650℃ 90kgh的箱式電阻爐設計 課程設計報告

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1、熱處理設備課程設計課程設計報告報告題目：650 90kg/h 的箱式電阻爐設計 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： 作 者 姓 名 ： 作 者 學 號 ： 指導教師姓名： 完 成 時 間 ： 2011-10-20 熱處理設備課程設計任務書課題名稱課題名稱 650 90 kg/h 的箱式電阻爐設計完成時間完成時間2011-10-20指導教師指導教師 職稱職稱高工、講師高工、講師學生姓名學生姓名 班班 級級 總體設計要求和技術要點總體設計要求和技術要點總體設計要求：1.通過設計，培養(yǎng)學生具有初步的設計思想和分析問題、解決問題的能力，了解設計的一般方法

2、和步驟。2.初步培養(yǎng)學生的設計基本技能，如爐型的選擇、結構尺寸設計計算、繪圖、查閱手冊和設計資料，熟悉標準和規(guī)范等。3.使學生掌握設計熱處理設備的基本方法，能結合工程實際，選擇并設計常用熱處理設備，培養(yǎng)學生對工程技術問題的嚴肅認真和負責的態(tài)度。設計一臺熱處理箱式電阻爐，其技術要點為：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，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；3.最高工作溫度：650、750、850、950、1100、1200（選一個溫度） ；4.生產(chǎn)率：60-120kg/h（分 7 份） ；5.生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。工作內(nèi)容

3、及時間進度安排工作內(nèi)容及時間進度安排1.熱處理設備設計準備 0.5 天2.箱式電阻爐結構尺寸計算、選擇爐體材料、計算分配電阻爐加熱功率 0.5 天3.計算電熱元件尺寸、進行結構設計 0.5 天3.核算設備技術經(jīng)濟指標 0.5 天4.繪制電阻爐總圖、電熱元件零件圖 1.0 天5.編寫設計說明書、使用說明書 0.5 天6.設計總結 0.5 天7.答辨 1.0 天課程設計成果課程設計成果1、設計說明書：設計說明書是存檔文件，是設計的理論計算依據(jù)。說明書的格式如下：（1）統(tǒng)一模板，正規(guī)書寫；（2）說明書的內(nèi)容及計算說明項目：（a） 、對設計課題的分析；（b） 、設計計算過程；（c） 、爐子技術指標；（

4、d） 、參考文獻。2、設計圖紙：（1)電阻爐總圖一張（A3） ，要求如下：（a） 、圖面清晰，比例正確；（b） 、尺寸及其標注方法正確；（c） 、視圖、剖視圖完整正確；（d） 、注出必要的技術條件。（2）零件圖 3 張：電熱元件零件圖，爐門圖，爐襯圖（A4） 。3、使用說明書：電阻爐的技術規(guī)范及注意事項等。內(nèi)內(nèi) 容容 摘摘 要要650 90kg/h 的箱式電阻爐的設計。包括爐型的選擇、選擇爐體材料、箱式電阻爐結構尺寸設計計算、計算分配電阻爐加熱功率、計算電熱元件尺寸、核算設備技術經(jīng)濟指標、繪圖（電阻爐總圖一張，電熱元件零件圖，爐門圖，爐襯圖） 。關鍵詞：關鍵詞：箱式電阻爐、爐襯材料、砌體結構、

5、電熱元件、熱處理爐、技術經(jīng)濟指標目目 錄錄1 1 前前 言言.11.1 本設計的目的.11.2 本設計的技術要求.12 設計說明設計說明.22.1 確定爐體結構和尺寸.22.1.1 爐底面積的確定.22.1.2 確定爐膛尺寸.22.1.3 爐襯材料及厚度的確定.32.2 砌體平均表面積計算.32.2.1 爐頂平均面積.32.2.2 爐墻平均面積.42.2.3 爐底平均面積.42.3 根據(jù)熱平衡計算爐子功率.42.3.1 加熱工件所需的熱量 Q件.42.3.2 通過爐襯的散熱損失 Q散.42.3.3 開啟爐門的輻射熱損失.62.3.4 開啟爐門溢氣熱損失.62.3.5 其它熱損失.62.3.6

6、熱量總支出.72.3.7 爐子安裝功率.72.4 爐子熱效率計算.72.4.1 正常工作時的效率.72.4.2 在保溫階段，關閉時的效率.72.5 爐子空載功率計算.72.6 空爐升溫時間計算.72.6.1 爐墻及爐頂蓄熱.82.6.2 爐底蓄熱計算.82.6.3 爐底板蓄熱.92.7 功率的分配與接線.92.8 電熱元件材料選擇及計算.102.8.1 圖表法.102.8.2 理論計算法.102.9 爐子技術指標（標牌）.113 參考文參考文獻獻前 言 本設計的目的設計 650 90kg/h 的箱式電阻爐本設計的技術要求設計一臺熱處理電阻爐，其技術條件為：（1）.用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零

7、件的淬火、正火、調(diào)質(zhì)處理及回火。（2）.工件：中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；（3）.最高工作溫度：650；（4）.生產(chǎn)率：90kg/h；（5）.生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。設計設計說明說明2.1 確定爐體結構和尺寸確定爐體結構和尺寸 2.1.1 爐底面積的確定爐底面積的確定 因無定型產(chǎn)品，故不能使用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標法。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的單位面積生產(chǎn)率 P0為120kg/(m2h)。故可求的爐底的有效面積 F1=P/P0=0.75 m2 由于有效面積與爐底總面積存在關系式 F/F0=0.

8、780.85，取系數(shù)上限，得爐底實際面積 F=F1/0.85=0.88m2 2.1.2 確定爐膛尺寸確定爐膛尺寸由于熱處理箱式電阻爐設計時應考慮裝、出料方便,取 L/B=2，因此，可求的： L=1.328 m5.0/F B=L/2=0.664 m根據(jù)標準磚尺寸，為便于砌磚，取 L=1.392 m B=0.680 m 按統(tǒng)計資料，爐膛高度 H 與寬度 B 之比 H/B 通常在 0.50.9 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)6=1392 mm B=(120+2)3 +(40+2)2+（113+2）2=680 mm H

9、=(65+2)7+21=490 mm確定為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定空間，確定工作室有效尺寸為 L效=1200 mm B效=500 mm H效=350 mm F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+23.14B1/6L=3.97m2由經(jīng)驗公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系數(shù) C=30(kMh0.5)/(m1.81.55),空爐升溫時間假定為 升=4h，爐溫t=650。 所以 P安= 304-0.53.970.9（650/1000）1.55 =26.61 kW暫取 P安=30kW2.1.3 爐襯材料及厚度的確定爐襯材料

10、及厚度的確定由于側墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結構，即 113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚50mm 密度為 250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈113mmB 級硅藻土磚。 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115mm 膨脹珍珠巖。爐底采用三層 QN1.0 輕質(zhì)粘土磚（673）mm50mm 的普通硅酸鋁纖維氈182mmB 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。爐門用 65mm QN1.0 輕質(zhì)粘土磚80mm 密度為 250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈65mmA 級硅藻土磚。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

11、料選用 CrMnN 耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，分三塊或四塊，厚 20mm。2.2 砌體平均表面積計算砌體平均表面積計算L外L+2(115+50+115)=1950 mmB外B+2(115+50+115)=1240 mmH外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =1390 mm 式中：f拱頂高度，此爐子采用 60標準拱頂，取拱弧半徑 RB，則 f 可由fR（1cos30）求得。 2.2.1 爐頂平均面積爐頂平均面積F頂內(nèi)L1.392=0.991m2 R6680.014.32 F頂外B外L外1.724 m2 F頂均1.31 m2件件件件F F 2.2.2 爐墻平均面積爐墻平均

12、面積爐墻面積包括側墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)。F墻內(nèi)2LH2BH2H（LB）20.490(1.392+0.680)=2.031 m2F墻外2H外(L外B外)21.390(1.950+1.240)=8.868 m2F墻均4.24 m2件件件件F F 2.2.3 爐底平均面積爐底平均面積F底內(nèi)BL0.6801.3920.947 m2F底外B外L外1.2401.950=2.418 m2F底均1.51 m2件件件件F F2.3 根據(jù)熱平衡計算爐子功率根據(jù)熱平衡計算爐子功率2.3.1 加熱工件所需的熱量加熱工件所需的熱量 Q件件查表得，工件在 650及 20時比熱容分別為 c件 21.05

13、1kJ/(kg)，c件10.486kJ/(kg)Q件p(c件 2t1c件 1t0)90(1.0516500.48620)60609 kJ/h2.3.2 通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失 Q散散由于爐子側壁和前后墻爐襯結構相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計算，將爐門也包括在前墻內(nèi)。 根據(jù)式 Q散niiiiFs11n1t-t 對于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t2 墻540，t3 墻320，t4 墻60則耐火層 s1的平均溫度 ts1 均595，硅酸鋁纖維層 s2的平均溫度 ts2 均2540650 430，硅藻土磚層 s3的平均溫度 ts3 均190，s1、s3層爐2320540

14、260320 襯的熱導率由附表 3 得 10.29+0.25610-3ts1 均0.442W/(m) 30.131+0.2310-3ts3 均0.175W/(m) 普通硅酸鋁纖維的熱導率由附表 4 查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認為其熱導率與溫度成線性關系，由 ts2 均430，得 20.098W/(m) 當爐殼溫度為 60，室溫為 20時，由附表 2 近似計算得 12.17 W/(m) (1)求熱流 q墻3121231gattsssa 17.121175.0115.0098.005.0442.0115.020650 417.3W/ m2(2)驗算交界面上的溫度 t2 墻，t3 墻t2

15、墻=t1q墻541.4s0.26%ttt22件件件件5405404.5415%，滿足設計要求，不需重算。 t3 墻=t2 墻q墻328.2s 2.6%ttt33件件件件3203202.3285%，滿足設計要求，不需重算。(3)驗算爐殼溫度 t4 墻t4 墻=t3 墻q墻54.070s滿足一般熱處理電阻爐表面升溫50的要求。(4)計算爐墻散熱損失 Q墻散q墻F墻均417.34.241769.4 W同理可以求得t2 頂=583.9, t3 頂=374.2, t4 頂=38.5, q頂256.9 W/ m2t2 底=508.8, t3 底=356.7, t4 底=50.3, q底298.1 W/ m

16、2爐頂通過爐襯散熱 Q頂散q頂F頂均336.5 W爐底通過爐襯散熱Q底散q底F底均450.1 W整個爐體散熱損失 Q散Q墻散Q頂散Q底散2556 W 2.3.3 開啟爐門的輻射熱損失開啟爐門的輻射熱損失設裝出料所需時間為每小時 6 分鐘Q輻3.65.675Ft（）4（）4TgTa因為 Tg650273923K，Ta20273293K，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 FB0.6800.167 m2H2490.0 爐門開啟率 t0.1由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且與 B 之比為 0.36，爐門開啟高度與爐墻厚度之比H為0.88，由圖 114 第 1 條線查得 0.

17、66，故28.0245.0 Q輻3.65.675Ft（）4（）4TgTa 3.65.6750.1670.10.66（）4（）4100923 1617.7kJ/h2.3.4 開啟爐門溢氣熱損失開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t其中，qva1997B19970.6800.245=164.7m3/hHH245.0冷空氣密度 a1.29kg/ m3,由附表 10 得 ca1.342kJ/( m3),ta=20, tg為溢氣溫度，近似認為 tgta(tg-ta) 20(650-20)=440Q溢qvaaca(tgta) t164.71.291.342(44020)0.

18、111975.3 kJ/h2.3.5 其它熱損失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/h2.3.6 熱量總支出熱量總支出其中 Q輔0，Q控0，由下式得Q總Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+ Q它=86397.5 kJ/h2.3.7 爐子安裝功率爐子安裝功率P安件KQ 其中 K 為功率儲備系數(shù)，本爐設計中 K 取 1.5，則 P安36.0kW3600 86397.55.1與標準爐子相比較，取爐子功率為 35kW。2.4 爐子熱效率計算2.4.1 正常工作時的效率正常工作時的效率=60609/86397.5 =70.

19、2%件件QQ2.4.2 在保溫階段，關閉時的效率在保溫階段，關閉時的效率83.2%)(溢輻總件QQQQ2.5 爐子空載功率計算 P空3.5 kW件件QQ36009939.52556 2.6 空爐升溫時間計算由于所設計爐子的耐火層結構相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計算，將爐子側墻和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，進行單獨計算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。2.6.1 爐墻及爐頂蓄熱爐墻及爐頂蓄熱V 側粘21.392(100.067+0.135)0.115=0.258m3V 前后粘2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.115=0.239m3V

20、頂粘0.97(1.392+0.276)0.115=0.186m3V 側纖2(1.392+0.115)(100.067+0.135)0.05=0.121m3V 前后纖2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.05=0.104m3V 頂纖1.071(1.392+0.276)0.08=0.143m3V 側硅2 (100.067+0.135)(1.392+0.115)0.115=0.279m3V 前后硅21.240(150.067+0.135)0.115=0.325m3V 頂珍 1.9501.2400.115=0.278 m3Q蓄V粘粘c粘(t粘t0)+V纖纖c纖(t纖t0)+

21、V硅硅c硅(t硅t0)因為 t粘（t1t2墻）/2595.724.541650 查附表 3 得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3595.7=0.995 kJ/(kg) t纖（t2 墻t3 墻）/2434.822.3284.415查附表 3 得 c纖0.81+0.2810-3t纖0.81+0.2810-3434.8=0.932 kJ/(kg)t硅（t3 墻t4 墻）/2191.120.542.328查附表 3 得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2510-3191.1=0.888 kJ/(kg)所以得Q蓄 1(V 側粘+ V 前后粘+ V 頂粘)粘c粘

22、(t粘t0)+(V 側纖+ V 前后纖+ V頂纖)纖c纖(t纖t0)+( V 側硅+ V 前后硅+ V 頂硅)硅c硅(t硅t0) 493808 kJ/h2.6.2 爐底蓄熱計算爐底蓄熱計算V 底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042)0.113+(0.1130.120)21.392+(1.240-0.1152)(1.950-0.115)0.065 0.225m3V 底纖1.9501.2400.050.121m3V 底硅1.9501.2400.1820.440m3由于 t 底粘（t1t2 底）/2(650+508.8)/2579.4查附表 3 得 c 底粘0.84+0.26

23、10-3t 底粘0.991 kJ/(kg) t 底纖（t2 底t3 底）/2(508.8+356.7)/2432.8查附表 3 得 c 底纖0.81+0.2810-3t 底纖0.931 kJ/(kg) t 底硅（t3 底t4 底）/2(356.7+50.3)/2203.5查附表 3 得 c 底硅0.84+0.2510-3t 底硅0.891 kJ/(kg)所以得Q 底蓄0.2251.01030.991(579.4-20)+0.1210.251030.931(432.8-20)+0.4400.51030.891(203.5-20)172327 kJ/h2.6.3 爐底板蓄熱爐底板蓄熱根據(jù)附表 6

24、查得 650和 20時高合金鋼的比熱容分別為 c板 20.875kJ/(kg)和 c板 10.473kJ/(kg)。經(jīng)計算爐底板重量 G=180kg，所以有 Q 板蓄G(c板 2t1- c板 1t0)=180(0.8756509.46)100672.2 kJ/hQ蓄Q蓄 1Q 底蓄Q 板蓄766807 kJ/h空爐升溫時間 升6.1h件件PQ對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在 38 小時內(nèi)均可，故本爐子設計符合要求。因計算蓄熱時是按穩(wěn)定態(tài)計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應在 4 小時以內(nèi)。2.7 功率的分配與接線35kW 功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成 Y、 或 YY、 接線。

25、供電電壓為車間動力 380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負荷應在1535kW/ m2 之間，常用為 2025 kW/ m2 之間。 F電2F電側F電底21.3920.490+1.3920.680=2.31 m2 WP安/F電35/2. 3115.2kW/ m2 故符合設計要求。2.8 電熱元件材料選擇及計算由最高使用溫度 650，選用線狀 0Cr25Al15 合金電熱元件，接線方式采用 Y。2.8.1 圖表法圖表法由附表 15 查得 0Cr25Al1 電熱元件 35kW 箱式爐 Y 接線，直徑 d4.8mm 時，其表面負荷為 1.56W/ cm2。每組元件長度

26、 L組49.6m,總長度 L總148.8m,元件總重量 G總19.1kg。2.8.2 理論計算法理論計算法1、求 650時電熱元件的電阻率 t 當爐溫為 650時，電熱元件溫度取 1100，由附表 12 查得 0Cr25Al5 在 20時電阻率 201.40mm2/m，電阻溫度系數(shù) 410-5-1,則 1100下的電熱元件電阻率為 t20(1+t)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m2、確定電熱元件表面功率 由圖 53，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取 W允1.6W/ cm2。3、每組電熱元件功率 由于采用 Y 接法，即三相雙星形接法，每組元件功率 P組35/n=35/31

27、1.7 kW4、每組電熱元件端電壓 由于采用 YY 接法，車間動力電網(wǎng)電壓為 380V，故每組電熱元件端電壓即為每項電壓 U組380/=220V5、電熱元件直徑 線狀電熱元件直接由下式得 d34.34.7 mm223/tPUW允（）取 d=4.8 mm6、每組電熱元件長度和重量 每組電熱元件長度由下式得 L組0.78510-3 =0.78510-351.25mtPdU件件46.17.118.422022 每組電熱元件重量由下式得G組d2 L組M式中，M由附表 12 查得 M7.1g/ cm2所以得 G組d2 L組M6.58kg7、電熱元件的總長度和總重量 電熱元件總長度 L總3L組351.25

28、153.75m 電熱元件總重量 G總3G組19.74kg8、校核電熱元件表面負荷W實1.51W/ cm2件件dLP512548.014.310007.11 W實 W允，結果滿足設計要求。9、電熱元件在爐膛內(nèi)的布置 將 6 組電熱元件每組分為 4 折，布置在兩側爐墻及爐底上，則有 L折L組/4=51.25/412.81m 布置電熱元件繞成螺旋狀，當元件溫度高于 1000。由表 55 可知，螺旋節(jié)徑D=(46)d， 取 D=5d54.824mm 螺旋體圈數(shù) N 和螺距 h 分別為 NL折/D12.81/(3.1424) 103170 圈 hL/N（1392-50）/1707.9mm h/d=7.9

29、/3=2.6 按規(guī)定，h/d 在 24 范圍內(nèi)滿足設計要求。 根據(jù)計算，選用 Y 方式接線，采用 d4.8mm 所用電熱元件重量最小，成本最低。 電熱元件節(jié)距 h 在安裝時適當調(diào)整，爐口增大功率。 電熱元件引出棒材料選用 1Cr18Ni9Ti，12mm，l500mm。2.9 爐子技術指標（標牌）額定功率：35kW 額定電壓：380V使用溫度：650 生產(chǎn)率：90 kg/h相數(shù)：3 接線方法：Y 工作室有效尺寸：1200500350 外型尺寸：重量： 出廠日期：參參 考考 文文 獻獻1、熱處理爐 吉澤升、張雪龍、武云啟編著,哈爾濱工程大學出版社2、工程制圖 大連理工大學出版社組編3、熱處理爐設計手冊 機械工業(yè)出版社組指導教師評語及設計成績 評 語 課程設計成績： 指導教師： 日期： 年 月 日