热处理炉课程设计教材

1热处理电阻炉设计一、设计任务（见教材80页）二、炉型选择根据设计任务给出的生产特点，选用中温（650~1000℃）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。三、确定炉膛尺寸1.理论确定炉膛尺寸（1）确定炉底总面积炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产率hkgP60，按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率)(12020hmkgp。因此，炉子的炉底有效面积（可以摆放工件的面积）1F可按下式计算：2015.012060mpPF通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.75～0.85之间选择。炉子小取小值；炉子大取大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F为，21625.080.05.080.0mFF（2）确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比BL在3/2～2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设计取2BL，则炉子炉底长度和宽度分别为:mLBmFL559.02118.12;118.15.0625.05.0（3）确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比BH在0.5～0.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：2mBH391.0559.07.07.02.实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺寸（230×113×65mm），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度，2mm）、上、下砖体应互相错开以及在炉底方便布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：mmmL16.111605)2230(；mmmB539.053924031152572)238(3)2113(2)255(mmmH402.04026)265(注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。3.确定炉膛有效尺寸为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉膛内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：mmL950效mmB450效mmH350效四、炉衬材料的选择及其厚度的确定炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60℃。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。1.炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。3设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是60mm厚、密度为350kg/m³的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的A级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于60℃，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。在炉墙内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：120950332211SSSq1)321,,SSS的确定321,,SSS分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的厚度（m）。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则321,,SSS的厚度为：mmS11521131；mmS602；mmS23222303。2)321,,，的确定321,,分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖的平均热导率（W/m·℃）;是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m·℃）。要求出321,,和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t850℃，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度3t620℃，炉墙外壳温度4t55℃60℃。如图所示。求轻质粘土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：pt3110212.0294.0（pt为平均温度）)2850950(10212.0294.0)2(10212.0294.032131tt=0.485W/m·℃求硅酸盐耐火纤维毡的平均导热率4硅酸盐耐火纤维毡的平均温度7352620850232tttp℃。根据教材附表4查得，密度为350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m·℃和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：121.0700735121.07001000121.0122.022W/m·℃求硅藻土砖的平均导热率查教材附表3，可得A级硅藻土砖的平均导热率为：pt331023.0105.0)255620(1023.0105.0)2(1023.0105.034333tt=0.183W/m·℃求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数当炉墙外壳温度为55℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：81.11W/m²·℃3)求热流密度将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：28.445086.293081.111183.0232.0121.006.0485.0115.020950mWq4)验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t为：3.844485.0115.08.4459501112Sqtt℃相对误差为%5%67.08508503.844222ttt，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：2.623121.0060.08.4453.8442223Sqtt℃；5相对误差为%5%52.06206202.623333ttt，满足设计要求，不必重算。炉墙外壳温度为：183.0232.08.4452.6233334Sqtt58℃＜60℃；因炉墙外壳温度小于60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是厚度60mm、密度350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：120950332211SSSq1)321,,SSS的确定321,,SSS分别是轻质粘土砖（QN—0.8）、普通硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则321,,SSS的厚度为：mmS1151；mmS602；mmS1153。2),,,321的确定321,,分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m·℃）;是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/m·℃）。要求出321,,和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t860℃，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度3t580℃，炉顶外壳温度4t55℃60℃。1的确定62的确定3的确定的确定3)热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：22.502852.193052.131110.0115.0121.006.0486.0115.020950mWq4)验算界面温度和炉顶外壳温度轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t为：0.831486.0115.02.5029501112Sqtt℃相对误差为%5%4.38608600.831222ttt，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：582121.0060.02.5020.8312223Sqtt℃；相对误差为%5%32.0580580582333ttt，满足设计要求，不必重算。炉顶外壳温度为：110.0115.02.5025823334Sqtt57℃＜60℃；因炉顶外壳温度小于60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。3.炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2）×3=201mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是厚度80mm、密度350kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和（113+2）+（65+2）×2=249mm厚的A级硅藻土砖。在炉底内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉底向周围空气散热的热流密度为：120950332211SSSq71)321,,SSS的确定321,,SSS分别是轻质粘土砖（QN—0.8）、普通硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则321,,SSS的厚度为：mmS2011；mmS802；mmS2493。2),,,321的确定321,,分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的平均热导率（W/m·℃）;是炉底外壳对周围空气的综合传热系数（W/m·℃）。要求出321,,和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t810℃，硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖之间的界面温度3t560℃，炉底外壳温度4t55℃60℃。1的确定2的确定3的确定的确定3)热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：25.35855.91178.0249.0119.008.0481.0201.020950mWq4)验算界面温度和炉底外壳温度轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度2t为：1.800481.0201.05.3589501112Sqtt℃相对误差为%5%2.18108101.800222ttt，满足设计要求，不必重算。硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：82.559119.008.05.3581.8002223Sqtt℃；相对误差为%5%1.05605602.559333ttt，满足设计要求，不必重算。炉底外壳温度为：178.0249.05.3582.5593334Sqtt57.7℃＜60℃；因炉底外壳温度小于60℃，故炉底炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。五、炉子外形尺寸的确定和砌体平均表面积的计算1.炉子外形尺寸的确定1)炉子外形长度炉子的外形长度为炉膛长度加上两倍炉墙厚度，其值为：mmmL974.11974)23260115(21160外2)炉子外形宽度炉子的外形宽度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为：mmmB353.11353)23260115(2539外3)炉子外形高度炉子的外形高度由以下五部分组成（图5-8右图）：炉膛高度、拱顶高度、炉顶厚度、炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。其中炉膛高度、炉顶厚度、炉底厚度已经求出。若炉子采用60°标准拱顶，取拱弧