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1、2022-8-21主讲主讲教师：管登高教师：管登高 重重 点：点： 设计方法与步骤设计方法与步骤 教学要求教学要求：掌握箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。掌握箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。 为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为： (1)(1)用途：用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；理批量为多品种，小批量； (2)(2)生产率生产率：160kg/h； (3)(3)工作温度工作温度：
2、最高使用温度最高使用温度950； (4)(4)生产特点生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。周期式成批装料，长时间连续生产。 1 1炉底面积的确定炉底面积的确定 因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。已知生产率只能用加热能力指标法。已知生产率p为为160kg/h，按表，按表51选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为为120kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积，故可求得炉底有效面积 根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱
3、式热处理电阻加热炉，不通保护气氛。阻加热炉，不通保护气氛。20133.1120160mPPF 有效面积与炉底总面积存在关系式有效面积与炉底总面积存在关系式F1/F=0.750.85，取系数上限，得炉底实际面积取系数上限，得炉底实际面积 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L =1.741m， B=0 .869m。2157. 185. 033. 185. 0mFF 由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取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，而，而F=LB=0.5L2，因此，可求得，因此，可求得mLBmFL886. 02/772. 12/77
4、2. 15 . 0/57. 15 . 0/见图示 2 2炉底长度和宽度的确定炉底长度和宽度的确定 3 3炉膛高度的确定炉膛高度的确定 按统计资料，炉膛高度按统计资料，炉膛高度H与宽度与宽度B之比之比H/B通常在通常在0.50.9之间，根据炉子工作条件，取之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.640m。因此，确定炉膛尺寸如下：因此，确定炉膛尺寸如下：mmHmmBmmL64037926586922113224026542120174122123072230）（高）（）（）（）（宽）（）（长炉底支撑砖厚度炉底支撑砖厚度拱角
5、砖矮边拱角砖矮边高度高度炉底搁砖宽度炉底搁砖宽度砖砖 缝缝长度长度砖长砖长 为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为：空间，确定工作室有效尺寸为： L效效=1500mm ； B效效=700 mm； H效效=500mm 4 4炉衬材料及厚度的确定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，即炉衬结构，即113mmQN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖+50mm密度为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡
6、的普通硅酸铝纤维毡+ 113mrnB级硅藻土砖。级硅藻土砖。 炉顶炉顶 采用采用113mmQN 1. 0轻质粘土砖十轻质粘土砖十80mm密度为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩。 炉底炉底 采用三层采用三层QN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖(67 3)mm + 50mm密度为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门炉门 用用65mmQN1.0轻质粘土砖轻质粘土砖+80mm密度为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡的普通硅酸铝纤维毡+
7、65mmA级硅藻土砖。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炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。高铝砖。（注（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）是砖缝的宽度。） 炉底板材料选用炉底板材料选用CrMnN耐热钢，根据炉底实际尺寸耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚给出，分三块或四块，厚20mm。 砌体外廓尺寸如图砌体外廓尺寸如图515所示所示（教材图（教材图5-9）。）。 L外外=L+2(115+50+115) = 2360mm B外外=B+2(115+50+115)=1490mm H外外=H+f+(115+80+115)+674+50+182 炉炉
8、 顶顶 厚厚 4 块粘土砖高块粘土砖高 炉炉 底保温层厚底保温层厚 =640+116+310+268+50+182 =1566 mm 式中：式中：f 拱顶高度，此炉子采用拱顶高度，此炉子采用600标准拱顶，取拱弧标准拱顶，取拱弧半径半径R=B，则，则f可由可由f =R(1- co300 )求得。求得。炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在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。前墙内。 F墙内墙内=2LH十十2BH= 2H(L十十B) =20.640(1.741+0.869) =3 .341m2 F墙外墙外=2H外外(L外外+B外外)=21.566 (2.360+1.
9、490) =12 .058m2炉顶平均面积炉顶平均面积 222360. 2516. 3585. 1516. 3360. 2490. 1585. 1741. 16869. 014. 3262mFFFmLBFmLRF顶外内顶顶均外外顶外顶内2炉墙平均面积炉墙平均面积五、计算炉子功率五、计算炉子功率 1 1根据经验公式法计算炉子功率根据经验公式法计算炉子功率 由式由式(514) 222304. 2516. 351. 1516. 3360. 2490. 151. 1741. 1869. 0mFFFmLBFmLBF底外底内底均外外底外底内55.19.05.0)1000(tFCP升安炉底平均面积墙外墙内墙
10、均.3)(25.668.11341.32mFFF取式中系数取式中系数C=30(kW Wh0.5)/(m1.8 8C1.55)，空炉升温时间，空炉升温时间假定为假定为升升= 4h，炉温，炉温t =950，炉膛内壁面积，炉膛内壁面积F壁壁 由经验公式法计算得由经验公式法计算得P安安75 (kW)kWtFCPmF1 .74)1000950(44. 6430)1000(44. 6741. 136060869. 014. 32869. 0741. 1)64. 0869. 0(2)640. 0741. 1255. 19 . 05 . 055. 19 . 05 . 0200升安壁所以（ (1)(1)加热工件
11、所需的热量加热工件所需的热量Q Q件件 由附表由附表6得，工件在得，工件在950及及20时比热容分别为时比热容分别为 C件件2 = 0. 63kJ/(kg ) ， C件件1=0.486kJ/(kg)，根据式根据式(51) Q件件= P(C件件2 t1C件件1to) =160 (0.63950-0.486 20) =95117 kJ/h （ p每小时装炉量）每小时装炉量） (2)通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失Q散散 由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据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，将炉门包括在前墙内处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内。2根据热平
12、衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率）（）（）（件15/1122hkJtctcPQ 根据式根据式(115）niiinFstt111散对于炉墙散热，如图对于炉墙散热，如图516所所示，首先假定界面上的温度及炉示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，壳温度，t2 墙墙 = 7800 ，t3 墙墙 = 485，t t4 墙墙=60则则 耐火层耐火层S1的平均温度的平均温度 ts1均均=（950+780）/2=865，硅酸铝纤维层硅酸铝纤维层S2的平均温度的平均温度 ts2均均=（780+485）/2=632.5,硅藻土砖层硅藻土砖层S3的平均温度的平均温度 ts3均均=（485+60）/2=272.5，
13、S1、S3层炉衬的热导率由附表层炉衬的热导率由附表3得得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均均 =0.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3均均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(m)。 普通硅酸铝纤维的热导率由附表普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温查得，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，度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由由tS2均均= 632.5 ，得，得 2=0 .129W/ ( m) 当炉壳温度为当炉壳温度为60，室温为，室温为20
14、时，由附表时，由附表2经近似经近似计算得计算得=12. 17W /(m2 2) （综合传热系数）（综合传热系数） 求热流求热流2332211/4.73017.121194.0115.0129.005.0511.0115.0209501mWasssttgqa墙不需重算。不需重算。满足设计要求墙墙墙墙墙墙墙墙墙墙墙%,5%64. 2%1004854858 .4978 .497129. 005. 04 .7306 .788,%,5%1 . 1%1007807806 .7886 .788511. 0115. 04 .73095033322232221112tttSqtttttSqtt验算交界面上的温度
15、验算交界面上的温度t t2 2墙墙、t t3 3墙墙满足一般热处理电阻炉表面温升满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。室温的要求。室温20 验算炉壳温度验算炉壳温度t t4 4墙墙Sqtt709 .64194. 0115. 04 .7308 .4973334墙墙墙计算炉墙散热损失计算炉墙散热损失 Q墙散墙散=q墙墙F墙均墙均=730 .4 6.25=4562.5W同理可以求得同理可以求得 t2顶顶=844 .39； t3顶顶=562 .6 ； t4顶顶=53； q 顶顶= 485 .4 W/m2 t2底底=782 .2，t3底底568 .54，t4底底=53.7， q底底=572 . 2 W
16、/m2 炉顶通过炉衬散热炉顶通过炉衬散热 Q顶散顶散=q顶顶F顶均顶均=485.42.29=1111.6 W 炉底通过护衬散热炉底通过护衬散热 Q底散底散=q底底.F底均底均=572.2 2.23=1276 W整个炉体散热损失整个炉体散热损失 Q散散=Q墙散墙散+Q顶散十顶散十Q底散底散 =4562 .5+1111 .6+1276 =6950 .1w （因为（因为1W=3.6kJ/h）所以所以 Q散散 =3.6 6950.1=25020 .4kJ/h606=0.1炉门开启率炉门开启率 t =(3)(3)开启炉门的辐射热损失开启炉门的辐射热损失 设装出料所需时间为每小时设装出料所需时间为每小时6
17、分钟，根据式分钟，根据式(56) 100100675. 56 . 344）（）（辐TaTgFt式中：式中：C黑体辐射系数；黑体辐射系数； F炉门开启面积或缝隙面积（炉门开启面积或缝隙面积（m）；）； 3.6系数；系数；炉口遮蔽系数；炉口遮蔽系数； t炉门开启率炉门开启率(即平均即平均1小时内开启的时间小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁，对常开炉门或炉壁缝隙而言缝隙而言t=1。2640. 02H 因为因为Tg=950+273=1223K，T=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 炉门开启面积炉门开启面积 F=B
18、 =0.869=0.278m2由于炉门开启后，辐射口为矩形，且由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与与B之比为之比为 0.32/0.869= 0.37，（可看出此为一拉长，（可看出此为一拉长的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为H/S=0.32/0.28=1.14，由图，由图114第第1条线查得条线查得=0.7，故，故 hkJTTgFQ/75.8877)100293()1001223(7 . 01 . 0278. 06 . 3675. 5100100675. 56 . 34444）（）（辐0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002
19、)+0.05 (m)图图1-14ttttttmkJCamkgagaggaa640)20950(3220)(32,20)/(342. 110/29. 133近似认为：为溢气温度，得，由附表冷空气密度hmHHBqVa/1 .31432. 032. 0869. 019972219973(4)(4)开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式溢气热损失由式(57 Q吸吸 )得得 Q溢溢 =qVC(ttg t)t其中，其中，qV由式（由式（58 qva=1997BH ）得）得 H 其它热损失约为上述热损失之和的其它热损失约为上述热损失之和的10%20%，故，故 Q它它=0.13(Q件件+Q散散+
20、Q辐辐+Q溢溢)=0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713) =23346 .1 kJ/hhkJttCqQtagaaVa/337131 . 0)20640(342. 129. 11 .314）（溢3600115总安）由式（KQP其中其中Q辅辅=0，Q控控=0，由式，由式(5l0)得得 Q总总=Q件件+Q辅辅+Q控控+Q散散+Q辐辐+Q溢溢+Q它它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h360020293124 . 1 其中其中K为功率储备系数，本炉设计中为功率储备系数，本炉设计中K取取1.4，则，则 P安
21、安= =78.9 Kw与标准炉子相比较，取炉子功率为与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。 由式由式(512)(512) %3 .59%100)337137 .8877(2 .20293195117）（溢辐总件QQQQ%2 .47%1002 .20293195117%100总件QQ）（总件125%100QQ kwQQP4 .1336001 .233464 .250203600它散空 由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄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、前后墙及炉顶按热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，
22、进行单独计相同数据计算，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。算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。1.炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热顶粘 0.97(1.741+0.276) 0.115=0.225m3后前粘2(0.869+0.1152)(160.067+0.135)=0.305m3侧粘 21.741(120.067+0.135) 0.115=0.376m3拱角砖的厚度拱角砖的厚度顶珍 2.31.430.115=0.378 m3后前硅21.43(160.067+0.135) 0.115=0.397 m3侧硅2(120.067+0.135) (1.741
23、+0.115) 0.115=0.401 m3顶纤1.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m3后前粘 2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05=0.133 m3侧纤2(1.741+0.115) (120.067+0.135) 0.05=0.174 m3由式（由式（59）得：得：tttkgkJtCtttttCVttCVttCVQ2 .64328 .4976 .7882/ )()/(066.13 .8691026. 084.01026.084.033 .86926 .7889502/3321000纤粘粘墙粘硅硅硅硅纤纤纤纤粘粘粘粘蓄得查附表）（因为）（）（）
24、（蓄蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（）（kJ） （59）)/(91. 04 .2781025. 084. 01025. 084. 033 .28126498 .4972/ )()/(99. 02 .6431028. 081. 01028. 081. 03334333kgkJtCtttkgkJtC硅硅墙墙硅纤纤得查附表得查附表炉底蓄热计算炉底蓄热计算kJttCVVVttCVVVttCVVVQ1032238203 .28191. 0105 . 0378. 0397. 0401. 0202 .64399. 01025. 0173. 0133. 0174. 0203 .
25、869. 0066. 1100 . 1225. 0305. 0376. 03330001）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（所以得硅硅硅顶硅前后硅侧硅纤纤纤顶纤前后纤侧纤粘粘粘顶粘前后粘侧粘蓄查附表3得tttkgkJtCtttkgkJtCtttmVmV3112/7 .535 .5682/999. 06751028. 081. 01028. 081. 036752/5 .5682 .7882/065. 11 .8661026. 084. 01026. 084. 01 .8662/2 .7829502/600. 0182. 043. 13 . 2164. 005. 043. 13 .
26、2433332332133）（）（）（得查附表）（）（）（）（）（由于底底底硅底纤底纤底底底纤底粘底粘底底粘底硅底纤3 3炉底板蓄热炉底板蓄热 根据附表根据附表6查得查得950和和20时高合金钢的比热容分时高合金钢的比热容分别为别为C板板2 = 0 . 670kJ/( kg )和和C板板1 =0.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量经计算炉底板重量G=242kg，所以有，所以有Q蓄板蓄板=G(C板板2t1-C板板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJkJQkgkJtC389880)20311(918.0105.06.0)20675(990.01025.0164.0)2
27、01.866(065.1100.134.0)/(918.03111025.084.01025.084.033333底蓄底硅底硅所以得 对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内小时内均可，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计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小小时以内。时以内。由由式式(513)(513)得空炉升温时间得空炉升温时间Q蓄蓄=Q蓄蓄1+Q蓄底蓄底+Q蓄板蓄板 =1032238+389880+15174.36=1573861
28、.6kJhPQ8 . 57536006 .15788613600安蓄升 75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、或或YY,、接线。供电电压为车间动力电网接线。供电电压为车间动力电网380 V 。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在炉，内壁表面负荷应在1535kw/m2之间，常用为20 25kw/m2之间。表面负荷在表面负荷在20 25kW/m2常用的范围之内，故符合设计常用的范围之内，故符合设计要求。要求。22/05.2074. 375/74. 3869. 0741. 164
29、. 0741. 122mkWFPWmFFF电安电底电侧电 1 1图表法图表法 由附表由附表15查得查得0Cr25A15电热元件电热元件75kW箱式炉箱式炉YY接接线，直径线，直径d = 5mm时，其表面负荷为时，其表面负荷为1. 58W/cm2。每组元。每组元件长度件长度L组组=50.5m，总长度，总长度L总总 = 303. 0m,元件总重量元件总重量G总总=42 .3kg, 2 2、理论计算法、理论计算法 (1)求求950时电热元件的电阻率时电热元件的电阻率t 当炉温为当炉温为950时，电热元件温度取时，电热元件温度取1100，由附表，由附表12查得查得0Cr25A15在在20时电阻率时电阻
30、率20=1.40mm2/m， 由最高使用温度由最高使用温度950，选用线状，选用线状0Cr25Al5合金合金作电热元件，接线方式采用作电热元件，接线方式采用YY。(4)(4)每组电热元件端电压每组电热元件端电压 由于采用由于采用YY接法，车间动力电网端电压为接法，车间动力电网端电压为380V，故，故每组电热元件端电压即为每相电压每组电热元件端电压即为每相电压 由于采用由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率接法，即三相双星形接法，每组元件功率 (2)(2)确定电热元件表面功率确定电热元件表面功率 由图由图53，根据本炉子电热元件工作条件取，根据本炉子电热元件工作条件取 W允允 =1.6
31、W/CmkWnP5 .12237575组电阻温度系数电阻温度系数=410-5-1，则，则1100下的电热元件电阻下的电热元件电阻率为率为t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m (5)(5)电热元件直径电热元件直径 线状电热元件直径由式线状电热元件直径由式(524)得得取取d=5mm (6)(6)每组电热元件长度和重量每组电热元件长度和重量 每组电热元件长度由式每组电热元件长度由式(525)得得每组电热元件重量由式每组电热元件重量由式(526)得得VU2203380组mmWUPdt9 . 4)6 . 1220/(46. 15 .123 .34)/(3 .3432232
32、2允组组mPdULt07.5246. 15 .12522010785. 010785. 0223223组组组MLdG组组24 电热元件总长度由式电热元件总长度由式(527)得得 L总总=6L组组 =652.07=312.44m 电热元件总重量由式电热元件总重量由式(528)得得 G总总 = 6 G组组=67 .26 = 43 .56kg 式中，式中，M由附表由附表12查得查得M =7. 1g/cm2 所以得所以得kgLdGM26. 7101 . 707.525414. 34322组组w实W允，结果满足设计要求。 23/53. 17 .52005. 014. 3105 .12CmWLdPW组组实
33、所需电热元件总长度和总重量为需电热元件总长度和总重量为 L总= nL （m） （5-27） G总= nG （kg） （5-28） 将将6组电热元件每组分为组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有底上，则有 mLL02.13407.524组折布置电热元件的炉壁长度布置电热元件的炉壁长度 LL=L50=1741-50=1691 mm 丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000，由，由表表55可知，螺旋节径可知，螺旋节径D=(46)d， 取取D=6d=65=30mm 螺旋体圈数螺旋体圈数N和螺距和螺距h分别为分别为圈折138
34、103014. 302.133DLN h=L/N=1691/138=12.3mm h/d=12.3/5=2.46按规定，按规定，h/d在在24范围内满足设计要求。范围内满足设计要求。 根据计算，选用根据计算，选用YY方式接线，采用方式接线，采用d = 5mm所用电所用电热元件重量最小，成本最低。热元件重量最小，成本最低。 电热元件节距电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大在安装时适当调整，炉口部分增大功率。功率。 电热元件引出棒材料选用电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti, =12mm, L= 500mm。重量：出厂日期：重量：出厂日期：额定功率：额定功率：75kW 额定电压：额定电压：380V最高使用温度：最高使用温度：950 生产率：生产率：160kg/h相数：相数：3 接线方法：接线方法：YY工作室有效尺寸：工作室有效尺寸：1500 700 500外形尺寸：外形尺寸：L=2300mm，B=1430mm，H=1566mm结束结束为：为： L效效=1500mm ； B效效=700 mm； H效效=500mm返回)(97. 039255. 0360)(9255. 00565. 0869. 02113. 0869. 0mSmRRS），所以（）圆心角（）（而这里的半径）；）乘以圆心角（半径（）弧长（