熱工過程與設(shè)備課設(shè)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)熱工過程與設(shè)備 課程設(shè)計(jì)（說明書）題目：箱式熱處理電阻爐設(shè)計(jì)院（系）：專業(yè)班級(jí)：材料科學(xué)與工程學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：2014-12-152014-12-28課程設(shè)計(jì)任務(wù)及評(píng)語院（系）： 教研室：材料教研室學(xué) 號(hào)姓 名專業(yè)班級(jí)材料科學(xué)與工程課程設(shè)計(jì)題目箱式熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)生產(chǎn)率360 kg / h，額定工作溫度900，爐底強(qiáng)度100 kg / m·h；爐底強(qiáng)度系數(shù)0.81；蛭石保溫材料課程設(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)算爐子熱效率(6) 計(jì)算爐子空載功率(

2、7) 計(jì)算空爐升溫時(shí)間(8) 功率分配與接線(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、編輯、排版、修改設(shè)計(jì)說明書。 4天（7）考核、答辯。 1天指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 學(xué)生簽字： 年 月 日遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程

3、 設(shè) 計(jì) 說 明 書目 錄目 錄i1 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65 爐子熱效率計(jì)算96 爐子空載功率計(jì)算97 空爐升溫時(shí)間計(jì)算108 電熱元件材料選擇及計(jì)算119 電熱體元件圖1310 電阻爐裝配圖1411 電阻爐技術(shù)指標(biāo)15參考文獻(xiàn)1616設(shè)計(jì)任務(wù)：為某廠設(shè)計(jì)一臺(tái)井式熱處理電阻爐，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)桿類零件，無定型產(chǎn)品，小批量，多品種。(2) 生產(chǎn)率：360 kg / h。(3) 額定工作溫度：90

4、0 。(4) 生產(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)工件的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)任務(wù)的要求及產(chǎn)量大小選擇高溫箱式爐。由于小批量生產(chǎn)，品種多操作方便，容易準(zhǔn)確控制溫度，爐膛溫度分布均勻，便于使用控制氣氛，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化操作和工藝穩(wěn)定的要求擬選用箱式熱處理電阻爐，不通保護(hù)氣氛。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

5、指標(biāo)法。根據(jù)已知的生產(chǎn)率p為360 kg / h，爐底強(qiáng)度h為100 kg/m2·h，故可求得爐底有效面積f1 = p / h = 360 / 100 = 3.6 m2式中 f1 爐底有效面積，m2；p 爐子生產(chǎn)率，kg / h。本設(shè)計(jì)給定的生產(chǎn)率為360 kg / h；h 爐底強(qiáng)度，kg /（m·h），因?yàn)橛行娣e與爐底實(shí)際面積存在關(guān)系式k = f1 / f = 0.81，得爐底實(shí)際面積f = f1 / 0.81= 3.6 / 0.81 = 4.40 m22.2 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

6、.57 由爐底寬度公式 b = 得 b = = 1.7m根據(jù)爐膛高度h與寬度b之比h / b = 0.85，可以知道h = 1.7 × 0.85= 1.45m。因此，可以確定爐膛尺寸如下 l= 2570mm b=1700mm h=1450 mm為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為l效= 2600 mm b效= 1800 mm h效= 1500 mm2.3 爐襯材料及厚度的確定中溫溫箱式爐爐墻選取二層材料，分別為輕質(zhì)粘土磚，蛭石。輕質(zhì)粘土磚，密度2.0 g / cm2，導(dǎo)熱系數(shù)= 0.29+ 2.6 × 10-4t

7、，厚度 115 mm。蛭石，密度0.2 g / cm2，導(dǎo)熱系數(shù)= 0.07 + 2 × 10-4 t ，厚度 210 mm。爐襯包括爐墻、爐底和爐頂三部分。依次計(jì)算爐墻，爐底，爐頂。1.爐墻對(duì)于高溫爐，爐墻要求有較高的耐壓強(qiáng)度或承受沖擊負(fù)荷，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及耐火磚尺寸，耐火層可選用一層輕質(zhì)粘土磚，厚度為115mm。保溫層選用膨脹蛭石，其厚度需經(jīng)計(jì)算確定，初步選取厚度為210 mm。爐墻內(nèi)表面溫度t0即為爐子的額定工作溫度900。假定界面溫度t1為800 ，爐殼溫度t3為50，即t0 =900 ，t1 = 800 ，t2 = 50,t3= 20則有：輕質(zhì)粘土層s1的平均溫度為： t1均 =

8、 = = 850 蛭石層s2的平均溫度為： t2均 = = = 425 s1、s2層爐襯的熱導(dǎo)系數(shù)公式為1均 = 0.29+ 0.26 × 10-3 × t1均 = 0.29+ 0.26 ×10-3 × 850 = 0.511千卡/ (米2·時(shí)·)2均 = 0.07 + 0.20× 10-3 × t2均 = 0.07 + 0.20 ×10-3 × 425 = 0.1805千卡/ (米2·時(shí)·) (1) 熱流q： q墻 =210115= = 611千卡/米2·時(shí)。（2

9、）計(jì)算交界面上的溫度t1、 t2 由 t1'= t0 q s1 / 1均 得 t1' = 900 611 × 0.115 / 0.511=762 驗(yàn)算界面溫度 （t1' t1）/ t1'×100=（762 800）/762×100 =-4.65 % < 5 % ，結(jié)果合理，不需要重新假設(shè)界面溫度。 t2'= 900 611× 0.21/0.18 = 51 驗(yàn)算界面溫度（t2' t2）/ t2'×100=（51 50）/ 21×100 =1.96% < 5% ，結(jié)果合理

10、，不需要重新假設(shè)界面溫度。故確定保溫層厚度為210 mm。2.爐底爐底在高溫下承受工件的壓力，裝出料時(shí)常受到弓箭的沖擊或磨損，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，上面在鋪幾層蛭石或輕質(zhì)磚，再往上為耐火磚。本設(shè)計(jì)爐底厚度為415mm，分別為：爐底采用耐火層210mm，材料為輕質(zhì)粘土磚，中間層厚度為65 mm,材料為輕質(zhì)粘土磚，絕熱層厚度為115 mm，材料蛭石土磚，爐底板材料選用cr3si耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，厚25 mm。3.爐頂由于側(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)

11、構(gòu)，即兩層：耐火層厚度115mm輕質(zhì)粘土磚，保溫層厚度為210 mm，材料為膨脹蛭石。爐膛寬度小于400 600 mm的小型電阻爐，可采用平頂。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 ×(115+210) =2600+2×325=3250mmb外= b + 2 ×(115+ 210)=1800+650=2450 mm h外= h + f + 415+ 1

12、15 + 150 = 2420mmf = r ( 1 cos 30° ) = 240 mm 式中 f 拱頂高度，此爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，則拱弧半徑尺 r = b = 1800 mm1.爐頂平均面積爐頂平均面積由爐內(nèi)的拱形頂面積與爐頂外部的平面共同求得f頂內(nèi)=（2 r / 6）× l=（2 × 3.14 ×1.8 / 6）×2.6= 4.898m2 f頂外= b外 × l外 = 3.25× 2.45 = 7.96 m2 f頂均= = =6.24m22.爐墻平均面積爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門包括在前墻

13、內(nèi)。計(jì)算墻內(nèi)的面積與墻外的面積求得平均面積。f墻內(nèi)= 2 lh+ 2 bh= 2 × 2.6 × 1.5+ 2 × 1.8 × 1.5 = 13.2m2 f墻外= 2 h外（l外+b外）= 2 × 2.42 ×(3.25 + 2.45)= 27.6 m2f墻均= = 19.1 m23.爐底平均面積爐底是由115 mm的蛭石，65 mm厚的輕質(zhì)粘土磚，210mm厚的隔熱材料，爐底長(zhǎng)寬為爐底外實(shí)際長(zhǎng)寬，爐內(nèi)長(zhǎng)寬為爐膛長(zhǎng)寬f底內(nèi)= b × l= 1.8 ×2.6= 4.68 m2f底外= b外 × l外=2.4

14、5 × 3.25 = 7.9625m2f底均= = 6.1 m2 2420 爐襯結(jié)構(gòu)圖見圖1。3250 蛭石 輕質(zhì)粘土磚 圖1 爐襯結(jié)構(gòu)圖24504 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程中作用在零件上的有效的熱

15、量q件 = g (c2 t2 cl t1 ) 式中 g 爐子生產(chǎn)率；g = 360 kg / h。c2 工件在額定工作溫度（即900 ）時(shí)的熱容；c2 = 0.682kj / kg·。cl 工件在常溫（20）時(shí)的熱容；cl = 0.404 kj / kg·。t2 爐子的額定溫度（即900）；t1 室溫溫度，取0 。 則 q件 = g (c2 t2 cl t1 )= 200× (0.682 ×900） =122760kj / h 2加熱輔助工具夾所需的熱量q輔 輔助工具為料盤，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)

16、算。 q輔 = g輔 (c2 t2 cl t1 ) / 式中 g輔 輔助工夾具的重量（kg）；t1、t2 輔助工夾具加熱前和加熱后的溫度（）t1 = 0，t2 = 900。cl、c2 輔助工夾具在t1和t2時(shí)的平均比熱（kj / kg·）；cl = 0.404kj / kg· c2 = 0.678kj / kg·。 輔助工夾具的加熱時(shí)間（h），一般情況下它與工件的加熱時(shí)間相同；取 = 4。g輔 = g輔 (c2 t2 cl t1 ) / =0.05×g件×c2 t2= 0.05×400×0.682×900 =673

17、8kj 3.通過爐襯的散熱損失q散高溫電阻爐爐襯厚度為兩層，通過側(cè)墻與前后墻散失的熱量也要考慮在總體熱量之內(nèi)，由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。 q散= a × 3.6（t1 t0）/（s1 / 1+ s2 / 2 + 1 / ) 式中a 爐襯的散熱面積（m2） t1 爐膛內(nèi)壁溫度（），一般可用保溫階段的爐溫代替。 t1 =600 。 t0 爐外車間空氣溫度（），可取20 。 s1、s2、耐火層和保溫層的厚度。 1、2、耐火層和保溫層材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)。其數(shù)值為1均 = 0.29+ 0.26 × 10-3 × t1

18、均 = 0.29+ 0.26 ×10-3 × 850 = 0.511千卡/ (米2·時(shí)·)2均 = 0.07 + 0.20× 10-3 × t2均 = 0.07 + 0.20 ×10-3 × 425 = 0.1805千卡/ (米2·時(shí)·) 當(dāng)爐殼溫度為50，室溫為20時(shí)，由參考文獻(xiàn)得1 / = 0.05 w / (m2·)因?yàn)閍=(h + f ) l爐+（h + f ）b爐 + l爐b爐 × 2 =22.56 m2 所以q散 =a× 3.6（t1 t0）/（s1 /

19、 1+ s2 / 2 +1 / ) = 22.56× 3.6（900 20）/（+ + 0.05) =13784 kj4.通過開啟爐門的輻射熱損失q輻當(dāng)夾取工件的時(shí)候，需要開啟爐門，當(dāng)開啟爐門的同時(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 爐門開啟面積（m2）； 遮蔽系數(shù)，取0.7； 爐門開啟時(shí)間比率取0.1。由于正常工作時(shí)，爐門開啟高度的一半，爐門開啟面積a= b ×= 1.8×(1.5 / 2 )= 2.7m2q輻 = 5.67 a × &#

20、215; × 3.6 = 5.67 × × 2.7× 0.88× 0.1 × 3.6 = 91420k j / h 5.通過開啟爐門的溢氣熱損失q溢當(dāng)爐門開啟的時(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 1 t2 ) × = 7275 × 0.46 × 900 × 0.1=301185（kj / h）式中 t1 室溫溫度，取0。t2 爐子內(nèi)熱空氣溫度；v 進(jìn)入爐內(nèi)的冷空氣量（m3 / h）；c 空氣在溫度之間的平均比熱k

21、j / m3·；為0.46 kj / m3·。對(duì)于電阻爐，v可以按下式近似計(jì)算v = 2200·b·= 2200 × 1.8×1.5 ×= 7275m3 / h式中 b 爐門的寬度（m）； h 爐門的開啟高度（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 % 100%或者總熱損失的10 %，本次計(jì)算選取q它= 70 % q散q它 = 0.7 q散 = 0.7×13784=9648.8k

22、j / h7.總熱量支出q總總的熱支出包括q件 ，q輔 ， q散 ，q損 ， q溢 ， q它 。計(jì)算出總的熱支出 q總 = q件 + q輔 + q散 + q損 + q溢 + q它 = 122760+6738+13784+91420+301185+9648.8q總= 545536 kj / h 8. 熱功率p總將熱量轉(zhuǎn)換為功率，通過轉(zhuǎn)換系數(shù)將兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)變。p總 = q總 / 3600 = 5445536 / 3600 = 152kw 從熱平衡的觀點(diǎn)來看，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

23、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1.4，故p = 1.4× 152=212.8kw 取213kw。5 爐子熱效率計(jì)算單位時(shí)間加熱工件能力的稱為熱效率，熱效率越大，爐子的利用率越大，熱效率過小說明爐子設(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。1.正常工作時(shí)的效率：正常工作時(shí)的效率指的是在工件在爐內(nèi)加熱時(shí)的效率 = = 122760 / 545536 × 100 %= 22.5 %2.在保溫階段，關(guān)閉爐門時(shí)的效率保溫階段的熱效率，在工件加熱到要求溫度之后，保溫的時(shí)間內(nèi)爐子的熱效率。 = q

24、件 / q總 （q輻 + q溢 ）× 100 % = 122760 / 545536-91420-301185× 100 %= 80.36 爐子空載功率計(jì)算空載功率是指在沒有工件加入爐內(nèi)的時(shí)候，將爐內(nèi)溫度提升到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度時(shí)的功率 p空 = = = 6.51 kw7 空爐升溫時(shí)間計(jì)算不同耐火成，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)高溫爐有兩層層砌體，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。 v1=2.6+2&#

25、215;(0.115+0.210)×1.8+2(0.115+0.21)×(1.5+0.4)+2×(0.115+0.21) =(2.6+0.65）×（1.8+0.65）×（1.74+0.65） =19m3 v2 =（2.6+2×0.115）×（1.8+2×0.115）×（1.74+2×0.115） =11m3 v3 =2.6×1.8×（1.5+0.24）=8m3 va=v2v3=118=2 vb= v1v2 =1911=8因?yàn)閠粘 =(t1 + t2) / 2=(900 + 7

26、62)/ 2=831 t蛭石=( t1 + t3) / 2=（762 + 51）/ 2= 406.5 由參考文獻(xiàn)查得c粘 = 0.836kj /(kg·)粘 = 1000kg / m3由參考文獻(xiàn)查得c蛭石 = 0.23 kj / (kg·)蛭石 = 100kg / m3由公式 q蓄 =v硅藻土c硅藻土硅藻土 v輕質(zhì)粘c粘 粘可得爐墻及爐頂和爐底蓄熱如下： q蓄 =v硅藻土c硅藻土硅藻土 v輕質(zhì)粘c粘 粘=8×550×0.23×100+2×1000×0.836×1000 =1492277kj3.空爐升溫時(shí)間空爐升溫時(shí)

27、間是指，在沒有工件的情況下，將電阻爐加熱到額定工作溫度的時(shí)間。升= q蓄 / 3600 kp總 = 1492277/ 3600 ×152 = 3h 對(duì)于一般周期作業(yè)爐升溫時(shí)間在3 8小時(shí)左右，所設(shè)計(jì)的爐子升溫時(shí)間符合要求。由于蓄熱是按穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)計(jì)算的，有誤差存在，故本設(shè)計(jì)實(shí)際升溫時(shí)間取是3小時(shí)左右。8 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，來源容易成本低。由于該熱處理爐的最高使用溫度為900，屬于中溫箱式爐，故選用線狀0cr27a

28、l7mo2合金作電熱元件，接線方式采用yy。1.求900時(shí)電熱元件的電阻率當(dāng)爐溫為900 時(shí)，電熱元件溫度取1000 ，經(jīng)查得0cr27al7mo2在20 時(shí)電阻率0 = 1.26 ·mm2 / m，電阻溫度系數(shù) = 3 × 10-5 -1。t = 0( 1 + t)=1.26 ×(1+3 × 10-5 ×900 )=1.395·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型和封閉型兩種。由參考文獻(xiàn)w = 9w / cm2。3.每組電熱元件功由于采用yy接法，即三相星形接法，每組元件功率：p組=

29、p安 / n = 152 / 9=16.9kw。4.每組電熱元件端電壓由于采用yy接法，工作電壓為380 v，故每組電熱元件端為每相電壓u組 =220 v電壓即為每相電壓u組 = = 220 v。 5.線狀電熱元件直徑:電熱元件的直徑取決電熱體的受熱能力，各相的功率，額定電壓以及材料的電阻率有關(guān)系d = 34.3 × = 34.3 × = 13mm 式中p 每根電熱元件的功率。（kj）w允 電熱元件的允許表面負(fù)荷（w / cm2）；經(jīng)查表確定為1.6。u 每根電熱元件的相電壓（v）；t 電熱元件的電阻率；（·mm2 / m）；6.每組電熱元件長(zhǎng)度l組= 0.785 × l0-3(u組2d2 / p組t) = 0.785 × l0-3 = 11m 取11 m電熱元件