱元件，接線(xiàn)方式采用星型接法。1.求600 時(shí)電熱元件的電阻率當(dāng)爐溫為600 時(shí)，經(jīng)查得cr13al4在20 時(shí)電阻率0 = 1.26 mm2 / m，電阻溫度系數(shù) = 15 10-5 -1。t = 0( 1 + t)= 1.26 ( 1+15 10-5 600 )

20、= 1.35 mm2 / m2.確定電熱元件表面功率由查資料以及該工作表面溫度和該電熱元件有敞開(kāi)型和封閉型兩種。由參考文獻(xiàn)w = 5.6w / cm2。3.每根電熱元件的功率每根電熱元件的功率以10-25kw為宜，每組3根，64.71 kw / 15kw = 4.3，取3根，所以電熱元件共一組三根，每根功率p = p / n =64.71/ 3 =21.57 kw。4.線(xiàn)狀電熱元件直徑:電熱元件的直徑取決電熱體的功率、電壓、電阻率和表面負(fù)荷率d = 式中p 每根電熱元件的功率。14.0 kjw允 電熱元件的允許表面負(fù)荷 5.6 w / cm2。u 每根電熱元件的相電壓380 v；t 電熱元件的

21、電阻率；1.35 mm2 / m；故 d = =3.15mm取d=3mm5.每根電熱元件長(zhǎng)度l = = 34.3m取l=34m6.電熱元件總長(zhǎng)度l總 =3l = 3 34= 102 m7.每根電熱元件的重量g總 =式中 為電熱元件的密度，查資料確定為 7.4 g / cm3g總=5.22kg,8.電熱元件總質(zhì)量g總 =3 g= 3 5.22 = 15.66kg9.校驗(yàn)表面負(fù)荷 w實(shí) = p / d l = (14.0 103)/ ( 2.5 10-1 38 102 ) =4.69 w / cm2w實(shí)= 4.69 w / cm2 w允 =5.6 w / cm2，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。10.電熱元件在爐膛內(nèi)的布置 電熱體在爐膛內(nèi)應(yīng)該繞成螺旋形狀。這樣既能穩(wěn)定傳熱，又能節(jié)省空間。查表可得，螺旋節(jié)距h =（2 4)d才合理。螺旋節(jié)徑d=( 6 8 )d，本設(shè)計(jì)取d= 6 d，h=3.7d。d = 3d = 4 3 = 12 mmh = 4d =4 3= 12 mml=10熱處理電阻爐的功率分配在兩個(gè)側(cè)墻以及爐底，且平均分配，即在爐子的側(cè)墻及爐底各安裝兩組電熱體，。除去彎曲處占的位置。在每折的長(zhǎng)度為l1= 1879 50 = 1827mm。將每根電熱體分為四折，l折 = l/