劉東輝_熱處理設(shè)備_課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、北華航天工業(yè)學(xué)院熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告題目：650 C 90kg/h 的箱式電阻爐設(shè)計(jì)作者所在系部：材料工程系作者所在專業(yè)： 金屬材料作者所在班級(jí)：B08821作者姓名：東輝作者學(xué)號(hào)：20084082104指導(dǎo)教師：濤、志勇完成時(shí)間：2011-10-20熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課題名稱650 C 90 kg/h的箱式電阻爐設(shè)計(jì)完成時(shí)間2011-10-20指導(dǎo)教師志勇、濤職稱高工、講師 學(xué)生東輝班級(jí)B08821總體設(shè)計(jì)要求和技術(shù)要點(diǎn)總體設(shè)計(jì)要求：1.通過(guò)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生具有初步的設(shè)計(jì)思想和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力， 了解設(shè)計(jì)的一般方法和步驟。2.初步培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)基本技能，如爐型的選擇

2、、結(jié)構(gòu)尺寸 設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖、查閱手冊(cè)和設(shè)計(jì)資料，熟悉標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)等。3.使學(xué)生掌握設(shè)計(jì)熱處理設(shè)備的基本方法，能結(jié)合工程實(shí)際，選擇并設(shè)計(jì)常用熱處理設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)問(wèn)題的 嚴(yán)肅認(rèn)真和負(fù)責(zé)的態(tài)度。設(shè)計(jì)一臺(tái)熱處理箱式電阻爐，其技術(shù)要點(diǎn)為：1.用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火、調(diào)質(zhì)處理及回火。2. 工件：中小型零件，無(wú)定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；3. 最高工作溫度：w 650、750、850、950、1100C、1200C（選一個(gè)溫度）；4. 生產(chǎn)率：60-120kg/h （分7份）；5.生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)。工作谷及時(shí)間進(jìn)度安排1. 熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)備0.5

3、天2. 箱式電阻爐結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、選擇爐體材料、計(jì)算分配電阻爐加熱功率0.5 天3. 計(jì)算電熱元件尺寸、進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0.5天3. 核算設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)0.5天4. 繪制電阻爐總圖、電熱元件零件圖1.0天5. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)0.5天6. 設(shè)計(jì)總結(jié)0.5天7. 答辨1.0天課程設(shè)計(jì)成果1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是存檔文件，是設(shè)計(jì)的理論計(jì)算依據(jù)。說(shuō)明書(shū)的格式如下：（1）統(tǒng)一模板，正規(guī)書(shū)寫(xiě)；（2）說(shuō)明書(shū)的容及計(jì)算說(shuō)明項(xiàng)目：（a）、對(duì)設(shè)計(jì)課題的分析； （b）、設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程；（c）、爐子技術(shù)指標(biāo)；（d）、參考文獻(xiàn)。2、 設(shè)計(jì)圖紙：（1）電阻爐總圖一（A）,要求如下：（a）、圖面清晰，比例正確；（

4、b）、尺寸 及其標(biāo)注方法正確；（c）、視圖、剖視圖完整正確；（d）、注出必要的技術(shù)條件。（2）零件 圖3:電熱元件零件圖，爐門(mén)圖，爐襯圖（幾）。3、使用說(shuō)明書(shū)：電阻爐的技術(shù)規(guī)及注意事項(xiàng)等。容摘要650 C 90kg/h的箱式電阻爐的設(shè)計(jì)。包括爐型的選擇、選擇爐體材料、 箱式電阻爐結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算、計(jì)算分配電阻爐加熱功率、計(jì)算電熱元件尺寸、 核算設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、繪圖（電阻爐總圖一，電熱元件零件圖，爐門(mén)圖，爐 襯圖）。關(guān)鍵詞：箱式電阻爐、爐襯材料、砌體結(jié)構(gòu)、電熱元件、熱處理爐、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)目錄1前言 51.1本設(shè)計(jì)的目的 51.2本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 52設(shè)計(jì)說(shuō)明 62.1確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸 62.

5、1.1 爐底面積的確定 6確定爐膛尺寸 6爐襯材料及厚度的確定 62.2砌體平均表面積計(jì)算 72.2.1 爐頂平均面積 72.2.2 爐墻平均面積 7爐底平均面積 72.3根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率 72.3.1 加熱工件所需的熱量Q件 7通過(guò)爐襯的散熱損失Q散 8開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失 9開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失 10其它熱損失 10熱量總支出 10爐子安裝功率 102.4爐子熱效率計(jì)算 112.4.1 正常工作時(shí)的效率 112.4.2 在保溫階段，關(guān)閉時(shí)的效率 112.5爐子空載功率計(jì)算 112.6空爐升溫時(shí)間計(jì)算 112.6.1 爐墻及爐頂蓄熱 11爐底蓄熱計(jì)算 12爐底板蓄熱 132.7功率的分配

6、與接線 132.8電熱元件材料選擇及計(jì)算 132.8.1 圖表法 132.8.2 理論計(jì)算法 132.9爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌） 153 參考文獻(xiàn)本設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)650C 90kg/h的箱式電阻爐本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：(1) .用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火、調(diào)質(zhì)處理及回 火。(2) .工件：中小型零件，無(wú)定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；(3) .最高工作溫度：650C;(4) .生產(chǎn)率：90kg/h ;(5) .生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)說(shuō)明2.1確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸2.1.1 爐底面積的確定因無(wú)定型產(chǎn)品，故不能使用實(shí)際排料法確定

7、爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。爐子 的生產(chǎn)率為 P=90,按表5-1選擇箱式爐用于正火和淬火時(shí)的單位面積生產(chǎn)率Po為2120kg/(m h)。故可求的爐底的有效面積2F1=P/Po=O.75 m由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F/Fo=O.780.85，取系數(shù)上限，得爐底實(shí)際面積F=F1/0.85=0.88m22.1.2 確定爐膛尺寸由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮裝、出料方便，取L/B=2，因此，可求的：L= ,F / 0. 5=1.328 mB=L/2=0.664 m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.392 m B=0.680 m按統(tǒng)計(jì)資料，爐膛高度H與寬度B之比H/B通常在0.5

8、0.9之間，根據(jù)爐子的工作 條件，取H/B=0.7左右。則H=0.490 m可以確定爐膛尺寸如下L=(230+2)X 6=1392 mmB=(120+2)X 3 + (40+2) X 2+ (113+2)X 2=680 mmH=(65+2)X 7+21=490 mm確定為避免工件與爐壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛壁之間有一定 空間，確定工作室有效尺寸為L(zhǎng) 效=1200 mm B 效=500 mm H 效=350 mmF壁=2X (L X H)+(L X B)+2(B X H)+2X 3.14 X BX 1/6 X L= 3.97m2由經(jīng)驗(yàn)公式可知：P安=Ct -0.5 升 F0.9 (

9、t/1000) 1.55取式中系數(shù) C=30(kM -h 0.5)/(m 1.8C 1.55):,空爐升溫時(shí)間假定為t升=4h，爐溫t=6 50 C。所以 P 安=30 X4-0.5 X 3.970.9 X( 650/1000) 1.55 =26.61 kW暫取 P 安=30kW爐襯材料及厚度的確定由于側(cè)墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚+ 50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+ 113mm級(jí)硅藻土磚。爐頂采用113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚+ 80mm密度為250kg/ m3的普通硅酸鋁纖維氈 + 115mn膨脹珍珠巖爐底采用三層QN-

10、 1.0輕質(zhì)粘土磚(67X 3) mm 50mnt勺普通硅酸鋁纖維氈+ 182mmB 級(jí)硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門(mén)用65mm Q-1.0輕質(zhì)粘土磚+ 80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+ 65mmA硅藻土磚。爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚，電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mr-N耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm2.2砌體平均表面積計(jì)算L 外=L+2X (115+ 50+115)=1950 mmB 外=B+2X (115+ 50+115)=1240 mmH 外=H+f+(115+80+115)+67 X 4+50+182=1390 mmR= B

11、,則f可由f = R式中：f二一一拱頂高度，此爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑 (1 cos30°)求得。2.2.1 爐頂平均面積F頂=X L=3. 140.6806X 1.392=0.991m22 F頂外=B外XL外=| 2F頂均=.F頂內(nèi)F頂夕卜=1.31 m2.2.2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(mén)包括在前墻。F 墻=2LH+ 2BHh2H ( L+ B)= 2X 0. 490X (1. 392+0.680)=2. m 22F 墻外=2H外(L 外 + B外) = 2X 1.390 X( 1.950+1.240)=8.868 m| 2F墻均=：

12、.F墻內(nèi)F墻外=4.24 m2.2.3爐底平均面積2F 底=BX L= 0.680 X 1.392= 0.947 m2F底外=B外XL 外=1.240 X 1.950=2.418 mF底均=、F底內(nèi)F底外=1.51 m22.3根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率加熱工件所需的熱量Q件查表得，工件在 650r及20r時(shí)比熱容分別為 c件2= 1.051 kJ/(kgC)，c件戶0.486kJ/(kgC)0件=p(c 件 2t 1 c 件 1t 0) = 90X( 1. X 650 0.486 X 20) = 60609 kJ/h通過(guò)爐襯的散熱損失Q散由于爐子側(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)

13、算，將爐門(mén)也包 括在前墻。根據(jù)式t 1 - t n 1 Q 散= n s"iiFit' 2 墻=540 C，t' 3墻= 320 C，對(duì)于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度, t' 4 墻=60 °C 則耐火層S1的平均溫度tsi均=6505402=595 C，硅酸鋁纖維層S2的平均溫度ts2 ±勻=540320二430C，硅藻土磚層S3的平均溫度ts3均二32060二190C，S1、S3層爐襯的2 2熱導(dǎo)率由附表3得入 1 = 0.29+0.256 X 10-3ts1 均=0.442W/(mC)入 3 = 0.131+0.23 X

14、10-3ts3均=0.175W/(m-C)普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由附表4查得，在與給定溫度相差較小圍近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由ts2土勻二430C，得入 2 = 0.098 W/(mC)當(dāng)爐殼溫度為60 C，室溫為20 C時(shí)，由附表2近似計(jì)算得a 12.17 W/(m -C)(1) 求熱流tg taq墻=魚(yú)魚(yú)魚(yú)丄123 a_650 20_ 0. 1150. 050. 11510.4420.0980. 17512. 17_ 417.3W/ m2(2) 驗(yàn)算交界面上的溫度 t 2墻,t 3墻12 墻二11 q 墻_ 541.4 Ct墻t2墻't2墻'541.4540_ 0

15、.26%540 <5%滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。t 3墻=上2墻一q 墻= 328.2 C=32&2 320 = 2.6%t3 墻'320 <5%滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。(3) 驗(yàn)算爐殼溫度t4墻14墻=t3墻一q 墻 S = 54.0 C <70C滿足一般熱處理電阻爐表面升溫<50C的要求。(4)計(jì)算爐墻散熱損失Q 墻散=q墻，F(xiàn)墻均= 417.3 X 4.24 = 1769.4 W同理可以求得頂=256.9 W/ m22底=298.1 W/ mt2頂=583.9 °C, t 3頂=374.2 °C, t 4頂=38.5 °

16、C, q 12底=508.8 C , t 3底=356.7 C , t 4底=50.3 C , q爐頂通過(guò)爐襯散熱Q 頂散=q頂F頂均=336.5 W爐底通過(guò)爐襯散熱Q底散=q底F底均=450.1 W整個(gè)爐體散熱損失Q散=Q墻散+ Q頂散+ Q底散=2556 W 開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失設(shè)裝出料所需時(shí)間為每小時(shí)6分鐘0輻=3.6 X 5.675F ©S t（耳）4因?yàn)?Tg= 650+ 273= 923K, Ta= 20+ 273= 293K,由于正常工作時(shí)，爐門(mén)開(kāi)啟高度為爐膛高度的一半，故H0 4902爐門(mén)開(kāi)啟面積 F = BX = 0.680 X= 0.167 m2爐門(mén)開(kāi)啟率S t

17、= = 0.1由于爐門(mén)開(kāi)啟后，輻射口為矩形，且 H與B之比為0.36，爐門(mén)開(kāi)啟高度與爐墻厚度之比為0 245斶=。.88，由圖1- 14第1條線查得。.66，故Q 輻=3.6 X 5.675F ©S t（匹）4-（衛(wèi)）4=3.6 X 5.675 X 0.1 67X 0.1 X 0.6 6X （竺）4-（ 一 ） 4100=1617.7kJ/h開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失溢氣熱損失由下式得溢=qva p aCa（tg t a） St其中，qva= 1997B- H1.5安=86397.53600=36.0kW=1997X 0. 680X 0. 245X 0. 245 =164.7m3/h冷空氣密

18、度 p a= 1.29kg/ m 3,由附表 10 得 Ca = 1.342kJ/（ m3C ）,t a=2°C , t ' g 為溢氣溫 度，近似認(rèn)為 t' g= t a+ （t g-t a） = 20+ （650-20）=440 C0溢=qvap aCa（t ' g t a） S t = 164.7 X 1.29 X 1.342 X（440 20） X 0.1 = 其它熱損失其它熱損失約為上述熱損失之和的10%- 20%故Q它=0.13（Q 件+Q散+Q輻+Q溢）=9939.5 kJ/h熱量總支出其中0輔=0, Q控=0,由下式得Q總=0件+0 輔+Q空+

19、Q 散+Q 輻+Q 溢 + Q 它=86397.5 kJ/h2.3.7爐子安裝功率p安=KQ總其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.5，則與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為 35kW2.4爐子熱效率計(jì)算241正常工作時(shí)的效率=60609/86397.5 =70.2%在保溫階段，關(guān)閉時(shí)的效率Q件(Q輻=83.2%Q溢)2.5爐子空載功率計(jì)算Q散 Q 它 25569939.5=3.5 kW空=36002.6空爐升溫時(shí)間計(jì)算由于所設(shè)計(jì)爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐子側(cè)墻 和前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，因升溫時(shí)爐底 板也隨爐升溫，也要計(jì)算在。

20、爐墻及爐頂蓄熱S = 2X 1. 392X( 10X 0.067+0.135) X 0.115=0. 258吊VT后=2X (0. 680+0.115 X 2) X (1 5X 0.067+0.135) X 0.115=0. 239miS = 0.97 X (1. 392+0.276) X 0.115=0. 186用 也=2X (1. 392+0.115) X( 10X 0.067+0.135) X 0.05=0. 121吊 也后=2X (0. 680+0.115 X 2) X (1 5X 0.067+0.135) X 0.05= 0.104m3 也=1. X (1. 392+0.276) X

21、 0.08=0. 143用£ = 2X (1 0X 0.067+0.135) X (1. 392+0.115) X 0.115=0. 279ni后二2X 1.240 X (1 5X 0.067+0.135) X 0.115=0. 325用V珍 1.950 X 1.240X 0.115=0. 278 m30蓄=V粘p粘c粘(t粘一 to)+V纖p纖c纖(t纖一t 0)+ V 硅p硅c硅(t硅一 t 0)650541 4因?yàn)?t 粘=(t1 +12 墻)/2 = = 595.7 °C2查附表3得c 粘=0.84+0.26 X 10-3t 粘=0.84+0.26 X 10-3X

22、595.7=0.995 kJ/(kg C)t纖=(t2墻+13墻)12 = 541.4328. 2 = 434.8 C2查附表3得33c纖=0.81+0.28 x 10-t 纖=0.81+0.28 x 10- X 434.8=0.932 kJ/(kg C)t 硅=(t3 墻+14 墻)/2 = 3_8 50 = 191.1 c2查附表3得c硅=0.84+0.25 x 10-3t 硅=0.84+0.25 x 10-3X 191.1=0.888 kJ/(kg C)所以得纖C纖（t纖一 t 0）+Q蓄1= （V側(cè)+ V前后+ V頂）p粘c粘（t粘一10）+（V側(cè)+ V前后+ V頂）p （V 硅 +

23、V硅 后 + V頂）p 硅 c 硅（t 硅一t°）=493808 kJ/h爐底蓄熱計(jì)算V4 X (0.02 X 0.12+0.113 X 0.065)+(0.04 X 2) X 0.113+(0.113 X 0.120) X 2 X 1.3 92+(1.240- 0.115 X 2) X( 1.950- 0.115) X 0.0653=0.225m1.950 X 1.240 X 0.05 = 0.121m3Vl= 1.950 X 1.240X 0.182 = 0.440m3 由于 t 底=(t1 +12 底)/2 = (650+508.8)/2 = 579.4 C 查附表3得c 底

24、= 0.84+0.26 X 10-3t底= 0.991 kJ/(kg C)底t纖=(t2底 + ta底)/2 = (508.8+356.7)/2 = 432.8 C查附表3得c 底 = 0.81+0.28 X 10-3t纖=0.931kJ/(kg C)t硅=(t3底 +14底)/2 = (356.7+50.3)/2 = 203.5 C查附表3得c 底 = 0.84+0.25 X 10-3t底= 0.891 kJ/(kg C)所以得Q底二0.225 X 1.0 X 103 X 0.991 X( 579.4-20)+0.121 X 0.25 X 103 X 0.9 31 X( 432.8-20)0

25、.440 X 0.5 X 103 X 0. 891 X (2 03.5-20)=172327 kJ/h爐底板蓄熱根據(jù)附表6查得650r和20r時(shí)高合金鋼的比熱容分別為 c板2= 0.875 kJ/(kgC)和c板1 = 0.473kJ/(kg C)。經(jīng)計(jì)算爐底板重量 G=180kg所以有Q板= G(c 板2t1- c 板 1t 0)=180 X (0. 875X 650-9.46) = 100672.2 kJ/hQ 蓄=0蓄 1 + C蓄 + d= 766807 kJ/h空爐升溫時(shí)間Q蓄t 升=一 =6.1hP安對(duì)于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在 38小時(shí)均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合要求。因 計(jì)算

26、蓄熱時(shí)是按穩(wěn)定態(tài)計(jì)算的，誤差大，時(shí)間偏長(zhǎng)，實(shí)際空爐升溫時(shí)間應(yīng)在4小時(shí)以。2.7功率的分配與接線35kW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y、或YY 接線。供電電壓為車(chē)間動(dòng)力380V。核算爐膛布置電熱元件壁表面負(fù)荷，對(duì)于周期式作業(yè)爐，壁表面負(fù)荷應(yīng)在1535kW/ va 之間，常用為2025 kW/ m2之間。2F電=2F 電側(cè) + F 電底=2X 1.392X 0. 490+1.392 X 0. 680=2.31 mW= P安/F 電=35/2. 31 = 15.2kW/ m2故符合設(shè)計(jì)要求。2.8電熱元件材料選擇及計(jì)算由最高使用溫度650C，選用線狀0Cr25AI15合金電熱元件，接線方式采用

27、 丫。圖表法由附表15查得0Cr25AI1電熱元件35kW箱式爐Y接線，直徑d= 4.8mm時(shí)，其表面 負(fù)荷為1.56W/ cm。每組兀件長(zhǎng)度1組=49.6m,總長(zhǎng)度1總=148.8m,兀件總重量6總=19.1kg。理論計(jì)算法1、 求650C時(shí)電熱元件的電阻率 p t當(dāng)爐溫為650C時(shí)，電熱元件溫度取1100C，由附表12查得0Cr25AI5在20C時(shí) 電阻率p 20= 1.40mrm，電阻溫度系數(shù)a= 4X 10-5C-1,則1100C下的電熱元件電阻率為 p t =p 20(1+ a t)= 1.40 X (1+4 X 10-5 X 1100)= 1.46 mrf/m2、確定電熱元件表面功率由圖5-3,根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取 Wt= 1.6W/ cm23、每組電熱元件功率由于采用丫接法，即三相雙星形接法，每組元件功率P組=35/n=35/3 = 11.7 kW4、每組電熱元件端電壓由于采用丫丫接法，車(chē)間動(dòng)力電網(wǎng)電壓為 380V,故每組電熱元件端電壓即為每項(xiàng) 電壓U 組=