75KW 箱式电阻炉设计.doc

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1、目 录1 前 言11.1 本设计的目的11.2 本设计的技术要求12 设计说明22.1 确定炉体结构和尺寸22.1.1 炉底面积的确定22.1.2 确定炉膛尺寸22.1.3 炉衬材料及厚度的确定32.2 砌体平均表面积计算32.2.1 炉顶平均面积32.2.2 炉墙平均面积42.2.3 炉底平均面积42.3 根据热平衡计算炉子功率42.3.1 加热工件所需的热量Q件42.3.2 通过炉衬的散热损失Q散42.3.3 开启炉门的辐射热损失62.3.4 开启炉门溢气热损失62.3.5 其它热损失62.3.6 热量总支出72.3.7 炉子安装功率72.4 炉子热效率计算72.4.1 正常工作时的效率7

2、2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率72.5 炉子空载功率计算72.6 空炉升温时间计算72.6.1 炉墙及炉顶蓄热82.6.2 炉底蓄热计算82.6.3 炉底板蓄热92.7 功率的分配与接线92.8 电热元件材料选择及计算102.8.1 图表法102.8.2 理论计算法102.9 炉子技术指标（标牌）111 前 言1.1 本设计的目的设计75KW 950 1600kg/h的箱式电阻炉设计1.2 本设计的技术要求设计一台高温电阻炉，其技术条件为：（1） 用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。（2） 工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；（3） 最高工作

3、温度：950；（4） 生产率：160kg/h；（5） 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。2 设计说明2.1 确定炉体结构和尺寸2.1.1 炉底面积 由于无定型产品，所以不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=160，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为120kg/(m2h)。则可求出炉底的有效面积 F1=P/P0=4/3 m2 因为有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.700.85，取系数上限，得炉底实际面积 F=F1/0.8=5/3 m22.1.2 炉膛尺寸 为防止工件装、出料时碰撞电热元件和保证工件温度的均匀性，工件与电热元件或工件与炉

4、膛前、后壁之间应保持一定距离，一般为0.10.15m。由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取 L/B=2：1 因此，可求的： L= m B=L/2= m按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9之间，根据炉子的工作条件，取H/B=0.6左右。则H= m 因此： F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+23.14B1/6L=由经验公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系数C=30(kMh0.5)/(m1.81.55),空炉生温时间假定问升=4h，炉温t=950。 所以 304-0.5（5/3）0.9（950/1000）1.55= P安 解得

5、，P=25.77 KW 则 L=1.825m B=0.912m H=0.547m 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 L=1.840m B=0.904m H=0.585m 可以确定炉膛尺寸如下 L=(230+2)8=1856mm B=(113+2)8=920mm H=(65+2)9=603mm确定为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定空间，确定工作室有效尺寸为 L效=1700 mm B效=770 mm H效=500 mm2.1.3 炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖50mm 密度为250kg/m3的

6、普通硅酸铝纤维毡113mmB级硅藻土砖。 炉顶采用113mmQN1.0轻质粘土砖80mm密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维毡115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN1.0轻质粘土砖（673）mm50mm的普通硅酸铝纤维毡182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm QN1.0轻质粘土砖80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。2.2 砌体平均表面积计算L外L+2(115+50+115)=2260mmB外B+2(115+

7、50+115)=1330mmH外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =372+89+310+268+50+182 =1413mm 式中：f拱顶高度，此炉子采用60标准拱顶，取拱弧半径RB，则f可由fR（1cos30）求得。2.2.1 炉顶平均面积F顶内L1.7=1.37 m2 F顶外B外L外1.332.26=3.0058 m2 F顶均2.029 m22.2.2 炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。F墙内2LH2BH2H（LB）20.5(1.7+0.77)=2.47m2F墙外2H外(L外B外)21.413(2.26+1.33)=10.145m2

8、F墙均5.006m22.2.3 炉底平均面积F底内BL0.771.71.309m2F底外B外L外1.332.26=3.0058m2F底均1.381m22.3 根据热平衡计算炉子功率2.3.1 加热工件所需的热量Q件查表得，工件在950及20时比热容分别为c件20.486kJ/(kg)，c件10.486kJ/(kg)Q件p(c件2t1c件1t0)160(0.4869500.48620)72316.8kJ/h2.3.2 通过炉衬的散热损失Q散由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉包括在前墙内。 根据式 Q散 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙780，

9、t3墙450，t4墙60则 耐火层s1的平均温度ts1均865，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均615，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均255，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得 10.29+0.25610-3ts1均0.465W/(m) 30.131+0.2310-3ts3均0.119W/(m) 普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均490，得 20.100W/(m) 当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2近似计算得12.17 W/(m) (1)求热流 q墙 632.2W/ m2(2)验算交界面上的温度t2墙，t3墙t2

10、墙=t1q墙7941.76%5%，满足设计要求，不需重算。 t3墙=t2墙q墙478 5.9%5%，满足设计要求，不需重算。(3)验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙q墙7280满足一般热处理电阻炉表面升温50的要求。(4)计算炉墙散热损失 Q墙散q墙F墙均632.25.0063164.8W同理可以求得t2顶=646.9, t3顶=296.9, t4顶=55.63, q顶419.6 W/ m2t2底=618.4, t3底=446.7, t4底=44.3, q底301.5 W/ m2炉顶通过炉衬散热 Q顶散q顶F顶均1235.5 W炉底通过炉衬散热Q底散q底F底均1466.1 W整个炉体散热损失 Q

11、散Q墙散Q顶散Q底散 1662.4+1235.5+1466.1 5866kJ/h2.3.3 开启炉门的辐射热损失设装出料所需时间为每小时6分钟Q辐3.65.675Ft（）4（）4因为Tg9502731223K，Ta20273293K，由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 炉门开启面积FB0.770.1925 m2 炉门开启率t0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.25/0.77=0.324，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.664，由图114第1条线查得0.6，故 Q辐3.65.675Ft（）4（）4 3.65.6750.1240.10.6（）4（）4 1654kJ/h

12、2.3.4 开启炉门溢气热损失溢气热损失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t其中，qva1997B19970.6640.186=106.4 m3/h冷空气密度a1.29kg/ m3,由附表10得ca1.342kJ/( m3),ta=20, tg为溢气温度，近似认为tgta(tg-ta) 20(750-20)=506.7Q溢qvaaca(tgta) t106.41.291.342(75020)0.18964.9 kJ/h2.3.5 其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故Q它0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=7023.1 kJ/h2.3.6 热量总支出其中Q辅0，Q控0，

13、由下式得Q总Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它=57188.4 kJ/h2.3.7 炉子安装功率P安 其中K为功率储备系数，本炉设计中K取2，则 P安31.8kW与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW。2.4 炉子热效率计算2.4.1 正常工作时的效率=64.1%2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率78.7%2.5 炉子空载功率计算 P空2.75 kW2.6 空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙和前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。2.6.1 炉墙及炉顶蓄热V侧粘21

14、.277(120.067+0.135)0.115=0.276m3V前后粘2(0.664+0.1152)(160.067+0.135)0.115=0.248m3V顶粘0.97(1.277+0.276)0.115=0.173m3V侧纤2(1.277+0.115)(120.067+0.135)0.05=0.131m3V前后纤2(0.664+0.1152)(160.067+0.135)0.05=0.108m3V顶纤1.071(1.277+0.276)0.08=0.108m3V侧硅2 (120.067+0.135)(1.277+0.115)0.115=0.301m3V前后硅21.43(160.067+0

15、.135)0.115=0.397m3V顶硅2.31.430.115=0.378 m3Q蓄V粘粘c粘(t粘t0)+V纤纤c纤(t纤t0)+ V硅硅c硅(t硅t0)因为t粘（t1t2墙）/2688.65查附表3得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3688.65=1.014 kJ/(kg) t纤（t2墙t3墙）/2503.15查附表3得 c纤0.81+0.2810-3t纤0.84+0.2610-3503.15=0.951 kJ/(kg)t硅（t3墙t4墙）/2219.85查附表3得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2610-3219.85=0.895 kJ/

16、(kg)所以得Q蓄1(V侧粘+ V前后粘+ V顶粘)粘c粘(t粘t0)+(V侧纤+ V前后纤+ V顶纤)纤c纤(t纤t0)+( V侧硅+ V前后硅+ V顶硅)硅c硅(t硅t0) 604390.29 kJ/h2.6.2 炉底蓄热计算V底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042+0.065)0.113+(0.1130.120)21.277+(1.224-0.1152)(1.837-0.115)0.065 0.217m3V底纤1.8371.2240.050.112 m3V底硅1.8371.2240.1820.409 m3由于t底粘（t1t2底）/2(750+618.4)/2684

17、.2查附表3得 c底粘0.84+0.2610-3t底粘1.02 kJ/(kg) t底纤（t2底t3底）/2(618.4+446.7)/2532.55查附表3得 c底纤0.81+0.2810-3t底纤0.959 kJ/(kg) t底硅（t3底t4底）/2(446.7+44.3)/2245.5查附表3得 c底硅0.84+0.2510-3t底硅0.901 kJ/(kg)所以得Q底蓄0.2171.01031.02(684.2-20)+0.1120.251030.959(532.55-20)+0.4090.51030.901(245.5-20)212326.4 kJ/h2.6.3 炉底板蓄热根据附表6查

18、得750和20时高合金钢的比热容分别为c板20.691kJ/(kg)和c板10.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=240kg，所以有 Q板蓄G(c板2t1- c板1t0)=242(0.6917509.46)122109.6 kJ/hQ蓄Q蓄1Q底蓄Q板蓄604390.29212326.41122109.6938826.3 kJ/h空炉升温时间 升7.45h 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38小时内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。2.7 功率的分配与接线35kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、或YY、

19、接线。供电电压为车间动力380V。 核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在1535kW/ m2 之间，常用为2025 kW/ m2 之间。 F电2F电侧F电底21.2770.372+1.2770.664=1.798 m2 WP安/F电45/2.0920.31 kW/ m2 表面负荷在常用范围2025 kW/ m2 之内，故符合设计要求。2.8 电热元件材料选择及计算由最高使用温度750，选用线状0Cr25Al5合金电热元件，接线方式采用Y。2.8.1 图表法由附表15查得0Cr25Al5电热元件35kW箱式炉YY接线，直径d4.8mm时，其表面负荷为1.56 W/

20、 cm2。每组元件长度L组49.6 m,总长度L总148.8 m,元件总重量G总19.1kg。2.8.2 理论计算法1、求750时电热元件的电阻率t 当炉温为750时，电热元件温度取1100，由附表12查得0Cr25Al5在20时电阻率201.40mm2/m，电阻温度系数410-5-1,则1100下的电热元件电阻率为 t20(1+t)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m2、确定电热元件表面功率 由图53，根据本炉子电热元件工作条件取W允1.6 W/ cm2。3、每组电热元件功率 由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率 P组35/n=35/(31)11.7kW4

21、、每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压 U组380/=220V5、电热元件直径 线状电热元件直接由下式得 d34.34.7mm6、每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由下式得 L组0.78510-3 =0.78510-351.25mm 每组电热元件重量由下式得G组d2 L组M式中，M由附表12查得M7.1g/ cm2所以得 G组d2 L组M6.58kg7、电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度 L总3L组351.25153.75mm 电热元件总重量 G总3G组19.74kg8、校核电热元件表面负荷W实1.51 W/ cm2 W

22、实 W允，结果满足设计要求。9、电热元件在炉膛内的布置 将3组电热元件每组分为6折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有 L折L组/6=51.25/68.54mm 布置电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000。由表55可知，螺旋节径D=(46)d， 取D=6d64.828.8mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为 NL折/D8.54/(3.1428.8) 10395圈 hL/N1225/9512.9mm h/d=12.9/4.8=2.69 按规定，h/d在24范围内满足设计要求。 根据计算，选用Y方式接线，采用d4.8mm所用电热元件重量最小，成本最低。 电热元件节距h在安装时适当调整，炉口增大功率。 电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，12mm，l500mm。2.9 炉子技术指标（标牌）额定功率：75kW 额定电压：380V使用温度：950 生产率：160 kg/h相数：3 接线方法：YY工作室有效尺寸：1100500280 外型尺寸：重量： 出厂日期：参 考 文 献1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著 哈尔滨工程大学出版社2、工程制图 大连理工大学出版社组编3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组 第 13 页