中温箱式电阻炉设计.docx

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1、中温箱式电阻炉设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN目录设 计 任 务 2二炉 型 的 选 择 2三炉 膛 尺 寸 的 确 定 2四炉 体 结 构 设 计 与 材 料 选 择 4五电 阻 炉 功 率 的 计 算 8六电 热 元 件 的 设 计 1 4七参 考 资 料 2 0试验设计及计算一、设计任务设计要求：1、低合金钢调质用炉；2、最大生产率 75kg/h；3、画出总装图；4、画出炉衬图；5、画出炉壳图；6、画出电热元件接线图；7、写出设计说明书。数据及结果二、炉型的选择热处理的工件材料：碳钢、低合金钢； 热处理工艺：调质处理。对于碳钢和低合金钢奥氏

2、体化最高温度为【912+(3050) 】，回火的最高温度为 650，故选择中温炉即可，同时工件尺寸和形状没有特殊规定也不是长轴类，则选择箱式炉，并且无需大批量生产、品种多、工艺用途多，所以选择周期式作业。综上所述，决定选择周期式中温箱式电阻炉，不通保护气氛，炉子最高使用温度为 950。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸由于无典型工件，无法按排料法确定，故采用炉底强度指标法计算，即根据炉子的生产率及生产能力来计算。（1） 炉底有效面积：查参考文献【1】表 2-1 得，G =100kg/（m2h）h中温箱式电阻炉F = g 件 = 75 =效G100h（2） 炉膛有效尺寸：效L = （2 1.5）

3、F效L =0.75 1.6 =1390mm效取L =1390mm，效（3） 炉膛有效宽度：B = （1/ 2 2/3) F效效8B =5 0.75 =541mm效取B =550mm效=1390mmL效（4） 根据参考文献【1】表 2-2 选择标准尺寸为 1390550B 45/12mm 的炉底板，炉底板材料为Cr-Mn-N=550mm效故L =1390-100=1290mm，B效=550mm效2、炉膛内腔砌墙尺寸 取直行砖炉膛宽度：B =B +2（） 砌效B =1320mm砌砌取B =1208+409=1320 mm砌L =2036mm砌L =L +=+=1900mm砌效砌H =（）BH =1

4、320=854mm砌H =876mm砌取H =6712+35+37=876mm砌n=12 层四、炉体结构设计与材料选择（一）、选择炉衬材料部分炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；（2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）要保证炉壳表面温升小于50，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。（二）、炉体结构设计和尺寸本炉设计为三层炉壁（如右图所示）内层选用型轻质粘土砖，其厚度S

5、 =115mm；1铝耐火纤维，其厚度为S =40mm；2膨胀蛭石粉进行填充。查文献【2】表 1-5、1-9 知：型轻质粘土砖：密度 =800【kg/ m3】1B =+2=580mm炉膛长度：取L =5136+200=2036mm炉膛内高度：砌砌选择 12 层中间层选用密度为 120 kg/ m3 硅酸最外层选用B 级硅藻土砖为骨架，热导率 =+10-3t1比热容C =+10-3t【w/(m)】均【KJ/（kg）】1均硅酸铝纤维：密度=120【kg/ m3】2热导率 =+10-3t22【w/(m)】均比热容C =【KJ/（kg）】2膨胀蛭石粉：密度 =250【kg/ m3】3热导率 =+10-3

6、t3【w/(m)】均比热容 C =【KJ/（kg）】3 =，b =10-3；011 =，b =10-3033当t =60时，由文献【2】表 2-12 查得 =4【W/()】 q=（60-20）=（W/）将上述各数据代入公式得：S =115mm1S =40mm2S =230mmtb = 1 -l21+ l 2 + 2b (0.5bt 2 +l t -qs010111 101 11 0.2110-3() =131t =779t =950)2-0.165+ 0.1652 + 20.19410-3 0.50.19410-3 9502 +0.165950-486.80.115 t =6613t =604

7、= 779（）为了计算l 的值，先假设t =661，由此得硅酸铝纤维23的平均热导率的近似值 661 + 779 2+l = 0.0320.212 2 10-3 =【w/(m)】t t =32- q s2 = 779 - 486 .8 l 20.040.178= 690 t 因为 3- t690 - 6613 100% =100% = 0.43% 2 时，F1F - Fm2F1F=21mFln2F1其(中，) () ()F = 2 1B H( 砌砌+ L H砌砌+ B L砌砌)（）= 2 1.320 0.876 + 2.037 0.876 + 1.320 2037= 11 .26(F = 2

8、(B+ 2S)(H+ 2S)+ (L+ 2S) (H+ 2S )2+ B+ 2S)砌1)砌(L砌1砌1砌1砌1=+2SQ1散=（）F = 2 (B+ 2S+ 2S) (H+ 2S+ 2S)+ (L+ 2S+ 2S )KJ/h(3砌) 1(2砌) 1(2砌) 1 2H+ 2S砌1+ 2S2+ B+ 2S砌1+ 2S2 L+ 2S砌1+ 2S2=（）(F = 2 (B+ 2S+ 2S+ 2S) (H+ 2S+ 2S+ 2S )+4L+ 2S(+ 2S )( 砌1砌+ 2S212 H3 ) ( 砌3+ 2S1砌+ 2S21+ 2S23+3) B+ 2S砌1+ 2S2+ 2S3 L+ 2S砌1+ 2S

9、2+ 2S3=（）F /F 2，F /F 2，F /F 2213243F + F11.26 + 15.47 F=m112 =22= 13.36 （）F + F15.47 + 17.08F=23 =m 222= 16.27 （）F + F17.08 + 27.85F=34 =m322= 22.46 （）F =F =（）04将以上数据代入式（1）解得Q散-)t5、炉衬材料的总蓄热量Q=（KJ/h）Q= Vr蓄(C tC 蓄2 21 1总蓄热量 Q式中，V炉衬砌体的体积（m3）= KJt 、t12炉衬加热前后的平均温度（）总r 炉衬材料的体积密度（Kgm3）C 、C 炉衬加热前后的平均比热容【KJ/

10、12（kg）】C = 0.836 + 0.263 10-3 20 = 0.8412 KJ/（Kg）0C = 0.836 + 0.26310-3 t1均950 + 779= 0.836 + 0.263 10-3 = 1.06 KJ/（Kg）2C = 1.1KJ/（Kg）2C = 0.6573 KJ/（Kg）3V = 1.32 2.036 0.876 = 2.35m312V = 3.87m3辐V =Q=3V = m3h4DV = V - V121= 3.87 - 2.35 = 1.52 m3D V = V - V232D V = V - V343= 4.5 - 3.87 = 0.64m3= 9.3

11、4 - 4.51 = 4.73m3 =600Kg/m3 =120Kg/m3 =250Kg/m3121各层的蓄热量:Q= DV r蓄11(C t11 1- C t )0 0= 1.50 600 1.06 950 + 779 - 0.8412 20 = 810068 .42KJ同理Q= KJQ=蓄 2蓄 3总蓄热量Q=Q+ Q总蓄 1+ Q=蓄 2蓄 36、开启炉子的辐射热损失Q辐 T4 T4 Q= 5.6751 - 2 3.6Ffd（KJ/h）辐100 100 t式中，T 炉膛内部的绝对温度（K），1223K12T 炉外空气绝对温度(K),293KQ=溢F 炉门开启的面积（）h炉口开启尺寸 10

12、20mm837mm，即面积为f 炉口辐射遮蔽系数，查参考文献【2】图 2-16 得f =d 炉门开启率（%），开炉门时间设每小时 3 分钟Q=t它即得3d t = 60 = 0.0522193KJ/hQ=将其数据代入上式得：总Q =hh辅7、开启炉门的溢气热损失Q溢 T + T Q= VC 12 d（KJ/h）溢2 t式中，V进入炉内的空气流量（m3/h） C空气的平均比热容【KJ/（K）】，为 KJ/（K）P=90KW安T 、T 炉子内外的温度，分别为 950和 20h = 53.6%12d 炉门开启率，为t而V=2200BH H （m3/h），B 为炉门宽度（m），H 为炉门开启高度（m）

13、升t= 3.78 h T + T 故Q= 2200BH HC 12 d溢2 tP =空= 2200 1.32 0.837 0.837 1.4 950 + 20 0.05 = 43743 .12KJ/h8、其它热损失Q它Q =Q它=22193KJ/h散9、炉子每小时的总热量支出Q= Q总件=h+ Q+ Q+ Q辅控散+ Q+ Q+ Q辐溢它10、将总热量换算成计算功率P计QP=总236930.9= 65.8 KW计3600360011、炉子的装备功率PP=15 KWU=220 VP= K P 安= (1.31.5)P安计计= KW90KW12、电阻炉热效率h 的校核Q127015h =件 100

14、% =100% = 0.536%Q23690总一般电阻炉的热效率为 40%80%，故符合要求。13、空炉升温时间的校核Qt=蓄升3600P安12277.2= 3600 90 = 3.78 h符合要求。14、电阻炉的空载功率P空Q它P=散 + Q= 31704 .5 + 22193 .1 = 14.97KW空36003600符合要求 六、电热元件的设计（一）、电阻功率的分配因功率为 90KW，均匀分布在炉膛前后两个区。采用双星形接线法，供电电压为 380V。（二）、电阻元件材料的选择 选用 0Cr25Al5 线状电热元件（三）、电热元件的设计1、供电电压和接线供电电压为三相 380V，双星形联接

15、。d=7mmPP =安90= 15 KW3n3 2380L=492mU =3 = 220V总2、确定电热元件直径dd = 34.3 3P2 rtU 2W允式中， P 元件功率（KW），15KWU元件端电压（V），220VM= 158.916 kgr 工作温度下的电阻（.mm 2/m）总tW元件的允许表面负荷率（W/cm2），查参考允文献【1】表 7-4 可得：W= W/cm2()允其中， rt= r 1 + at0（.mm2/m）式中， r元件在 0时的电阻率（ .mm 2/m）0L =a 元件的电阻温度系数（ 1/）1t 元件的工作温度（），它比炉子的额定温()度高 100 200，此处选为

16、 1100 。故 r = rt0(1 + at)= 1.4 1 + 4 10 -5 1100= 1.5 .mm 2/mD=35mm将数据代入得：d= mm取d=7mm3、每根电热元件长度L 和总长度L总U2d2L = 0.785 10-3mPrn=62 圈h=.mm 2/mt式中，U元件端电压（V），220VP元件功率（KW）,24KW d元件线材直径（mm）,7mmr 工作温度下的电阻率（.mm2/m），t故 L=82mL = 5.125 m1L =L= nL = 6 82 = 492 m2总W = 102 P =100 15= 1.49 1.6p dL3.14 7 824、计算电热元件的重

17、量M 和 M总W/cm3，符合要求。D=35mm查参考文献【2】表 3-17 知，直径为 7mm 的 0Cr25Al5 电热元件重量为m，则：M = 0.323 82 = 26.486 kgM= 6 26.486 = 158.916kg总（四）电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，均匀布置于两侧墙及炉底，分为前后两个区，侧墙为 16 层，炉底为 16 层。1、炉墙每排电热元件的展开长度：L = 82 = 6.83 m112每排电热元件的搁砖长度：L =36512=918 mm2电热元件螺旋直径D ：查参考文献【2】表 3-19 选择D=5d，即D=5n =41 圈h = 23mmL =48

18、5mm引7=35mm每排电热元件的圈数：SND7240Ln =1= 6.83103 = 62 圈20 号保护套管p D3.14 35电热元件螺旋节距：L918h =2 = 14.8 mmn62按h=（24）d 校验h：h14.8d =7= 2.11，符合要求。2、炉底每排电热元件的展开长度：L = 82 = 5.125 m1162每排电热元件的搁砖长度： L =电热元件螺旋直径D ：查参考文献【2】表 3-19 选择D = 5d ，即D,=35mm 每排电热元件的圈数：L SND7240 02n =1 = 41 圈p D号保护套管电热元件螺旋节距：L h =2 = 23 mmn按h=（24）d

19、 校验h：h = 3.28 ，符合要求。d（五）、电热元件引出棒及其套管的设计与选择1、引出棒的设计引出棒必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用 1Cr18Ni9Ti；=20mm；丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。引出棒长度：L= 20 + 115 + 40 + 230 + 80 = 485 mm引2、保护套管的选择根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计及炉墙尺寸引出棒直径，因为 L侧墙= 115 + 40 + 230 = 375mm，引出棒的直径d=20mm，所以选用SND724040 号套管，高铝矾土，重量。套管直径为：d= 25 mm内d= 40mm，长度 2

20、50mm。外（六）、热电偶及其保护套管的设计与选择1、热电偶的选择由于炉内最高的温度为 950.长期使用的温度在 1000以下，所以选用镍铬-镍硅热电偶。选用型号WRN-520 的镍铬-镍硅热电偶，保护管规格选择，外径 20mm，插入长度为 500mm。保护材料为双层瓷管。2、热电偶保护套管的选择L=115+40+230=385mm。热电偶外径为 20mm，插入长度为炉顶500mm。根据这些条件，应该选用SND724002,高铝矾土，重量。d = 16 mm、d内外= 30 mm，长度为 250mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。参考文献1、华小珍.热处理炉.南昌航空大学出版.20082、华小珍、崔霞.热处理炉课程设计指导.南昌航空大学出版.20083、吉泽升.热处理炉.哈尔滨工业大学出版.2000