热处理箱式电阻炉设计

1/16辽宁xx大学热工过程与设备课程设计题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率150kg/h，功率39kw，工作温度≤600℃）院（系）：XX专业班级：XX学号：XX学生姓名：XX指导教师：XX起止时间：XX2/16课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院教研室：材料教研室学号XX学生姓名XX专业班级XX课程设计（论文）题目热处理箱式电阻炉的设计生产率150g/h，功率39kw，工作温度≤600℃课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。二、课设任务设计任务：设计热处理箱式电阻炉，生产率150kg/h，功率39kw，工作温度≤600℃。1、炉型选择；2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计；4、计算炉子功率；5、炉子热效率计算；6、炉子空载功率计算；7、空炉升温时间计算8、功率分配与接线；9、电热元件材料选择与计算；10、电热体元件图；11、电阻炉装配图；12、炉子技术指标；13、参考文献。三、设计说明书要求设计说明书结构见《设备设计模板》。工作计划1．设计方案确定，1天；2．确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算，5天；3．绘制电热元件图和电阻炉草图，书写整理打印设计说明书，3天；4．设计验收及答辩，1天。指导教师评语及成绩成绩：指导教师签字：学生签字：年月日I/16目录一、炉型的选择..................................................................................................2二、确定炉体结构和尺寸..................................................................................2三、砌体平均表面积设计..................................................................................4四、计算炉子功率..............................................................................................5五、炉子热效率计算..........................................................................................7六、炉子空载功率计算......................................................................................7七、空炉升温时间计算......................................................................................7八、功率分配与接线..........................................................................................9九、电热元件材料选择与计算..........................................................................9十、电热体元件图..............................................................................................11十一、电阻炉装配图..........................................................................................11十二、炉子技术指标.........................................................................................................11参考文献................................................................................................................................12-2-/16设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火，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；(2)生产率：150kg/h；(3)工作温度：最高使用温度≤600℃；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。由于小批量生产，品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。二、确定炉体结构和尺寸1．炉底面积的确定炉底面积的计算方法有两种。一种是根据一次装料量计算，另一种是根据炉底强度指标计算[1]。因工件的加热周期和装炉量不明确，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。已知生产率为150kg/h，按表5—1[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F=p/p0=150/120=1.25m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75～0.85，取系数上限0.85，得到炉底实际面积：F=F/0.85=1.25/0.85=1.47m22．炉底长度和宽度的确定对于热处理箱式电阻炉，设计时考虑装出料的方便，根据长度与宽度之比，取L/B=2:1，因此，可求得炉底宽度L=5.0/F=2.059mB=L／2=2.059／2=1.030m为方便砌砖L=2205mmB=1048mm3．炉膛高度的确定根据统计的资料，炉膛高度（H）对炉底宽度（B）之比H／B通常在0．52～0．9之间，大多数在0.8左右，根据炉子工作条件，取H／B=0.7左右，选定炉膛高度H=707mm。因此，确定炉膛尺寸如下-3-/16长L=(230+2)×9+(230/2+2)=2205mm宽B=(120+2)×5+(50+2)×4+(113+2)×2=1048mm高H=(65+2)×10+37=707mm为防止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，在一般情况下，要保证炉料上部有200～300mm的空间，有利于辐射与对流传热，由此确定工作室有效尺寸为L效=2000mmB效=950mmH效=500mm砌体结构如图1所示：轻质粘土砖硅藻土砖重质粘土砖耐热钢图1砌体结构示意图-4-/164．炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即两层：113mmQN—1.0轻质粘土砖和180mmB级硅藻土砖。炉底采用耐火层314mm，材料为113mmQN—1.0轻质粘土砖,绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚180mm。炉门用65mmQN—1.0轻质粘土砖+65mmA级硅藻土砖。炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。炉底隔砖采用重质粘土砖[2]。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图1所示。L外=L+2×(113+180)=2791mmB外=B+2×(113+180)=1634mmH外=H+f+(115+180)+（65+2）×3+180=1523mm式中：f—拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R(1-cos30°)=140mm求得。1.炉顶平均面积F顶内=（2πR/6）×L=2.42m2F顶外=B外×L外=4.56m2F顶均=FF顶内顶外=3.320m22.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=5.109m2F墙外=2H外（L外+B外）=13.479m2F墙均=FF墙内墙外=8.298m23.炉底平均面积F底内=B×L=2.311m2F底外=B外×L外=4.560m2F底均=FF底内底外=3.246m2-5-/16四、计算炉子功率1据热平衡计算炉子功率(1)加热工件所需的热量Q件由附表6[1]得，工件在600℃及20℃时比热容分别为C件2=0.741KJ/(kg·℃)，C件1=0.486KJ／(kg·℃)，根据Q件=p(C件2t1-C件lt0)=150×(0.574×600-0.486×20)=50202.0KJ/h(2)通过炉衬的散热损失Q散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[3]。根据式(1—15)[2]111nniiiittsF对于炉墙散热，如图5—9[4]所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，炉内温度t1=600℃界面温度为t2=500℃炉壳温度t3=60℃耐火层S1的平均温度t1均=（600+500）/2=550℃保温层S2的平均温度t2均=（500+60）/2=280℃炉衬的热导率由附表3[1]得λ1=0.29+0.000256×t1均=0.29+0.000256×550=3.113W/(m·℃)λ2=0.13+0.00023×ts3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/(m·℃)。当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2[1]经近似计算可得αΣ=12.17W/(m2·℃)a)求热流q墙=（600-20）/（S1/λ1+S2/λ2+1/αΣ）=（600-20）/（0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17）=682.4w/m2b)计算交界面上的温度t2墙、t2墙=11stq墙=600-682.4×（0.115/3.113）=574.8℃验算界面温度（t2墙—t2）/t2墙=4.5%5%-6-/16该假设结果满足设计要求，不需要重算.c)验算炉壳温度t3墙t3墙=222stq墙=574.8-682.4（S2/λ2）=58℃该结果满足一般热处理电阻炉表面温度60℃的要求。d).计算炉墙散热损失Q墙散=q墙·F墙均=682.4×8.298=5662.6W同理可以求得Q顶散=q墙·F顶均=682.4×3.32=2265.6WQ底散=q墙·F底均=682.4×3.246=2215.1W整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=10143.3W=2819.8kj/h(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，根据式(5—6)[2]Q辐=3.6×5.675FΦδt[4100Tg-4100Ta]因为Tg=600+273=873K，Ta=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积F=B×2H=1.048×0.6402=0.370m2炉门开启率δt=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且2H与B之比为0.35/1.048=0.34，炉门高度与炉墙厚度之比为0.35/0.29=1.21，由图1-14[4]第一条线图1-14[4]查得Φ=0.7故Q辐=3.6×5.675FΦδt[4100Tg-4100Ta]=3034.0kJ/h（4）开启炉门溢气热损失溢气热损失Q溢=qvaρaCa（tg’-ta）δt其中-7-/16qva=1997·B·2H2H=439.9m3/h空气密度ρa=1.29kg/m3由附表10[3]得Ca=1.358KJ/（m3·℃）ta=20℃，tg’为溢气温度，tg’=20+23（600-20）=406.7℃Q溢=qvaρaCa（tg’-ta）δt=29800.1KJ/h（5）其它热量损失其他热量损失越为上述热损失之和的10％～20％故Q它=0.