65KW高溫臺車式電阻爐設(shè)計(jì)

1、目錄1前言11.1 本設(shè)計(jì)的目的、意義11.1.1 本設(shè)計(jì)的目的11.1.2 本設(shè)計(jì)的意義11.2 本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求11.2.1 技術(shù)要求11.3 熱處理爐的發(fā)展現(xiàn)狀21.3.1 國外熱處理行業(yè)的能源利用情況21.3.2 我國熱處理行業(yè)存在的問題22設(shè)計(jì)說明32.1 爐型選擇32.2 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸32.2.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子的爐膛砌磚體內(nèi)腔的尺寸L*B*H32.2.2 確定工作室有效尺寸L效B效H效32.2.3 爐襯材料及厚度的確定32.2.4 砌體平均表面積計(jì)算42.2.5 爐頂平均面積42.2.6 爐墻平均面積42.2.7 爐底平均面積42.3 計(jì)算爐體的熱散失42.3.1

2、求熱流量52.3.2 驗(yàn)算交界面上的溫度T2墻T3墻52.3.3 驗(yàn)算爐殼溫度T4墻52.4 計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散52.4.1 計(jì)算爐墻散熱損失52.4.2 開啟爐門的輻射熱損失Q輻62.4.3 開啟爐門溢氣熱損失Q溢62.4.4 其它熱損失Q它62.4.5 工件吸收的熱量72.5 爐子生產(chǎn)率的計(jì)算72.5.1 爐子生產(chǎn)率計(jì)算72.5.2 正常工作時的效率72.5.3 保溫階段關(guān)閉爐門時的效率72.6 爐子空載功率計(jì)算72.7 空爐升溫時間計(jì)算72.7.1 爐墻及爐頂蓄熱72.7.2 爐底蓄熱計(jì)算82.7.3 爐底板蓄熱92.8 功率的分配與接線92.9 電熱元件材料選擇及計(jì)算92.9.1

3、求950c時電熱元件的電阻率PT92.9.2 確定電熱元件表面功率92.9.3 每組電熱元件功率92.9.4 每組電熱元件端電壓102.9.5 電熱元件直徑102.9.6 每組電熱元件長度和重量102.9.7 電熱元件的總長度和總重量102.9.8 校核電熱元件表面負(fù)荷102.9.9 電熱元件在爐膛內(nèi)的布置102.10 爐子技術(shù)指標(biāo)113附錄123.1 裝配圖123.2 電阻絲133.3 電阻絲接線示意圖144參考文獻(xiàn)151刖日1.1 本設(shè)計(jì)的目的、意義1.1.1 本設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)一臺電阻加熱爐，額定功率為65KW,使其加熱溫度在1000C,周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。用于中碳鋼，低合金鋼

4、毛坯或零件的淬火，正火及調(diào)質(zhì)處理，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。1.1.2 本設(shè)計(jì)的意義通過本次熱處理爐設(shè)計(jì)，了解高溫?zé)崽幚頎t的基本結(jié)構(gòu)，掌握熱處理爐設(shè)計(jì)的基本方法，熟悉熱處理爐在工廠中的實(shí)際應(yīng)用以及進(jìn)一步熟練工程制圖的方法，為以后的工廠實(shí)際奠定基礎(chǔ)。1.2 本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求1.2.1 技術(shù)要求1用途：中碳鋼，低合金鋼毛坯或零件的淬火，正火及調(diào)質(zhì)處理，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額定功率：65KW3工作溫度：高溫1000c4生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)1.3 熱處理爐的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外熱處理行業(yè)的能源利用情況在

5、國外推出的熱處理節(jié)能措施中，主要考慮的就是改進(jìn)設(shè)備和革新工藝的技術(shù)措施，主要措施有以下幾個方面：1 .加強(qiáng)合理利用熱能的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。2 .采用直接控制爐內(nèi)氣氛碳勢、氮勢、氧勢的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以獲得一定的節(jié)能效果。3 .采用新型的保溫材料，可減少20%以上的熱損失。4 .采用直接加熱工件的方法，可減少蓄熱損失和輻射損失，也可有效的節(jié)約能源。5 .改進(jìn)料盤、夾具的結(jié)構(gòu)，減輕耐熱鋼構(gòu)件的重量，增加強(qiáng)度，減少料盤夾具的無效加熱損失。1.3.2我國熱處理行業(yè)存在的問題由于我國工業(yè)起步較晚，現(xiàn)行的熱處理裝備水平普遍落后，主要有以下幾個方面：1 .設(shè)備負(fù)荷率低，裝爐量不足。2 .設(shè)備的利用率低

6、。3 .加熱設(shè)備落后。4 .無效熱消耗多。5 .工藝落后。目前，我國的熱處理工藝普遍落后，過于保守。2設(shè)計(jì)說明2.1 爐型選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給出的生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用中溫箱式熱處理電阻爐，不通保護(hù)氣氛。2.2 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸2.2.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子的爐膛砌磚體內(nèi)腔的尺寸L*B*H經(jīng)驗(yàn)公式：P安=8升0.5F0.9(T/1000)1.55由于爐門為開啟式，故散熱量較大，取C=30(kw*h0.5)/(m1.8*C1.55),空爐升溫時間假定為4h,爐溫為T=1000C,故65=30*4-0.5*F0.9*(1000/1000)1.55計(jì)算得F=5.08m2根據(jù)爐膛面積計(jì)算公式F=2*B*

7、H+2*L*H+2*B*L(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般有L=2BH=0.7B(2)根據(jù)(1)(2)式計(jì)算得L=1.574mB=0.787mH=0.551m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱處理爐石專尺寸(230mm*113mm*65mm考慮每塊磚之間的縫隙2mm確定最后尺寸L=(230+2)*6+(230*0.5+2)=1509mmB=(120+2)*2+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=688mmH=(65+2)*7+37=506mm2.2.2 確定工作室有效尺寸L效B效H效為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件磚相碰撞，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=1300mmB效=550mmH效

8、=450mm2.2.3 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113mmQN-1.0輕質(zhì)黏土轉(zhuǎn)+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mmB硅藻土石專。爐頂采用113mmQN-1.0至質(zhì)黏土石專+80mnm度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈，+115mnB脹珍珠巖。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)黏土石專(67*3)mm+50mm度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+182mm版硅藻土石專和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。3,爐I1用65mmQN-1.0至質(zhì)黍占土石專+80mm度為250kg/m的普通硅酸鋁纖維氈+65mmAK硅藻土石專。爐底隔磚采

9、用重質(zhì)黏土磚，電熱元件擱被選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-N耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm2.2.4 砌體平均表面積計(jì)算1外4+2*(115+50+115)=1509+2*(115+80+115)=2129!BBB+2*(115+50+115)=688+2*(115+80+115)=1409mmH外=H+2*(115+80+115)=506+2*(115+80+115)=1126mm2.2.5 爐頂平均面積F頂內(nèi)=L*B=1509*688=1.188m22F頂外=8外L外=2.1291.409=3.000m2F頂均="/F頂內(nèi)*f頂外=、/1.188

10、*3.000=1.888m2.2.6 爐墻平均面積爐墻平均面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計(jì)算將爐門包括在前墻。F墻內(nèi)=2LH+2BH=2HL+B)=2*0.506(1.509+0.506)2=2.223mF墻外=2H外(L外+B外)=2*1.126(2.129+1.409)2=7.968mF墻均=/墻內(nèi)*F墻外="2.223*7.968=4.209m22.2.7 爐底平均面積_2F底內(nèi)=B*L=506*688=1.188m2F底外=B外L外=2.1291.409=3.000m2F底均=，F(xiàn)底內(nèi)F底外=，1.188*3.000=1.888m2.3 計(jì)算爐體的熱散失由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯

11、結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。根據(jù)公式Q散=t1-tn+1/ESi/入iFi對于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t2'墻=800C,t3'墻=450C,t，'墻=65C則耐火層S的平均溫度ts/勻=(1000+800)/2=900C硅酸鋁2T維層&的平均溫度ts2均=(800+450)/2=625C硅酸土石專層與的平均溫度ts3均=(450+65)/2=257.5C&S3層爐襯的熱導(dǎo)率由附表3查得入1=0.294+0.212*10-3tsi均=0.294+0.212*10-3*900=0.485W/(mC)入3=0

12、.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*257.5=0.190W/(mC)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范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度呈線形關(guān)系由ts2均=625C得入2=0.318W/(mC)當(dāng)爐殼溫度為60C室溫為20C由附表2經(jīng)近似計(jì)算得a=12.50W/(mC)2.3.1 求熱流量q墻=(tg-ta)/(&/入1+S2/入2+S3/入3+1/a七)=(1000-20)/(0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1=683.3W/m22.3.2 驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻t3墻t2墻=t1

13、-q墻*(si/入1)=1000-683.3*(0.115/0.485)=838.0C/ =(t2墻-t2墻)/t2墻=(838.0-800)/800=4.7% <5%滿足設(shè)計(jì)要求不需要重算。t3®=t2®-q®*(S2/入2)=838.0-683.3*(0.080/0.138)=441.9C/、_/ =(t3墻-t3墻)/t3墻=(441.9-450)/450=1.80% <5%滿足設(shè)計(jì)要求不需要重算。2.3.3驗(yàn)算爐殼溫度t4墻t4墻=t3墻-q墻*(S3/入3)=441.9-683.3*(0.115/0.190)=28.3C<50C滿足一般

14、熱處理電阻爐表面升溫小于50C的要求。2.4 計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散2.4.1 計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散=q墻*F墻均=683.3*4.209=2876.0W同理可以求得t2頂=844.3Ct3頂=562.6Ct4頂=53Cq頂=485.4W/m2t2底=782.2Ct3底=568.5Ct4底=53.7Cq底=572.2W/m2爐頂通過爐襯散熱Q頂散=q頂*F頂均=485.4*1.888=916.4W爐底通過爐襯散熱Q底散=q底*F底均=572.2*1.888=1080.3W則整個爐體散熱損失(其中1W=3.6KJ/h)Q散=Q墻散+Q底散+Q頂散=2876.0+916.4+1080.3=487

15、2.7W=17541.7KJ/h2.4.2 開啟爐門的輻射熱損失Q輻設(shè)裝出料所需時間為每小時6分鐘Q車i=3.6*5.765FSt(Tg/100)4-(Ta/100)4Tg=1000+273=1273KTa=20+273=293K由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故爐門開啟面積F=B*(H/2)=0.688*0.506/2=0.174m2爐門開啟率St=6/60=0.1由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.253/0.688=0.37,爐門開啟高度與爐墻厚度之比為0.253/0.310=0.816,由圖1-14第一條線查得=0.66故Q車i=5.675*3.6FSt(

16、Tg/100)4-(Ta/100)4=5.675*3.6*0.174*0.1*0.66*(26261.1-73.7)=26187.4KJ/h2.4.3 開啟爐門溢氣熱損失Q溢Q溢=qaPaCa(tg-ta)St近似認(rèn)為qva=1997B*H/2=1997*0.688*0.253*,0.253=174.8冷空氣密度Pa=1.29kg/m2有附表得Ca=1.342KJ/(itfC)ta=20Ct為溢氣溫度，近似認(rèn)為tg=ta+2/3(tg-ta)=20+2/3(1000-20)=673C_、_._Q溢=qvaPaCa(tg-ta)St=174.8*1.29*1.342*(640-20)*0.1=1

17、9760.5KJ/h2.4.4 其它熱損失Q它一般其它熱損失為上述熱損失的10%-20%則Q它=0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=0.13(Q件+17541.7+6144.0+19760.5)=0.13Q件+5648.0KJ/h2.4.5 工件吸收的熱量因?yàn)闋t子安裝功率為65KW又P安=KQ總/3600其中K為功率儲備系數(shù)，本爐子設(shè)計(jì)中取K=1.4則P安=1.4Q總/3600=75KWQ總=65*3600/1.4=167142.9KJ/h得Q件=104467.9KJ/hQr19228.8KJ/h2.5 爐子生產(chǎn)率的計(jì)算2.5.1 爐子生產(chǎn)率計(jì)算低合金鋼工件在650和20的比熱容為C件2=0.

18、770KJ/(kg.C)C件1=0.486KJ/(kg-C)由Q件=P(C件2t1-C件1t。)得P=Q牛/(C件2t1-C件1t0)=153777.82/(0.77*650-0.486*20)=313.37Kg/h2.5.2 正常工作時的效率刀=Q件/Q總=104467.9/167142.9=62.50%2.5.3 保溫階段關(guān)閉爐門時的效率刀=Q件/Q總-Q輻-Q溢=104467.9/125491.1=83.25%2.6 爐子空載功率計(jì)算P=Q散+Q它/3600=(17541.7+19228.9)/3600=10.2KW2.7 空爐升溫時間計(jì)算由于所設(shè)計(jì)的爐子的耐火層相似，而保溫層蓄熱較少，

19、為簡化計(jì)算，將爐子側(cè)墻、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。因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。2.7.1 爐墻及爐頂蓄熱V粘側(cè)=2*1.509*(13*0.067+0.135)*0.115=0.326m3V粘前后=2*(0.688+0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05=0.255mV粘頂=0.97*(1.509+0.276)*0.05=0.199m3V纖側(cè)=2*(1.509+0.115)*(13*0.067+0.135)*0.05=0.244m3V纖前后=2*(0.787+0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05=0

20、.196m頂_,_、_3V纖=1.071*(1.509+0.276)*0.08=0.153m側(cè)_，、_V硅=2*(13*0.067+0.135)*(1.509+0.115)*0.115=0.351m前后_,3V硅=2*1.409*(17*0.067+0.135)*0.115=0.391m頂-3V硅=2.129*1.409*0.115=0.345m由式Q蓄=V粘p粘c粘(t粘-t0)+V纖p纖c纖(ttf-t0)+V硅p硅c硅(t硅-t0)其中t粘=(t1+t2墻)/2=(1000+838)/2=919Ct纖=(t2墻+t3墻)/2=(838+441.9)/2=640.0Ct硅=(t3墻+t4墻

21、)/2=(441.9+28.3)/2=235.1C查附表3得C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.08KJ/(kgC)C纖=0.81+0.28*10-3t纖=0.99KJ/(kgC)C石=0.84+0.25*10-3t硅=0.90KJ/(kgC)所以得Q蓄1=(V粘+V粘+V粘)p粘c粘(t粘-t0)+(V纖+V纖+V纖)p纖c纖(t纖-t0)+(V硅+V硅+V硅)p硅c硅(t硅-t0)=605854.08+90995.85+115737.78=812587.7KJ2.7.2 爐底蓄熱計(jì)算V重粘底=(0.120*0.020*4+0.065*0.230+0.040*0.230*2+0.11

22、3*0.230*2)3*1.509=0.143mV輕粘底=(0.113*0.065*4+0.113*0.065*3)*1.509+(1.409-0.113*2)*(2.129-0.113)*0.065=0.233m3V纖底=2.129*1.409*0.05=0.150m3V硅底=2.129*1.409*0.180=0.540m3由于t粘=(t+t2底)/2=(1000+782.2)/2=891.1Ct纖=(t2底+t3底)/2=(782.2+568.5)/2=675.4Ct硅=(t3底+t4底)/2=(568.5+53.7)/2=311.1C查表得C重粘=0.88+0.23*10-3t粘=1.

23、08KJ/(kgC)C輕粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.07KJ/(kgC)C纖=0.81+0.28*10-3t纖=1.00KJ/(kgC)C石=0.84+0.25*10-3t硅0.92KJ/(kgC)所以得Q蓄底=V粘底P粘C粘(t粘-t0)+V纖底P纖C纖(t幺f-t0)+V硅底P硅C硅(t石一t0)=596422.1KJ2.7.3爐底板蓄熱根據(jù)附表6查得950c和20c時高合金鋼的比熱容分別為0.670和0.473,經(jīng)計(jì)算爐底板重量為242Kg所以有Q蓄*"=G(c板2ti-c板it0)=242(636.5-9.46)=151743.6KJ得Q蓄=Q蓄i+Qw底+Q蓄

24、板=812587.7+596422.1+159807.12=1568816.9KJ得升溫時間r升=、蓄/3600P安=5.8h對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3-8小時內(nèi)均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合要求。2.8 功率的分配與接線105KW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，對于周期作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15-35kW/m2之間，常用為20-25kW/m2之間。_2F電=2F電側(cè)+F電底=2*1.509*0.506+1.509*0.688=2.71mW=P安/F電=65/2.71=24.0KW/m2表面負(fù)荷在常用的范圍

25、20-25kW/m2之內(nèi)，故符合設(shè)計(jì)要求。2.9 電熱元件材料選擇及計(jì)算由最高使用溫度1000C,選用線狀0Cr25Al5合金電熱元件。接線方式采用YY。理論計(jì)算2.9.1 求950c時電熱元件的電阻率pt當(dāng)爐溫為950c時，電熱元件溫度取1100C,由附表12查得0Cr25Al5在20c時電阻率p20=1.40Qmr2/m,電阻溫度系數(shù)a=4*10-5C-1,則1100c下的電熱元件電阻率為pt=P20(1+at)=1.46Qmr2/m2.9.2 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系數(shù)取W允=3W仙122.9.3 每組電熱元件功率由于接線方式采用丫丫每組元件功率P組=105/n=65/(3*2)=10.8KW2.9.4 每組電熱元件端電壓由于接線方式采用YY,供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V,故每組電熱元件端電壓既為每組電壓U組=380/a/3=220V2.9.5 電熱元件直徑由公式得d=34.3VP2組pt/(U2組M)3=3.6mm取d=4mm2.9.6 每組