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1、热处理设备热处理设备主讲主讲教师：教师：范涛范涛北华航天工业学院北华航天工业学院 金属材料工程教研室金属材料工程教研室4/4/20231 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：了解箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。了解箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。课八课八课八课八 5 58 8 热处理电阻炉设计计算举例热处理电阻炉设计计算举例一、设计任务一、设计任务 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
2、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：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。4/4/20232 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
3、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二、炉型的选择二、炉型的选择 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。三、确定炉体结构和尺寸三、确定炉体结构和尺寸4/4/202334/4/20234 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。
4、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4/4/20235 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：炉底支撑砖厚度炉底支撑砖厚度拱角砖矮
5、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4/4/20236 为为避免工件与炉内壁或避免工件与炉内壁或电热电热元件元件搁砖搁砖相碰撞，相碰撞，应应使工使工件与炉膛内壁之件与炉膛内壁之间间有一定的有一定的空间，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=500mm4/4/202374/4/20238 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
6、为密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡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
7、铝纤维毡的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。级硅藻土砖。炉底炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。铝砖。（注（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）是砖缝的宽度。）4/4/20239四、砌体平均表面积计算四、砌体平均表面积计算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)=2300mm B外外=B+2(115+50+115)=14
8、30mm H外外=H+f+(115+80+115)+674+50+182 炉炉 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。4/4/202310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)=3.3
9、41m2 F墙外墙外=2H外外(L外外+B外外)=21.566 (2.300+1.430)=11.68m21.炉顶平均面积炉顶平均面积 2炉墙平均面积炉墙平均面积4/4/202311五、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)4/4/202312取式中系数取式中系数C=30(kWWh0.5)/(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)4/4/202313 (1)(1)加热工件所需的热量加热
10、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根据热平衡计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率4
11、/4/202314 根据式根据式(115）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4/4/202315 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，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+0.25
12、6 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)4/4/202316当炉壳温度为当炉壳温度为60，室温为，室温为20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
13、合传热系数）综合传热系数）求热流求热流4/4/202317验算交界面上的温度验算交界面上的温度t t2 2墙墙、t t3 3墙墙4/4/202318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/m24/4/202319 t2底底=782.2，t3底底568.54，t4底底=53.7，q底底=572.2
14、 W/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/h4/4/202320=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
15、小时6分钟，根据式分钟，根据式(56)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。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 =0.869=0.278m24/4/202321由于炉门开启后，辐射口为矩形，且
16、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），的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为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 0.28=(0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m)图图1-144/4/202322(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
17、 4/4/202323(5)(5)其它热损失其它热损失其它热损失其它热损失 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+Q辐辐+Q溢溢)=0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713)=23346.1 kJ/h4/4/202324(6)(6)(6)(6)热量总支出热量总支出热量总支出热量总支出其中其中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.
18、2 kJ/h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。(7)(7)(7)(7)炉子安装功率炉子安装功率炉子安装功率炉子安装功率 4/4/2023251 1正常工作时的效率正常工作时的效率正常工作时的效率正常工作时的效率 由式由式(5(512)12)2.2.在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率在保温阶段，关闭炉门时的效率 六、炉子热效率计算六、炉子热效率计算4/4/202326 七、炉子空载功率计算七、炉子空载功率计
19、算八、空炉升温时间计算八、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，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。4/4/2023271.炉墙及炉顶蓄热炉墙及炉顶蓄热 0.97(1.741+0.276)0.115=0.225m32(0.869+0.1152)(160.067+0.135)=0.305m3 21.7
20、41(120.067+0.135)0.115=0.376m3拱角砖的厚度拱角砖的厚度4/4/202328 2.31.430.115=0.378 m321.43(160.067+0.135)0.115=0.397 m32(120.067+0.135)(1.741+0.115)0.115=0.401 m31.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m3 2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05=0.133 m32(1.741+0.115)(120.067+0.135)0.05=0.174 m34/4/202329由式（由式（59）得：得：蓄蓄=V11(C1t1
21、-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（）（kJ）（59）4/4/2023304/4/2023314/4/2023321.炉底蓄热计算炉底蓄热计算4/4/202333查附表3得4/4/2023343 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)。经经计算炉底板重量计算炉底板重量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）=151743.6kJ4/4/202335 对于一般周期作业炉，其空炉升温
22、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(5(513)13)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=1573861.6kJ4/4/202336 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
23、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。九、功率的分配与接线九、功率的分配与接线4/4/202337 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=5
24、0.5m，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合金作合金作电热元件，接线方式采用电热元件，接线方式采用YY。十、电热元件材料选择及计算十、电热元件材料选择及计算4/4/202338(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
25、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(3)(3)(3)(3)每组电热元件功率每组电热元件功率每组电热元件功率每组电热元件功率 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 =1.6W/Cm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-
26、51100)=1.46mm2/m4/4/202339(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4/4/202340（7)7)7)7)电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量 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(5
27、28)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w实W允，结果满足设计要求。(8)(8)(8)(8)校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷 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）4/4/202341(9)(9)(9)(9)电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置 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
28、炉墙及炉底上，则有底上，则有 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4/4/202342 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
29、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，炉口部分增大功在安装时适当调整，炉口部分增大功率。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。十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略)。十二、炉子总图（十二、炉子总图（十二、炉子总图（十二、炉子总图（），主要零部件图及外部接线），主要零部件图及外部接线），主要零部件图及外部接线），主要零部件图及外部接线图图图图(略略略略)，砌体图，砌
30、体图，砌体图，砌体图略略略略)4/4/202343重量：出厂日期：重量：出厂日期：十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书十四、编制使用说明书(略略略略)思考题：思考题：思考题：思考题：为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计和和和和使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题使用上需注意哪些问题?十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标十三、炉子技术指标(标牌标牌标牌标牌)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4/4/202344为：为：L效效=1500mm；B效效=700 mm；H效效=500mm返回4/4/2023454/4/2023464/4/2023474/4/2023484/4/2023494/4/2023504/4/202351