熱處理箱式電阻爐的設(shè)計

1、遼 寧 x x 大 學(xué) 熱工過程與設(shè)備 課程設(shè)計題目：熱處理箱式電阻爐的設(shè)計（生產(chǎn)率150kg/h，功率39kw，工作溫度600）院（系）：X X專業(yè)班級：X X學(xué)號：X X學(xué)生姓名：X X指導(dǎo)教師：X X起止時間：X X課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院 教研室：材料教研室學(xué) 號X X學(xué)生姓名X X專業(yè)班級X X課程設(shè)計（論 文）題 目熱處理箱式電阻爐的設(shè)計生產(chǎn)率150g/h，功率39kw，工作溫度600課程設(shè)計（論文）要求與任務(wù)一、課設(shè)要求熟悉設(shè)計題目，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成箱式電阻爐的設(shè)計。二、課設(shè)任務(wù)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計熱處理箱式電阻爐，生產(chǎn)率150kg/h，功率39kw

2、，工作溫度600。1、爐型選擇；2、確定爐體結(jié)構(gòu)與尺寸；3、砌體平均表面積設(shè)計；4、計算爐子功率；5、爐子熱效率計算；6、爐子空載功率計算；7、空爐升溫時間計算8、功率分配與接線；9、電熱元件材料選擇與計算；10、電熱體元件圖；11、電阻爐裝配圖；12、爐子技術(shù)指標(biāo)；13、參考文獻(xiàn)。三、設(shè)計說明書要求設(shè)計說明書結(jié)構(gòu)見設(shè)備設(shè)計模板。工作計劃1設(shè)計方案確定，1天；2確定爐體結(jié)構(gòu)尺寸、熱效率、空爐升溫時間、功率分配和電熱元件等的計算，5天；3繪制電熱元件圖和電阻爐草圖，書寫整理打印設(shè)計說明書，3天；4設(shè)計驗(yàn)收及答辯，1天。指導(dǎo)教師評語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 學(xué)生簽字： 年 月 日目 錄一、爐型

3、的選擇2二、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸2三、砌體平均表面積設(shè)計4四、計算爐子功率5五、爐子熱效率計算7六、爐子空載功率計算7七、空爐升溫時間計算7八、功率分配與接線9九、電熱元件材料選擇與計算9十、電熱體元件圖11十一、電阻爐裝配圖11十二、爐子技術(shù)指標(biāo)11參考文獻(xiàn)12設(shè)計任務(wù)：為某廠設(shè)計一臺熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：(1)用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的退火，處理對象為中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；(2)生產(chǎn)率：150kg/ h； (3)工作溫度：最高使用溫度600；(4)生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。一、爐型的選擇根據(jù)工件的特點(diǎn)與設(shè)計任務(wù)的要求及產(chǎn)量大小選擇合適

4、的爐型。由于小批量生產(chǎn)，品種多和工藝穩(wěn)定的要求擬選用箱式熱處理電阻爐，不通保護(hù)氣氛。二、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸1爐底面積的確定爐底面積的計算方法有兩種。一種是根據(jù)一次裝料量計算，另一種是根據(jù)爐底強(qiáng)度指標(biāo)計算1。因工件的加熱周期和裝爐量不明確，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。已知生產(chǎn)率為150kg/h，按表511選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率p0為120kg/(m2·h)，故可求得爐底有效面積F=p/p0=150/120=1.25m2由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F/F1=0.750.85，取系數(shù)上限0.85，得到爐底實(shí)際面積： F=F/0.85=

5、 1.25/0.85=1.47m22爐底長度和寬度的確定對于熱處理箱式電阻爐，設(shè)計時考慮裝出料的方便，根據(jù)長度與寬度之比，取L/B=2:1，因此，可求得爐底寬度 L=2.059m B=L2=2.0592=1.030m 為方便砌磚L=2205mm B=1048mm3爐膛高度的確定根據(jù)統(tǒng)計的資料，爐膛高度（H）對爐底寬度（B）之比HB通常在05209之間，大多數(shù)在0.8左右，根據(jù)爐子工作條件，取HB=0.7左右，選定爐膛高度H=707mm。因此，確定爐膛尺寸如下長 L=(230+2)×9+(230/2+2)=2205mm寬 B=(120+2)×5+(50+2)×4+(

6、113+2)×2=1048mm高 H=(65+2)×10+37=707mm為防止工件與爐內(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，在一般情況下，要保證爐料上部有200300mm的空間，有利于輻射與對流傳熱，由此確定工作室有效尺寸為L效=2000mmB效=950mmH效=500mm砌體結(jié)構(gòu)如圖1所示： 輕質(zhì)粘土磚 硅藻土磚 重質(zhì)粘土磚 耐熱鋼圖1砌體結(jié)構(gòu)示意圖4爐襯材料及厚度的確定由于側(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)，即兩層：113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚和180mmB級硅藻土磚。 爐底采用耐火層314mm，材料為113mmQN1.

7、0輕質(zhì)粘土磚,絕熱層硅藻土磚和蛭石粉厚180mm。 爐門用65mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚+65mmA級硅藻土磚。 爐底板材料選用Cr-Mn-Ni耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚2。三、砌體平均表面積計算砌體外廓尺寸如圖1所示。L外=L+2×(113+180)=2791mmB外=B+2×(113+180)=1634mmH外=H+f+(115+180)+（65+2）×3+180=1523mm式中：f拱頂高度，此爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑尺R=B，則f可由f=R(1-cos30°)=140mm求得。

8、1.爐頂平均面積F頂內(nèi)=（2R/6）×L=2.42m2F頂外=B外×L 外=4.56m2 F頂均= =3.320m22.爐墻平均面積 爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)。F墻內(nèi)=2LH+2BH=5.109m2F墻外=2H外（L外+B外）=13.479m2F墻均= =8.298m23.爐底平均面積F底內(nèi)=B×L=2.311m2F底外=B外×L外=4.560m2F底均= =3.246m2四、計算爐子功率1據(jù)熱平衡計算爐子功率(1) 加熱工件所需的熱量Q件由附表61得，工件在600及20時比熱容分別為C件2=0.741KJ/(kg·

9、;)，C件1=0.486KJ(kg·)，根據(jù) Q件=p(C件2t1-C件lt0)=150×(0.574×600-0.486×20)=50202.0KJ/h(2) 通過爐襯的散熱損失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，為簡化計算，將爐門包括在前墻內(nèi)3。根據(jù)式(115)2對于爐墻散熱，如圖594所示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，爐內(nèi)溫度t1=600 界面溫度為t2=500 爐殼溫度t3=60耐火層S1的平均溫度t1均=（600+500）/2=550保溫層S2的平均溫度t2均=（500+60）/2=280爐襯的熱導(dǎo)率由附表31得1=0.

10、29+0.000256×t1均=0.29+0.000256×550=3.113W/(m·)2=0.13+0.00023×ts3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/(m·)。當(dāng)爐殼溫度為60，室溫為20時，由附表21經(jīng)近似計算可得=12.17W/(m2·)a)求熱流q墻 =（600-20）/（S1/1+ S2/2 +1/） =（600-20）/（0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17） =682.4w/m2b)計算交界面上的溫度t2墻、t2墻=600-682.4×（0.115

11、/3.113）=574.8驗(yàn)算界面溫度（t2墻t2）/t2墻=4.5%<5% 該假設(shè)結(jié)果滿足設(shè)計要求，不需要重算.c)驗(yàn)算爐殼溫度t3墻t3墻=（S2/2）=58該結(jié)果滿足一般熱處理電阻爐表面溫度<60的要求。d).計算爐墻散熱損失Q墻散= q墻·F墻均=682.4×8.298=5662.6W同理可以求得Q頂散= q墻·F頂均=682.4×3.32=2265.6WQ底散= q墻·F底均=682.4×3.246=2215.1W整個爐體散熱損失Q散= Q墻散+Q頂散+ Q底散=10143.3W=2819.8kj/h(3) 開啟

12、爐門的輻射熱損失 設(shè)裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據(jù)式(56)2Q輻=3.6×5.675Ft-因?yàn)門g=600+273=873K，Ta=20+273=293K，由于正常工作時，爐門開啟高度的一半，故爐門開啟面積F=B×=1.048×=0.370 m2爐門開啟率t=0.1由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且與B之比為0.35/1.048=0.34，爐門高度與爐墻厚度之比為0.35/0.29=1.21，由圖1-144第一條線圖1-144查得=0.7故Q輻=3.6×5.675Ft-=3034.0kJ/h（4）開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失 Q溢=qvaaCa（tg

13、-ta）t其中qva=1997·B·=439.9m3/h空氣密度a=1.29 kg/m3由附表103得Ca=1.358KJ/（m3·）ta=20 ，tg為溢氣溫度，tg=20+ （600-20）=406.7Q溢=qvaaCa（tg-ta）t=29800.1 KJ/h（5）其它熱量損失其他熱量損失越為上述熱損失之和的1020故Q它=0.12（Q件+Q散+Q輻+Q溢）=10302.7KJ/h（6）熱量總輸出其中Q輔=0，Q控=0，Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q損+Q溢+Q它=96158.6KJ/h（7）爐子的安裝功率P安=其中K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計中K取1.4，

14、則P安=（1.4×112656）/3600=37.4kw為減少加熱時間，與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為39kW。五、爐子熱效率計算1正常工作時的效率4由式(512)1=50202.0/96158.6=52.22在保溫階段，關(guān)閉爐門時的效率=Q件/Q總-（Q輻+Q溢）=79.3六、爐子空載功率計算P空=3.65kW七、空爐升溫時間計算由于所設(shè)計的箱式電阻爐的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計算，將爐子側(cè)墻、前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單獨(dú)計算5，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。1.爐墻及爐頂蓄熱V側(cè)粘=2×(2.205+2×

15、0.115)×0.115×（0.707+0.115）=0.451m3V前·后粘=2×1.048×0.115×(0.707+0.115)=0.198m3V頂粘=2.205×1.048×0.115=0.266m3V側(cè)硅=2×2.205+2×(0.115+0.232)×0.232×（0.707+0.115+0.232）=1.444m3V前·后硅=2×（1.048+0.115×2）×0.232×（0.707+0.115+0.232）=

16、0.625m3V頂硅=（2.205+2×0.115）×0.232×（1.048+2×0.115）=0.722m3由式(59)因?yàn)閠粘=(t1+t2墻)2=(600+574.8)/2=587.4Q蓄=V粘粘C粘(t粘-to)+V硅硅C硅(t硅-t0)查附表33得C粘=0.84+0.26×10-3t粘=0.990kJ/(kg·)t硅=(t2墻+t3墻)/2=（574.8+58）/2=316.4查附表33得C硅=0.84十0.25×10-3t硅=0.919kJ(kg·)所以得Q蓄1=（V側(cè)粘+ V前·后粘+ V

17、頂粘）粘C粘（t粘-t0）+（V側(cè)硅+ V前·后硅+ V頂硅）硅C硅（t硅 -t0） =（0.451+0.198+0.266）×1000×0.990×(587.4-20)+（1.144+0.625+0.722）×500×0.919×(316.4-20)=853243.0kJ2.爐底蓄熱計算V底硅=0.018×2.205+2×（0.113+0.232）×1.048+2×(0.113+0.232）=0.09m3V底粘=0.067×22.205+2×(0.113+0.23

18、2）×1.048+2×(0.232+0.113）=0.67m3查附表33得C底粘=0.84+0.25×10-3t底粘=0.990kJ(kg·)t底硅=397查附表33得C底硅=0.84+0.25×10-3 t底=0.919kJ/(kg·)所以得Q底蓄=0.67×0.990×1000×567.4+0.09×0.919×500×296.4=388614.0kJ3. 爐底板蓄熱根據(jù)附表61查得600和20時高合金鋼的比熱容分別為：C板2=0.779kJ/(kg·)和C板1

19、=0.473kJ/(kg·)。經(jīng)計算爐底板重量G=119kg，所以有Q板蓄=G(C板2t1-C板1t0)=54494.9kJQ蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=853243+388614+54495=1296352kJ由式(513)2式得空爐升溫時間 升=1296352/（3600×60）=6h 對于一般 周期作業(yè)爐升溫時間在3-8小時左右，所設(shè)計的爐子升溫時間符合要求。由于蓄熱是按穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)計算的，誤差大，實(shí)際升溫時間應(yīng)該是4小時左右。八、功率的分配與接線639kW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對于周期

20、式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)擊應(yīng)在1535kwm2之間。 F電=2F電側(cè)+F電底=2×2.205×0.707+2.205×1.048=5.43m2 W=P安/F電=37.4/5.43=6.9kW/m2對于周期作業(yè)電阻爐，內(nèi)壁表面負(fù)擊應(yīng)在1535kwm2之間，但本爐子的生產(chǎn)率很高，功率很小，導(dǎo)致內(nèi)壁表面負(fù)擊很小，所以符合條件。九、電熱元件材料選擇及計算由最高使用溫度600，選用線狀0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用Y。71理論計算法(1)求600時電熱元件的電阻率當(dāng)爐溫為600時，電熱元件溫度取700，由附表123查得0Cr25Al5在20時電阻率20=1.40&

21、#183;mm2/m，電阻溫度系數(shù)=4×10-5-1，則1000下的電熱元件電阻率為t = 20(1+t)=1.40×(1+4×10-5×700)=1.439·mm2/m(2)確定電熱元件表面功率由圖534，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=3.3W/cm2。(3)每組電熱元件功率 由于采用Y接法，即三相星形接法，每組元件功率 P組=39/n=39/3=13kW(4)每組電熱元件端電壓由于采用Y接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端為每相電壓U組=220V電壓即為每相電壓U組=220V(5)電熱元件直徑由式(524)2得線狀電熱元

22、件直徑d=34.3=3.5mm 取d=4mm(6)每組電熱元件長度和重量由式(525)2得每組電熱元件長度L組=0.785×l0-3(U組2d2/P組t)=32.5m 取33m每組電熱元件重量由式(528)2得 G組=（/4）d2L組m式中，m=7.1g/cm2所以得 G組=（/4）d2L組m=2.9kg(7)電熱元件的總長度和總重量由式(527)2得電熱元件總長度 L總=3L組=3×33=99m電熱元件總重量由式(528) 2得 G總=3G組=3×2.9=8.7kg(8)校核電熱元件表面負(fù)荷 W實(shí)=P組/dL組=3.1W/cm2 W實(shí)<W允，結(jié)果滿足設(shè)計要求。(9)電熱元件在爐膛內(nèi)的布置按規(guī)定，h/d在24范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求，取3 h=3d=3×4=12mm布置電熱元件的爐壁長度 L=L-50=2025-50=1975mm螺旋體