箱式电阻炉课程设计

一、设计任务书题目：设计一台中温箱式热处理电阻炉；炉子用途：中小型零件的热处理；材料及热处理工艺：中碳钢毛坯或零件的淬火、正火及调制处理；生产率：160kg/h；生产要求：无定型产品，小批量多品种，周期式成批装料，长时间连续生产；要求：完整的设计计算书一份和炉子总图一张。二、炉型的选择根据生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，最高使用温度950℃，不通保护气氛。三、确定炉体结构及尺寸1.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，只能用加热能力指标法。已知生产率p为160kg/h，按照教材表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2﹒h)，故可求得炉底有效面积：F1=PP0=160120=1.33m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1F⁄=0.75~0.85，取系数上限，得炉底实际面积：F=F10.85=1.330.85=1.57m22.炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便，取LB⁄=2，因此，可求得：L=√F0.5⁄=√1.570.5⁄=1.772mB=L2⁄=1.7722⁄=0.886m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741m，B=0.869m，如总图所示。3.炉膛高度的确定按照统计资料，炉膛高度H与宽度B之比HB⁄通常在0.5~0.9之间，根据炉子工作条件，取HB⁄=0.64Om。因此，确定炉膛尺寸如下：长L=(230+2)×7+(230×12+2)=1741m宽B=(120+2)×4+(65+2)+(40+2)×2+(113+2)×2=869mm高H=(65+2)×9+37=640mm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空间，确定工作室有效尺寸为：L效=1500mmB效=700mmH效=500mm4.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113mmQN−0.8轻质粘土砖，+80mm密度为250kgm3⁄的普通硅酸铝纤维毡，+113mmB级硅藻土砖。炉顶采用113mmQN−1.0轻质粘土砖，+80mm密度为250kgm3⁄的普通硅酸铝纤维毡，+115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN−1.0轻质粘土砖(67×3)mm，+50mm密度为250kgm3⁄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65mmQN−1.0轻质粘土砖，+80mm密度为250kgm3⁄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（NZ−35），电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr−Mn−N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或者四块，厚20mm。四、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如下：L外=L+2×(115+80+115)=2360mmB外=B+2×(115+80+115)=1490mmH外=H+f+(115+80+115)+67×4+50+182=1566mm试中f——拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f=R(1−cos30°)求得。1.炉顶平均面积F顶内=2πR6×L=2×3.14×0.8696×1.741=1.585m2F顶外=B外×L外=1.490×2.360=3.516m2F顶内=√F顶内×F顶外=√1.585×3.516=2.360m22.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=2LH+2BH=2H(L+B)=2×0.640×(1.741+0.869)=3.341m2F墙外=2H外(L外+B外)=2×1.566×(2.360+1.490)=12.058m2F墙均=√F墙内×F墙外=√3.341×12.058=6.347m23.炉底平均面积F底内=B×L=0.869×1.741=1.510m2F底外=B外×L外=1.490×2.360=3.516m2F底均=√F底内×F底外=√1.510×3.516=2.304m2五、计算炉子功率1.根据经验公式法计算炉子功率由教材式（5−14）P安=Cτ升−0.5F0.9(t1000)1.55取式中系数C=30[(kW∙h0.5)(m1.8∙℃1.55)⁄]，空炉升温时间假定为τ升=4h，炉温t=950℃，炉膛面积F避=2×(1.741×0.640)+2×(0.869×0.640)+1.741×0.869+2×3.14×0.869×60°360°×1.741=6.440m2所以P安=Cτ升−0.5F0.9(t1000)1.55=30×4−0.5×6.440.9×(9501000)1.55=74.1kW由经验公式法计算得P安≈75kW2.根据热平衡计算炉子功率（1）加热工件所需的热量Q件由教材附表6得，工件在950℃及20℃时比热容分别为c件2=0.548kJ(kg∙℃)⁄，c件1=0.486kJ(kg∙℃)⁄，根据式(5−1)Q件=p(c件2t1−c件1t0)=160×(0.548×950−0.486×20)=81740.8kJh⁄（2）通过炉衬的散热损失的热量Q散I.炉墙的散热损失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。根据式（1−15）Q散=t1−tn+1∑siλiFini=1对于炉墙散热，如图1−1所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙‘=800℃，t3墙’=450℃，t4墙‘=65℃，则耐火层s1的平均温度ts1均=950+8002=875℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=800+4502=625℃，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=450+652=257.5℃，s1，s3层炉衬的导热率由教材附表3得λ1=0.294+0.212×10−3ts1均=0.294+0.212×875×10−3=0.480W（m∙℃）⁄λ3=0.131+0.23×10−3ts3均=0.131+0.23×257.5×10−3=0.190W（m∙℃）⁄。普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表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直线关系，由ts2均=625℃，得λ2=0.128W（m∙℃）⁄当炉壳温度为65℃，室温为20℃是，由教材附表2可得炉墙外表面对车间的综合传热系数α∑=12.50W(m2∙℃)⁄①求热流q墙=tg−tas1λ1+s2λ2+s3λ3+1α∑=950−200.1150.480+0.0800.128+0.1150.190+112.50=600.06Wm2⁄②验算交界面上的温度t2墙和t3墙t2墙=t1−q墙s1λ1=950−600.06×0.1150.480=806.24℃∆=|t2墙−t2墙‘|t2墙’=806.24−800800=0.78%误差∆5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3墙=t2墙−q墙s2λ2=806.24−600.06×0.0800.128=431.2℃∆=|t3墙−t3墙‘|t3墙’=|431.2−450|450=4.18%误差∆5%，同样满足设计要求，不需要重新估算。③验算炉壳温度t4墙t4墙=t3墙−q墙s3λ3=431.2−600.06×0.1150.190=68℃70℃满足一般热处理电阻炉表面升温50℃的要求。计算炉墙散热损失Q墙散=q墙×F墙均=600.06×6.347=3808.58WII.炉顶的散热损失和炉墙散热损失同理，首先假定界面上的温度及炉顶壳的温度，t2顶‘=840℃，t3顶’=560℃，t4顶‘=52℃。则：耐火层s1的平均温度ts1均=950+8402=895℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=840+5602=700℃，膨胀珍珠岩层s3的平均温度ts3均=560+522=306℃。s1，s3层炉衬的热导率由教材附表3得：λ1=0.294+0.212×10−3ts1均=0.294+0.212×895×10−3=0.484W（m∙℃）⁄λ1=0.040+0.220×10−3ts3均=0.040+0.220×306×10−3=0.107W(m∙℃)⁄普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表4查得，ts2均=700时，λ2=0.140W（m∙℃）⁄。当炉壳温度为52℃，室温为20℃是，由教材附表2可查得炉壳表面对空气的综合传热系数α∑=11.59W（m∙℃）⁄。①求热流Q顶=tg−tas1λ1+s2λ2+s3λ3+1α∑=950−200.1150.484+0.0800.140+0.1150.107+111.59=472.06Wm2⁄②验算交界面上的温度t2顶和t3顶t2顶=t1−q顶s1λ1=950−472.06×0.1150.484=837.9℃∆=|t2顶−t2顶‘|t2顶’=|837.9−840|840=0.26%∆5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3顶=t2顶−q顶s2λ2=837.9−472.06×0.0800.140=568.15℃∆=|t3顶−t3顶‘|t3顶‘=|568.15−560|560=1.46%③验算炉壳温度t4顶t4顶=t3顶−q顶s3λ3=568.15−472.06×0.1150.107=60.8℃70℃满足一般热处理电阻炉表面升温要求。④计算炉顶的散热损失Q顶散=q顶∙F顶均=472.06×2.360=1114.06Wm2⁄III.炉底的散热损失假定各层界面的温度及炉底温度，t2底’=750℃，t3底‘=550℃，t4底’=53℃。则耐火层s1的平均温度ts1均=950+7502=850℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=750+5502=650℃，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=550+532=301.5℃。s1和s3层炉衬的热导率同样可由教材附表3得λ1=0.294+0.212×10−3ts1均=0.474W(m∙℃)⁄λ3=0.131+0.230×10−3ts3均=0.200W（m∙℃）⁄普通硅酸铝纤维的热导率同样可由教材附表4由插入法得λ2=0.132W（m∙℃）⁄。当炉壳温度为53℃，室温为20℃是，由教材附表2可得α∑=11.72W（m∙℃）⁄。①求热流Q底=tg−tas1λ1+s2λ2+s3λ3+1α∑=950−200.1950.474+0.0500.132+0.1800.200+111.72=523.8Wm2⁄②验算交界面上的温度t2底和t3底t2底=t1−q底s1λ1=950−523.8×0.1950.474=734.5℃∆=|t2底−t2底‘|t2底’=|734.5−750|750=2.1%∆5%，满足设计要求，不需要重新估算。t3底=t2底−q底s2λ2=734.5−523.8×0.0500.132=536.1℃∆=|t3底−t3底‘|t3底‘=|536.1−550|550=2.5%∆5%，满足设计要求，不需要重新估算。③验算炉壳温度t4底t4底=t3底−q底s3λ3=536.1−523.8×0.1800.200=64.68℃满足一般热处理电阻炉表面升温要求。④计算炉底散热损失Q底散=q底∙F底均=523.8×2.304=1206.8Wm2⁄整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=3808.58+1114.06+1206.8=6129.44W=22066kJh⁄（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，根据教材式（5−6）Q辐=3.6×5.675F∅δt[(Tg100)4−(Ta100)4]因为Tg=950+273=1223K，Ta=20+273=293K，由于正常工作是，炉门开启高度为炉膛高度一半，故炉门开启面积F=B×H2=0.869×0.6402=0.278m2，炉门开启率δt=660⁄=0.1。由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H2⁄与B之比为0.3200.869⁄=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.320.31⁄=1.03，由教材图1-14第一条线查得孔口遮蔽系数∅=0.7，故Q辐=3.6×5.675F∅σt[(Tg100)4−(Ta100)4]=5.675×3.6×0.278×0.1×0.7×[