熱處理爐(箱式電阻爐)設(shè)計

1、 PAGE 2熱處理爐設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一箱式電阻爐，計算和確定主要項目，并繪出草圖。 基本技術(shù)條件：用途：低合金鋼等的回火；工件：中小型零件，小批量多品種，最長 0.8m；最高工作溫度為 550；爐外壁溫度小于 60；生產(chǎn)率：120kg/h。設(shè)計計算的主要項目：確定爐膛尺寸；選擇爐襯材料及厚度，確定爐體外形尺寸；計算爐子功率，進(jìn)行熱平衡計算，并與經(jīng)驗計算法比較；計算爐子主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)（熱效率，空載功率，空爐升溫時間）；選擇和計算電熱元件，確定其布置方法；寫出技術(shù)規(guī)范。二、爐型選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)特點，選用低溫（550）箱式熱處理電阻爐， 爐膛不通保護(hù)氣氛，為空氣介質(zhì)。三、確定爐膛尺

2、寸理論確定爐膛尺寸確定爐底總面積爐底總面積的確定方法有兩種：實際排料法和加熱能力指標(biāo)法。本設(shè)計用加熱能力指標(biāo)法來確定爐底面積。已知爐子生產(chǎn)率 P 120 kg h ，按教材表 5-1選擇適用于回火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產(chǎn)率 p0 100 kg (m2 h) 。因F此，爐子的爐底有效面積（可以擺放工件的面積）可按下式計算：1P120F1.2m21p1000通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.750.85 之間選擇。本設(shè)計取值F，則爐底總面積 F 為：F 11.21.412m20.850.85確定爐膛的長度和寬度爐底長度和寬度之比 L 在 3/22 之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的

3、B方便，本設(shè)計取 L 2 ，則爐子爐底長度和寬度分別為:BL F1.412 1.680m0.50.5B （3） 確定爐膛高度L 1.680 22 0.840mH爐膛高度和寬度之比 B 在 0.50.9 之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大值。本設(shè)計取中值 0.7，則爐膛高度為：H 0.7B 0.7 0.840 0.588m實際確定爐膛尺寸為方便砌筑爐子，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（23011365mm），并考慮砌縫寬度（砌磚時兩塊磚之間的寬度，2mm）、上、下磚體應(yīng)互相錯開以及在爐底方便布置電熱元件等要求，進(jìn)一步確定爐膛尺寸。依據(jù)理論計算的爐膛長度、寬度和高度， 進(jìn)一步確定爐膛尺寸如下：L (230 2)

4、 7 (230 0.5 2) 1741mm 1.741mB (120 2) 4 (40 2) 2 （65 2） (113 2) 2 869mm 0.869m H (65 2) 9 37 640mm 0.640m注意：實際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。確定爐膛有效尺寸為避免熱處理工件與爐膛內(nèi)壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發(fā)生碰撞， 應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁保持一定的距離。工件應(yīng)放置的爐膛的有效尺寸內(nèi)。爐膛有效尺寸確定如下：L 1500mm效B 700mm效H 500mm效四、 爐襯材料的選擇及其厚度的確定爐襯材料的選擇及其厚度的計算應(yīng)滿足在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，爐殼溫度小于60。由于爐

5、子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱為綜合傳熱系數(shù) 。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部分外壁對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)不同（見教材附表 2），所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進(jìn)行計算。1. 爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算爐子的兩邊側(cè)墻和前后墻可采用相同的爐襯結(jié)構(gòu)，同時為簡化計算，將爐門看作前墻的一部分。設(shè)爐墻的爐襯結(jié)構(gòu)如圖所示，耐火層是 115mm 厚的輕質(zhì)黏土磚（QN0.8）1 塊，保溫層是 125mm B 級硅藻土磚 2 塊（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表 3 和附表 4）。這種爐襯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿足爐墻外

6、壁溫度小于 60，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計算進(jìn)行驗證。在爐墻內(nèi)壁溫度 550、爐殼周圍空氣溫度 20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐墻向周圍空氣散熱的熱流密度為：q S550 20S1S , S12的確定1 2 12S , S12分別是輕質(zhì)黏土磚和 B 級硅藻土磚的厚度（m）。若考慮它們之間 2mm的砌縫寬度，則S , S , S123的厚度為：S 115 2 117mm ； S12 125 2 250mm ；2) , ，12的確定 , 分別是輕質(zhì)黏土磚、硅酸鋁耐火纖維氈和 B 級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率12（W/m）;是爐殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/ m）。要求出 , 和 ，首先必須假定各層界面溫

7、度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)黏土磚12和 B 級硅藻土磚之間的界面溫度t2所示。求輕質(zhì)黏土磚的平均導(dǎo)熱率 464 ，爐墻外殼溫度t3 5560。如圖查教材附表 3，可得輕質(zhì)黏土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為： 0.294 0.212103 t （ t1p為平均溫度）pt t550 4640.2940.212 103 ( 12 )0.2940.212 103 ()122=0.402 W/m求 B 級硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表 3，可得 B 級硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率為： 0.131 0.23103 tpt t464 55 0.131 0.23103 ( 23 ) 0.131 0.23103 ()222=

8、0.191 W/m求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為 55，周圍空氣為 20時，由教材附表 2 可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：求熱流密度 11.81 W/m將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：550 20q 0.1170.25010.4020.19111.81 314.139W m2驗算各界面溫度和爐墻外殼溫度是否滿足設(shè)計要求輕質(zhì)黏土磚和 B 級硅藻土磚之間的界面溫度t 為：S2t t q211 550 314.139 10.1170.402 458.454 相對誤差為t2 t 458.4 550 1% 5% ，滿足設(shè)計要求，不

9、必重算。t550爐墻外殼溫度為：3t t32q S2 458.454 314.139 20.2500.191 47 60因爐墻外殼溫度小于 60，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于 60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐頂?shù)臓t襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是 115mm 厚的輕質(zhì)黏土磚（QN1.0）1 塊， 厚度 115mm 的膨脹珍珠巖 1 塊。在爐頂內(nèi)壁溫度 550、爐殼周圍空氣溫度 20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐頂向周圍空氣散熱的熱流密度為：550 20q SS11)S , S12的確定1 2 12S , S12分別是輕質(zhì)黏土磚（Q

10、N1.0）、膨脹珍珠巖的厚度。若考慮它們之間 2mm 的砌縫寬度，則S , S , S123的厚度為：2)S12, ， 117mm ； S12的確定117mm； , 分別是輕質(zhì)黏土磚和膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率（W/m）;是爐頂12外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/ m）。要求出 , 和 ，首先必須假12定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)黏土磚和膨脹珍珠巖之間的界面溫度t 464 ，爐頂外殼溫度t 60。23求輕質(zhì)黏土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表 3 ， 可得輕質(zhì)黏土磚（ QN1.0 ） 的平均導(dǎo)熱率為： 0.290 0.256103 t1pt t550 464 0.290 0.256 103 ( 12 )

11、 0.290 0.256 103 ()122=0.442 W/m求膨脹珍珠巖的平均導(dǎo)熱率查教材附表 3，可得膨脹珍珠巖的平均導(dǎo)熱率為： 0.04 0.22103 tpt t464 60 0.04 0.22 103 ( 23 ) 0.04 0.22 103 ()222=0.098 W/m求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為 60，周圍空氣為 20時，由教材附表 2 可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為： 12.17 W/m熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：550 20q 0.1170.11710.4420.09812.17

12、343.987W m24驗算界面溫度和爐頂外殼溫度輕質(zhì)黏土磚和膨脹珍珠巖之間的界面溫度t 為：2t tS0.115q 1550343.987460.501 2110.442t t460.501 46422相對誤差為t2464 0.7% 5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。爐頂外殼溫度為：S0.117t t q 3 460.501 343.987 49.82603230.098因爐頂殼溫度小于 60，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若外實際計算后，外殼溫度大于 60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計算爐底的爐襯結(jié)構(gòu)為， 耐火層是（ 115+2 ） 2=234m

13、m 厚的輕質(zhì)黏土磚（QN1.0），（115+2）+（65+2）=184mm 厚的 B 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。在爐底內(nèi)壁溫度 550、爐殼周圍空氣溫度 20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐底向周圍空氣散熱的熱流密度為：550 20q SS1S , S12的確定1 2 12S , S12分別是輕質(zhì)黏土磚（QN1.0）、B 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖的厚度。若考慮它們之間 2mm 的砌縫寬度，則S , S12的厚度為：S 234mm ； S12 184mm2) , ,12的確定 , 分別是輕質(zhì) 黏土磚、 B 級硅藻土磚和 膨脹 珍珠巖 的平均 熱導(dǎo)率12（W/m）;是爐底外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（

14、W/ m）。要求出 , 12和 ，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)黏土磚和 B 級硅藻土磚之間的界面溫度t 404，爐底外殼溫度t 60。12求輕質(zhì)黏土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表 3 ， 可得輕質(zhì)黏土磚（ QN1.0 ） 的平均導(dǎo)熱率為： 0.290 0.256103 t1pt t550 440 0.290 0.256 103 ( 12 ) 0.290 0.256 103 ()122=0.412 W/m求 B 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯的平均導(dǎo)熱率查教材附表 3，可得 B 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖的平均導(dǎo)熱率分別為： 0.131 0.23103 t3p 0.04 0.22103 t4p5

15、404 60404 60 2 0.04 0.22 103 () 0.131 0.23103 (22) 2=0.1377 W/m求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為 60，周圍空氣為 20時，由教材附表 2 可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為： 12.17 W/m熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：550 20q 234 18410.4120.137712.17 266.862W m2驗算界面溫度和爐底外殼溫度輕質(zhì)黏土磚和 B 級硅藻土磚之間的界面溫度t 2為：S234t t q 1 550 266.862 398.474

16、2110.412t t398.474 40422相對誤差為t2404 1% 5% ，滿足設(shè)計要求，不必重算。爐底外殼溫度為：S18441.9t t q 2 398.474 266.862 603220.1377因爐底外殼溫度小于 60，故爐底爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于 60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。五、爐子外形尺寸的確定和砌體平均表面積的計算爐子外形尺寸的確定爐子外形長度爐子的外形長度為爐膛長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：L 1741 2 (117 125 125) 2475mm 2.475m外爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其

17、值為：B 869 2 (117 125 125) 1603mm 1.603m外爐子外形高度爐子的外形高度由以下四部分組成：爐膛高度、拱頂高度、爐頂厚度、爐底厚度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐頂厚度、爐底厚度已經(jīng)求出。若爐子采用60標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑 R B ，則拱頂高度可由下式求出：f R(1 cos 30） 869 （1 cos 30 ) 116.424mm綜合以上五部分的高度，爐子外形高度為：H 640 116.424 （117 117）（117 67）117 2 1408mm 1.408m外砌體平均表面積的計算爐子砌體平均表面積的計算方法有兩種：算術(shù)平均值和幾何平均值。本設(shè)計采用幾何平

18、均計算法。此方法首先需要算出爐子內(nèi)壁和外壁的面積。爐頂平均表面積的確定 爐頂內(nèi)壁是弧面，內(nèi)壁面積為：6 PAGE 11602F 2 R L 3.14 0.869 1.741 1.584m2頂內(nèi)3606爐頂外壁是平面，外壁面積為：F L B頂外外外 2.4751.603 3.967m2F F頂內(nèi)頂外1.584 3.967則爐頂平均面積為：F頂均 2.567m2爐墻平均表面積的確定F F墻內(nèi)墻外2H (L B) 2H(L B ）外外外爐墻包括兩側(cè)墻和前、后墻。為簡化計算，將爐門視作前墻，則爐墻平均面積為：F2 0.640 (1.741 0.869) 21.408（2.4751.603）墻均=6.1

19、93 m 268F F低內(nèi)低外(B L) (B L )外外爐底平均表面積的確定爐底平均面積為：F0.869 1.7411.603 2.475低均六、用熱平衡計算法計算爐子功率 2.450m2熱平衡計算法是根據(jù)爐子的輸入總功率等于各項能量消耗總和的原則，來確定爐子功率的方法。爐子的主要能量消耗項 Z1) 加熱工件所需要的熱量由教材附表6 查得，低合金鋼在550 和 20 時的比熱容分別為：20C 0.741 kJ/(kg ) 和 C 0.477kJ/(kg ) ， 熱處理爐的生產(chǎn)率550P 120 kg h ，則加熱工件所需要的熱量為;Q P(C件550 550 C20 20) 120 (0.7

20、41 550 0.477 20)=47761.2kJ/h通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分，有：Q Q Q Q散頂墻底 q F頂頂均q F墻墻均q F底底均 343.987 2.567 314.139 6.193 266.862 2.450 3482.3W 12536.2kJ / h開啟爐門的輻射熱損失這部分熱損失可由下式求得： T4 T4 Q 3.6CFg a 輻0t 100 100 式中C 0 黑體輻射系數(shù)；（5.675）F 爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故 F B H1.7410.8690.756m2 ；22 遮蔽系數(shù)。開啟的爐門

21、是拉長的矩形，開啟高度為 H 0.640 0.320m ，22它與爐墻厚度之比為 0.320 0.340 ，查教材圖1-14 曲線1 得 =0.51；0.367 爐門開啟率。設(shè)裝、出料所需時間為每小時 6 分鐘，則爐門開啟率為t0.1；T 爐氣的熱力學(xué)溫度，為 550+273=823K；gT 爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為 20+273=293K，a將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得： 823 4 293 4 Q 3.6 5.675 0.765 0.51 0.1 3598kJ / h輻 100 100 開啟爐門的溢氣熱損失對于一般的箱式電阻爐，爐門開啟后要吸入冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需要的熱量作為該項

22、熱損失，即有：Q q C (T T )溢vaaa tga式中 q va 爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高度的一半。由教材（58）式得：q 1997Bva 1997 0.869 233.13m3 / hHH220.64020.6402 a 20冷空氣的密度，為 1.29 kg / m3 ；C 空氣在Taa T （即 20550）溫度間的平均比熱容。就本設(shè)計來說，g是平均溫度（550+20）/2=285的比熱容。查附表10 可知，空氣在200、300的比熱容分別為 1.3097kJ/(m.)和 1.3181 kJ/(m.)。可認(rèn)為空氣比熱容在此溫度區(qū)間的變化呈線性關(guān)系，即

23、有：1.3181 1.3097C 1.3097300 200 爐門開啟率為 0.1。ta285 200 C 1.317 kJ/(m.)aT 溢氣溫度，近似為 2 T ) T 2 (550 20) 20 373 g（T3gaa3將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為：Q 233.131.29 1.317 0.1（373 - 20） 13981.3 kJ h溢其它熱損失此項熱損失包括未考慮的各種熱損失和一些不易精確計算的各種熱損失。就箱式電阻爐來說，該項熱損失可取以上各項熱損失之和的10%20%。本設(shè)計取15%，該項熱損失為：Q 0.15（Q Q其它件散Q Q )輻溢 0.15（47761.

24、2 12536.2 3598 13981.3） 9794 kJ h爐子的理論輸入功率根據(jù)熱平衡計算法，在理論上爐子的輸入功率應(yīng)為上述各項能量消耗的總和，即：Q Q總件Q Q Q Q散輻溢其它=47761.2+12536.2+3598+13981.3+9794=87670.7(kJ/h)爐子的安裝功率上面計算的爐子輸入功率（即各項能量消耗總和）是維持爐子正常工作必不可少的熱量支出。但在實際生產(chǎn)中還需考慮一些具體情況，如爐子長期使用后爐襯局部損壞會引起熱損失增加，電壓波動、電熱組件老化會引起爐子功率下降， 有時工藝制度變更要求提高爐子功率。這些具體情況要求爐子功率應(yīng)有一定的儲備，爐子的實際功率應(yīng)比

25、理論計算功率大，因此爐子的安裝功率為：KQP總安3600式中 K 功率儲備系數(shù)，對周期作業(yè)爐， K 1.3 1.5 。本設(shè)計可取 1.5。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得：1.5 87670.7P 安3600 36.53kW取爐子的安裝功率為 36kW。七、爐子熱效率的計算正常工作時的熱效率由教材 5-12 式得，爐子正常工作時的熱效率為：Q47761.2件100%100%54.5%Q87670.7總一般電阻爐的熱效率在 30%80%之間。本設(shè)計的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè)計合理。保溫時關(guān)閉爐門的熱效率保溫關(guān)閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為：Q 件Q (Q總輻100% 47761

26、.2100% 68.1% Q )87670.7 3598 13981.3溢爐子空載功率的計算爐子空載時，能量消耗項只有兩項：通過爐襯的散熱損失和其它熱損失，此時爐子的功率為：Q QP散其它 12536.2 9794 6.2kW空36003600八、 空爐升溫時間計算（不要求）九、 功率的分配和接線方法爐子的安裝功率為 36kW。電熱元件采用三相星形接法，也稱“Y”接法。即將電熱元件分為 3 組，每組 12 kW，爐墻兩側(cè)各布置 1 組電熱元件，爐底布置 1 組電熱元件。十、 電熱元件材料的選擇和理論計算電熱元件材料的選擇爐子的最高使用溫度為 550，可選用 0Cr25Al5 合金絲，繞制成螺旋

27、管狀作為電熱元件。爐膛 550時電熱元件的電阻率爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高 100200。當(dāng)爐膛溫度為 550，電熱元件的溫度取 700。由教材附表 12 得，0Cr25Al 合金 20時的電阻率 1.40 mm 2 / m ，電阻溫度系數(shù) 4 105 1，則 700時20電熱元件的電阻率為：750 (1 t) 1.40 (1 4 105 750) 1.44 mm2 / m20確定電熱元件的允許表面負(fù)荷由教材圖 5-3（a），根據(jù)設(shè)計的爐子的工作條件，取電熱元件的允許表面負(fù)荷W 1.71W / cm2 。允每組電熱元件的功率和端電壓由于采用三相星形即“Y”接法，電熱元件可分為三組。每組電熱元件的功率為：36組P312kW 。采用“Y”接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為 380V，故每組電熱元件的端電壓為，3803U 組 220V電熱元件的絲材直徑電熱元件的絲材直