課程設(shè)計---熱處理箱式電阻爐的設(shè)計

1、<p>　　熱處理設(shè)備及設(shè)計課程設(shè)計（說明書）</p><p>　　題目：熱處理箱式電阻爐的設(shè)計</p><p>　?。ㄉa(chǎn)率80kg/h，溫度≤950℃）</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)：</b></p><p>　　按工作要求可設(shè)計一臺熱處理電阻爐，其技術(shù)要求為：</p><p&g

2、t;　　(1)用途：中碳鋼、低合金鋼件的退火、淬火及正火；處理對象為中小型零件</p><p>　　(2)生產(chǎn)率：80kg/h；</p><p>　　(3)工作溫度：最高使用溫度≤950℃ </p>&l

3、t;p><b>　　一、爐型的選擇</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的技術(shù)要求和生產(chǎn)特點，本設(shè)計宜選用箱式熱處理電阻爐。</p><p>　　二、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸</p><p><b>　　1．爐底面積的確定</b></p><p>　　因為無法確定產(chǎn)品類型，故無法用一次裝料量

4、來計算爐底面積，只能用爐底強度來計算。已知生產(chǎn)率為80kg/h，則選擇箱式爐用于淬火和正火時的單位面積爐底強度h為110kg/(m2·h)，故可求得爐底有效面積</p><p>　　F1 = P/h = 80/110= 0.73m2</p><p>　　有效面積與爐底總面積的比例系數(shù)K=F/F1=0.75~0.85，取系數(shù)為0.84，則爐底實際面積： </p>&

5、lt;p>　　F = F1/0.84 =0.73/0.84 =0.87m2</p><p>　　2．爐底長度和寬度的確定</p><p>　　由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計時應(yīng)考慮裝出料方便，取L/B=3:2，因此，可求得 </p><p>　　B =930mm </p><p><b>　　L =1310mm</b&g

6、t;</p><p>　　考慮到便于砌磚，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，取L =1380mm，B =920mm。</p><p><b>　　3．爐膛高度的確定</b></p><p>　　爐膛高度目前沒有嚴(yán)格計算方法，根據(jù)統(tǒng)計的資料爐膛高度H與爐底寬度B之比H/B通常在0.5~0.9之間，本設(shè)計根據(jù)爐子工作條件并考慮利于輻射與對流傳熱等因素，這里取H/B

7、= 0.85，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，最終選定爐膛高度H = 780mm。因此，確定爐膛尺寸如下：</p><p>　　長 L = 230×8 = 1380mm</p><p>　　寬 B = 115×8 = 920mm</p><p>　　高 H = 65×12 =780mm</p><p>　　為避免工件與爐

8、內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為</p><p>　　L效 = 1320mm</p><p>　　B效 = 860mm</p><p>　　H效 = 720mm</p><p>　　4．爐襯材料及厚度的確定</p><p>　　箱式電阻爐側(cè)墻、前墻及后墻以及爐頂?shù)墓ぷ鳝h(huán)

9、境類似，可采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即二層結(jié)構(gòu)：115mm耐火的輕質(zhì)粘土磚和150mm保溫的膨脹蛭石。輕質(zhì)粘土磚牌號為QZ-13，密度為1.3 g/cm3的，膨脹蛭石的密度為0.2g/cm3。爐底采用厚為115mm的擱磚和厚為65mm的輕質(zhì)粘土磚以及保溫填料砌成。</p><p>　　三、砌體平均表面積計算</p><p>　　砌體外廓尺寸如附圖1所示：則：</p><p>

10、;　　L外= L+2×(115+150) = 1910mm</p><p>　　B外= B+2×(115+150) = 1450mm</p><p>　　H外= H+(115+150) +65+230+115+f = 1579mm</p><p>　　式中：f -- 拱頂矢高，此爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，拱弧半徑R = B，則f = R(

11、1-cos30°) = 124mm。</p><p><b>　　1．爐頂平均面積</b></p><p>　　爐頂內(nèi)面積：F頂內(nèi) = (2πR/6)×L = 1.330m2</p><p>　　爐頂外面積：F頂外 = B外×L 外=2.770m2</p><p>　　爐頂平均面積：F頂均=

12、= 1.919m2</p><p><b>　　2．爐墻平均面積</b></p><p>　　爐墻面積包括側(cè)墻面積及前后墻面積，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)，則：</p><p>　　爐墻內(nèi)面積：F墻內(nèi) = 2LH+2BH = 2×1.380×0.780+2×0.920×0.780=3.588 m2<

13、;/p><p>　　爐墻外面積：F墻外= 2H外(L外+B外)= 2×1.579×(1.910+1.450) = 10.611m2</p><p>　　爐墻平均面積：F墻均= = 6.170 m2</p><p><b>　　3．爐底平均面積</b></p><p>　　爐底內(nèi)面積：F底內(nèi)=B×

14、L=0.920×1.380= 1.2696 m2</p><p>　　爐底外面積：F底外=B外×L外=1.450×1.910 = 2.7695m2</p><p>　　爐底平均面積：F底均== 1.875m2</p><p><b>　　四、計算爐子功率</b></p><p>　　根據(jù)熱平

15、衡計算爐子功率</p><p>　　1．加熱工件所需的熱量Q件</p><p>　　工件在950℃及20℃時比熱容分別為C件2=0.163KJ/(kg·℃)，</p><p>　　C件1=0.12KJ/(kg·℃)，則：</p><p>　　Q件=g(C件2t1 - C件lt0) =110×(0.682×

16、;600-0.494×20) = 12196 kJ/h</p><p>　　2．加熱輔助夾具所需的熱量Q輔</p><p><b>　　根據(jù)公式</b></p><p>　　Q輔=5％Q件=0.05×12196=609.8</p><p>　　3．通過爐襯的散熱損失Q散</p><

17、p>　　對于爐墻散熱，首先假定爐殼內(nèi)外溫度及兩層材料界面上的溫度，t1=950℃，t2 = 60℃, t界= 800℃,則:</p><p>　　耐火層S1的平均溫度：t1均=(950+800)/2=875℃</p><p>　　保溫層S2的平均溫度：t2均=(800+60)/2=430℃</p><p><b>　　輕質(zhì)粘土磚的熱導(dǎo)率</b&

18、gt;</p><p>　　λ1=0.25+0.22×10-3×875=0.443千卡/米·時·℃</p><p><b>　　膨脹蛭石的熱導(dǎo)率</b></p><p>　　λ2 =0.062+0.22×430= 0.157 千卡/米·時·℃</p><p

19、>　　當(dāng)爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時，由近似計算得 αΣ=10.4千卡/(米²·時·℃)</p><p><b>　　a) 求熱流</b></p><p>　　q墻 =（950-20）/（S1/λ1+ S2/λ2 +1/αΣ）</p><p>　　=（950-20）/（0.115/0.433+0.15/0

20、.157+0.096）</p><p>　　=706千卡/(米²·時·℃)</p><p>　　b) 計算交界面上的溫度t界</p><p>　　t界 ==950-706×0.115/0.433=762.3℃，</p><p>　　驗算中間溫度：（800-762.3）/800=4.7%<5%，說明

21、假設(shè)溫度合理，不需要重新設(shè)定。</p><p>　　c) 計算爐墻散熱損失</p><p>　　爐墻散熱損失：Q墻散= q墻·F墻均 =706×6.170=4356.02千卡</p><p>　　爐頂散熱損失：Q頂散= q墻·F頂均=706×1.919=1354.81千卡</p><p>　　爐底散熱損

22、失：Q底散= q墻·F底均=706×1.875=1323.75千卡</p><p>　　則：整個爐體散熱損失Q散= Q墻散+Q頂散+ Q底散=7035千卡</p><p>　　4．計算開啟爐門的輻射熱損失</p><p>　　根據(jù)公式：Q輻=4.96FΦδ[-]</p><p>　　其中Tg=950+273=1223 K，

23、Ta=20+273=293K，爐門開啟率δt=0.1；</p><p>　　爐子正常工作時爐門全開，根據(jù)實際情況和工作要求可設(shè)爐門寬b=320mm，高h(yuǎn)=0.85b=272mm，則爐門開啟面積：F=b×h=0.320×0.272=0.08704 m2</p><p>　　由于爐門開啟后，輻射口為矩形，爐門高度與爐墻厚度之比為0.272/0.265=1.03，可查得：Φ=

24、0.72</p><p>　　則： Q輻=4.96FΦδ[-]</p><p><b>　　=695千卡</b></p><p>　　5．計算開啟爐門溢氣熱損失</p><p>　　因為溢氣熱損失Q溢=VγC(ta-tb) δ</p><p>　　其中 V為進入爐內(nèi)的冷空氣量，根據(jù)公

25、式可近似V=2200 b·h·h½ =99.8679m3/h</p><p>　　C為空氣在溫度ta ~ tb之間的平均比熱，即C=0.32</p><p>　　ta=20+2/3（950-20）=640℃，tb=20℃。γ=1.29公斤/米³</p><p>　　則：Q溢= VCγ (ta-tb) δ=99.8679

26、5;0.808×1.29 (640-20)×0.1=6454千卡/時</p><p><b>　　6．其它熱量損失</b></p><p>　　其他熱量損失約為散熱損失的50％，故</p><p>　　Q它=0.5Q散=0.5×7035=3517.5千卡/時</p><p><b>

27、;　　7．計算熱量總輸出</b></p><p>　　因為Q控=0，則Q總=Q件+Q輔+Q散+Q輻+Q溢+Q它</p><p>　　=12196+609.8+7035+695+6454+3517.5</p><p>　　=30507.3千卡/時</p><p>　　8．爐子額定功率的計算</p><p>&

28、lt;b>　　P額=KQ/860</b></p><p>　　其中K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計中K取1.5，則</p><p>　　P額=(1.5×30507.3)/860=53.2kw</p><p>　　與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為60kW。</p><p><b>　　五、爐子熱效率計算</b

29、></p><p>　　1．正常工作時的效率</p><p>　　η==12196/30507.3×100％=40％</p><p>　　2．在保溫階段，關(guān)閉爐門時的效率</p><p>　　η=Q件 / [ Q總 -(Q輻+Q溢) ]</p><p>　　=12196/[30507.3-(695+64

30、54)]</p><p><b>　　=52.2%</b></p><p>　　六、爐子空載功率計算</p><p>　　P空=(14850.36+7425.18)/860=12.3kW</p><p>　　七、空爐升溫時間計算</p><p>　　本設(shè)計爐子的耐火層，保溫層結(jié)構(gòu)相似，由于個人知識

31、所限，采用粗略計算。將其近似看作箱體。</p><p><b>　　1．蓄熱量的計算</b></p><p>　　V膛=780×920×1380+(π920 2-9202 /2)/4=0.99 m3</p><p>　　V總=1579×1910×1450=4.373 m3</p><p

32、>　　V膛+耐=895×1150×1610+(π1035 2-10352 /2)/4=1.658 m3</p><p>　　V1= V膛+耐- V膛=1.658-0.99=0.668 m3</p><p>　　V2= V總- V膛+耐=4.373-1.658=2.715 m3</p><p>　　查閱資料可知耐火材料的重度ρ1=1.3

33、15;103kg/ m3，保溫材料的重度ρ2=0.2×103kg/ m3。設(shè)t耐 ，t保是耐火層和保溫層在爐子工作時的平均溫度。C1，C2為耐火材料和保溫材料在t耐 ，t保時的比熱。C01，C02為耐火材料和保溫材料在室溫下的比熱。</p><p><b>　　所以得</b></p><p>　　Q蓄= V1 ρ1 (C1t耐 – C01 t0) + V2

34、 ρ2 (C2t保 – C02t0)</p><p><b>　　≈322500千卡</b></p><p>　　進而可得空爐升溫時間τ升=322500/(75×860）=5h</p><p>　　八、功率的分配與接線</p><p>　　根據(jù)設(shè)定的要求，電熱元件可采用YY型接法。即60kW的功率為三區(qū)，一根

35、加熱，每根原件功率為20KW，均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，每根電熱體的電壓為220V。</p><p>　　爐膛電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷為：</p><p>　　F電=2F電側(cè)+F電底=2×1.320×0.720+1.320×0.870=3.0m2</p><p>　　W=P安/F電=60/3.0=20kW／m2</p><

36、;p>　　結(jié)果表明表面負(fù)荷率符合20kw/m2的要求。</p><p>　　九、電熱元件材料選擇及計算</p><p>　　因熱處理爐的最高使用溫度950℃，應(yīng)選用線狀0Cr25A15鋼作電熱元件。</p><p>　　1．計算950℃時電熱元件的電阻率ρ</p><p>　　當(dāng)爐溫為950℃時，電熱元件溫度取1100℃，查得0Cr25

37、A15鋼在20℃時電阻率ρ20 =1.45Ω·mm2/m，電阻溫度系數(shù)α=3×10-5℃-1，</p><p>　　在1100℃下的電熱元件電阻率:ρt =1.5Ω·mm²/m</p><p>　　2．確定電熱元件表面功率</p><p>　　根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6W/cm2。</p><

38、p>　　3．每組電熱元件功率</p><p>　　由于采用YY接法，即三相星形接法，每組元件功率:P組=60/n=45/3=20kW</p><p>　　4．每組電熱元件端電壓</p><p>　　由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓U組==220 V</p><p><b>　　5

39、．電熱元件直徑</b></p><p>　　線狀電熱元件直徑：d=8mm </p><p>　　6．每組電熱元件長度和重量</p><p>　　每組電熱元件長度為：L組=0.785×l0-3(U組2d2/P組ρt)=64.8米</p><p>　　每組電熱元件重量：G組=(π/4)d2L組ρm</p>

40、<p>　　7．電熱元件的總長度和總重量</p><p>　　電熱元件總長度由式(5-27)[2]得L總=3L組=3×64.8=194.4m</p><p>　　電熱元件總重量由式(5-28)[2]得G總=3G組=69.4kg</p><p>　　8．校核電熱元件表面負(fù)荷</p><p>　　W實= P組/πdL組=1.5

41、4W/cm2</p><p>　　W實 <W允，結(jié)果滿足設(shè)計要求。</p><p>　　9．電熱元件在爐膛內(nèi)的布置</p><p>　　依爐膛尺寸確定在爐子側(cè)墻和爐底各安置一組電熱體，電熱元件每相分為8段，因此</p><p>　　L折=D/8=64.8/8=8.1m</p><p>　　L′=L-60=1380

42、-50=1330mm</p><p>　　螺旋節(jié)徑D=(6-8)d，本設(shè)計取D=7d=7×8=56mm 取D=56</p><p>　　N= L折/πD=8.1/(3.14×56）=46</p><p>　　H= L′/N=1330/46=28.9</p><p>　　根據(jù)要求h/d=2~4，符合設(shè)計要求。因此選用YY方

43、式接線，采用d=8mm所用電熱原件。電熱元件節(jié)距h在安裝時適當(dāng)調(diào)整，爐口部分增大功率。</p><p>　　十、電阻爐技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）</p><p>　　額定功率：60kw 額定電壓：380 V 最高使用溫度：950℃ 生產(chǎn)率：80kg/h 相數(shù)：3 接線方法：YY 工作室有效尺寸：1320mm×860mm