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1、课程设计任务书Word 资料设计题 目学生姓名学生学号专业班级低温井式电阻炉的设计*指导教师 设计题目低温井式电阻炉的设计成绩课 程 设 计 主 要 内 容根据所给的设计任务，进行低温井式电阻炉的炉膛的尺寸设计， 炉子 砌砖体的设计，包括炉衬材料的选择、炉墙设计、炉底设计、炉顶设计、 炉门设计，炉子功率计算和分配，有效热 Q件计算、辅助构件热损失Q 辅计算、炉衬热损失Q散计算、Q辐计算、炉门溢气热损失Q溢计算、 其它热损失Q它计算、炉子安装功率计算、炉子热效率计算、炉子空载 功率计算、炉子升温时间计算、功率分配、井式电阻炉接线方式、功率的 调节方法，电热兀件的设计，包括电热兀件材料的选择、电热
2、兀件单位表 面功率的确定、电热元件尺寸的确定、电热元件重量的计算、电热元件的 安装；炉温仪表的选择；炉子技术指标（标牌）；低温井式电阻炉使用说 明书，包括开炉前的准备、开炉生产、使用注意事项及维护。导 教 师 评 语目录1 、设计任务 22 、炉膛 尺 寸的确疋23、炉子砌砖体的设计3.1 炉 衬 材 料 的 选择 43 .2炉墙设计43.3炉底设计53.4炉顶设计535炉门设计 64、炉子功率计算和分配4.1有 效 热 Q 件 计算 84.2 辅助构件热损失 Q 辅计算 84.3 炉 衬 热 损 失 Q散 84.4Q辐计94.5 炉 门 溢 气 热 损 失 Q溢Word 资料1 04.6其它
3、执八、损失Q它10算4.7炉子安装功率计-1 0算4.8炉子执八、效率计10率49炉子空载功1 14.10 炉 子 升 温 时 间 计算-1 24.11功率分配Word 资料式 1 24.13 功 率 的 调 节 方 法 125、电热元件的设计5.1 电 热 元 件 材 料 的 选择1 35.2 电热元件单位表面功率的确疋 135.3 电 热 元 件 尺 寸 的 确疋 1 35.4 电 热 元 件 重 量 的 计算1 45.5 电 热 元 件 的 安装6、炉温 仪 表的 选择1 67、炉子技术指标(标牌) 1 68、使用说明书 1 68.1开炉前的准备 1 682开炉生产1 68.3 使 用
4、注 意 事 项 及 维 护179、参考资料 Word 资料1 71、设计任务：1.设计题目：低温井式电阻炉的设计2 .设计任务：(1) 设计目的：设计可用于碳钢、合金钢回火的低温箱式电阻炉(2) 设计参数：1) 工件长1500mm采用吊装；周期性成批装料，长时间连续生产；炉膛尺寸：900mm ;2) 最高使用温度：650 C;3) 空炉升温时间：v 2h4) 炉壳表面温升60 C2、炉膛尺寸的确定：炉膛尺寸主要根据工件形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操 作方法和生产率等来确定，同时还应考虑工件在炉内对方方式和运动Word 资料方式、传热条件与炉温分布、电热元件及炉内构件的维修等问题，包 括炉
5、膛空间尺寸和有效加热区尺寸。本次所设计电阻炉，工作对象为L1500的轴类、杆件和长管类低 碳钢、低合金钢工件的回火加热。对于工件加热周期和装炉量不明确 的情况下，如通用炉设计，此时常采用加热能力指标法进行设计，求 出B、L后，与标准系列炉尺寸进行比较后确定实际炉底尺寸，以便 选用标准尺寸炉底板：假设：1 ）炉底单位面积生产率为 P。（单位时间内单位炉底面积 所能加热金属重量）；2）炉底有效面积为 Fi，总面积为F，且Fi =（0.7-0.85）F； 3）炉子生产率为 P，Fi=p/p °因为炉膛直径D=900mm,取B=900mm ;低温炉以对流为主，炉 膛应低些，以提咼热效率。）同
6、时，一般在装料上、下方应保持 200-300mm 的空间，工件距加热元件 100 200mm。标准搁砖每 层高度67mm （包括灰缝）。则取：L=2000mmP0一般在 80 120 kg/ 川.h ;取 P0 = 100 kg/ 川.h , Fi=0.8F ; 由已知 P=100 x 0.8 x 0.9 x 2=144 kk/h ,综上所述：取炉膛高度为 H=2000mm，直径为D=900mm3、炉子砌砖体的设计：3.1炉衬材料的选择炉衬由耐火材料与保温材料砌筑成耐火层和保温层，其直接受炉内高温影响，因此其应耐高温，同时，耐火材料的结构强度决定了耐 火层的强度，保温层其隔热保温作用。在低温热
7、处理炉中常用的耐火 材料为粘土砖、咼铝砖、少量碳化硅制品等等。目前在保证结构强度 的前提下，一般都用轻质砖，其比重轻、导热系数小、高温强度满足 要求等优点。3.2炉墙设计炉墙主要为砌体，外部包炉壳钢板。低温炉炉墙一般分两层，内 层耐火层常用轻质粘土砖砌筑，外层为保温层，由保温材料构成。因 此炉膛尺寸应为标准砖尺寸(230 X 113 x 65mm )加砖缝尺寸(一 般2mm )的倍数。1:铁板；2 :保温层；3:耐火层参考材料加热炉基础P140炉墙，在炉温400650 C,炉子 功率150KW 时，耐火层厚度为115mm，保温层厚度150200mm , 再综合标准砌筑时的标准尺寸，课确定本低温
8、井式炉轻质耐火粘土砖 厚115mm，保温层为轻质硅藻砖，厚170mm。同时，为防止炉墙反复热胀冷缩，发生开裂，在此炉墙黏土层内， 每米长度应留56mm的膨胀缝，个层间的膨胀缝应错开，缝内填 入马粪纸或不完全灰浆。3.3炉底设计炉底起保持炉内热量和承载工件的作用，通常电阻炉炉底结构是 在炉底外壳钢板上用保温砖（硅藻砖）砌成方格子状，在格子内填充 保温材料散料（蛭石粉），再在上面平铺1-2层保温砖，接着铺一层 轻质粘土砖，上面安置支撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁 砖。其厚度可参考炉墙的厚度来决定，故两层厚度取 300mm，炉底 砌筑如下：上半部分为格子形式，下半部分为平铺实砌3.4炉顶设计
9、炉顶结构有平顶和拱顶两种，一般简单的热处理炉大都采用拱顶，标准拱角60。，拱顶质量及其受热时产生的膨胀力形成的侧推力 作用在拱角上。因此，拱角常用轻质楔形砖砌筑，上砌筑轻质保温制 品，而拱角则用重质砖砌筑，以承受较大的侧推力，厚度115mm的 轻质耐火砖和230mm的蛭石粉，拱顶的砌筑方法有错砌和环砌两 种，错砌用于炉内各处工作温度一致， 不须经常拆修的热处理炉及烟 道的拱顶；环砌用于各段温度不一致的连续作业炉的拱顶或工作温度 比较高、损坏快、要经常修理的设计，因此，本次设计炉采用错砌，其结构如下:1.拱顶 2拱顶砖 3.拱顶砖厚 4拱顶矢高h=R (1-sin180) B (1-sin180
10、 )2 22si n 2R为拱顶内半径；B为炉膛宽度mm =60o R=B/23.5炉门设计炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。炉门洞口截面尺寸要保 证装出料方便和炉子安装电热元件和维修的需要，通常应小于炉膛截 面尺寸，以减少热损失和保护电热元件。高温炉的炉门洞口长度应较 大，以减少炉门洞口的辐射热损失。炉门洞口的砌体常受工件摩擦碰 撞，应采用重质砖或其它较坚固的耐火砖砌筑。炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好(特别是可控气氛)和减少热 损失。其基本结构特点是：要有足够厚的保温层，炉门边缘与炉门框 要重叠65130mm，炉门要压紧炉门框，炉门下缘常楔入工作台上 的砂槽内，炉门与炉门框间加密封垫圈
11、，并考虑减轻炉门重量等。最 常用的炉门压紧方法是在炉门侧面设置楔铁或滚轮，当炉门落下时，楔铁或滚轮滑入炉门框上的楔形滑槽或滑道内，炉门越向下，炉门将越压紧炉门框。一般靠自重使楔铁滑入楔形槽内，有时在炉门下设一 气缸，靠气缸的活塞杆作用把炉门拉下，使滚轮或楔铁与滑道或楔形 槽配合更紧密，将炉门紧压在炉门框上。4、炉子功率计算（平衡法）和分配一般炉子的能量消耗项包括加热工件吸收的能量Q件（有效热）、通过炉壁的散热损失 Q散（空载时主要能量消耗项，无效热损 失）、砌体畜热量Q畜（周期作业炉主要能量消耗项，无效热损失）、 炉内气体外溢和对外辐射热损失 Q溢和Q辐（与炉子温度和操作状态 有关，对高温炉应
12、特别注意该两项能量损失，对敞开炉门的炉子，此 项热损失有时成为能量消耗的重要项目）、可控气体的热损失Q控（决 定于气体消耗量，采用密封式自动装卸料的炉子，其气体消耗量和热 能损失可大为降低）、炉内金属构件直接伸出炉外的短路损失 Q短（在 机械化作业炉子上较为严重，对于一般炉子应尽量避免）、料盘和夹 具等反复加热和冷却带来的辅助构件热损失Q辅（有时也占较大比例，在可能的情况下应尽可能减少辅助构件或不使辅助构件反复拉出 炉外）、供电设备和导线引起的电能消耗 Q供（对直接从电网供电的 炉子一般较小，仅占总损失的1 %，但对经变压器降压、低压大电流 供电的炉子，此项电能消耗也很可观），此外，炉子能量消
13、耗还有许 多项目难于计算，设计时归入其它热损失 Q它项目中。4.1有效热Q件计算：Q件=P件（C2t2-Citi）,式中P件为炉子的生产率（kg/h ）, ti和t2为工件加热的初始和终了温度（C） , Ci和C2为工件在ti和t2时的 比热容（KJ/kg °C）,其中 P 件=150kg/h , ti = 20 C,650 C；对中碳钢和低合金钢而言，其20 C和650 C温度时的比热为 0.486KJ/kg C和 0.605KJ/kg C ,贝卩 Q 件=P 件（Cztz-Citi）= 57529.5KJ/h如以加热阶段作为 热平衡计算时间单位，贝心Q件=G装（C2t2-Citi
14、） / T,式中G装为一次装炉料重量（kg ）,7加为加热阶段 时间（h ）。4.2辅助构件热损失Q辅（包括料筐、工夹具、支承架、炉底板 及料盘等）Q辅=P辅（C2t2-C iti）,式中P辅为每小时加热辅助构件的重 量（kg/h） , ti和t2为辅助构件加热的初始和终了温度（C）, Ci和C2为辅助构件在ti和t2时的比热容（KJ/kg C）,其值大小主要由加热 辅助构件来决定，应在使用环境中合理计算，一般也可取炉衬散热的5%i0%,在本低温井式炉中去上限 Q辅=i0% Q散=392.7KJ/h4.3炉衬热损失Q散在炉体处于稳态传热时，通过双层炉衬的散热损失为：Q散=，对于炉墙散热，首先假
15、定界面上的温度及炉壳温度，Sii i iFit墙=530 C, t壳=60 C,则耐火层的平均温度为ti= （ 650+530 ）/2=590 C,保温层平均温度为 t2= （530+60 ） /2=295 C,耐火层、 保温层的热导率分别为：入=0.29+0.256 x 10-3 x t,=0.441W/m C=0.131 + 0.23 x 10-3 x t2=0.1988W/m C则 q=气=11?50-2170 =566-87 W/m0.4410.1988校验界面上的温度t墙和t壳：t 墙=650-q 蛍=650-566.87 x 0.113 - 0.441=504.76 C ; 153
16、0-504.76530100%=4.7%<5% ；满足设计需要，不需要重算;t 壳二 t 墙-q 邑=504.76-566.87 x 0.17 - 0.1988=20.01 C,很显2然满足设计需要，不需要重算则炉墙的辐射散热为：Q 散=qF=566.87 x( 2 nR*R+ kDH ) =566.87 x( 2 x 3.1416 x 0.9 x 0.9+3.1416 x 0.9 x 2) =3926.8KJ/h4.4 Q辐(开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失)Q辐=3.6 obAd(Tg4-Ta4)，式中A为炉门开启面积或缝隙面 积(川)；3.6为时间系数；为炉口遮蔽辐射系数(见图)，查
17、热 处理炉图1-14 , 0=0.8 ; Si为炉门开启率，对常开炉门和炉壁缝隙 而言，Si= 1。设每次装出料所需时间为t=6分钟，则开启率为S i=0.1 则：Tg = 650+273=923KTa = 20+273=293K炉门开启面积为F= nR2 =0.6362 m249231004293=7470.1KJ/h100Q辐3.6 x 5.675 x 0.6362 x S i x x4.5开启炉门溢气热损失Q溢：根据材料加热炉基础P74式4.32g可知,开启炉门溢气热为：44Q溢=5.675 xx Fx 卫-丄 xs其中,根据图4.11可查得 100 100圆形路口辐射换热的遮蔽系数为0
18、.8,则经计算得：Q 溢=2075.2KJ/h4.6其它热损失Q 它:一般对电阻炉，其它热损失约为上述热损失的10%20%,故:Q 它=（Q 件 + Q 辅 + Q 散 + Q 辐 + Q 溢）x 20%=14278.9 KJ/h热量总支出为Q总：其中Q短=0,由下式得：Q 总=Q 件 + Q 辅 + Q 散 + Q 辐 + Q 溢 + Q 它 + Q 短=85673.2KJ/h4.7炉子安装功率计算：P安=瓷其中K为功率储备系数为1.31.5,本设计炉为间歇式周期作业炉，取K=1.5,则：P安=30.935.7KW,与标准炉子比，取 P 安=35KW.4.8炉子热效率计算：Q件 _ 2301
19、1.8Q 总35834.9_ 67.15%Word 资料4.9炉子空载功率:P 空=Q散 °它=5.06KW36004.10炉子升温时间计算：加热炉的空炉升温时间:t空二Q =0.46h3600P安加热炉的装炉升温时间为：t 装=°件 Qs =0.60h3600P安4.11功率分配：本设计中井式炉功率较小，故将35kW功率平均分布在炉壁，在低温井式炉中，炉膛内壁表面的功率密度约为：15kW/ m2,则35kW功率均匀分布在炉壁，其密度为 15kW/ m。但因井式炉的 炉口部分密封不严产生溢气，炉盖较薄散热厉害，炉底因炉气上浮和 散热面较大，炉温也偏低，且此炉中无强制对流，故
20、在炉口和炉底部 位适当加大功率。4.12接线方式采用车间电网电压380V。因为本次设计的炉子功率为 35kW , 米用三相星形接法。4.13功率的调节方法本设计中采用变压器调节法：对功率在100kW以下的中小型电 炉，可将电加热体与变压器的次级线圈串联起来，通过调节改变次级线圈的电压即可改变炉子的功率。变压器具有较多的电压调变分头， 可使炉子的功率十分均匀地进行调变。目前应用较多的是可以带负荷 调节的磁性调压器。五、电热元件的设计5.1电热元件材料的选择因为本次设计中炉子的最高使用温度为650 C,采用0Cr25AI5合金，此种合金电阻率大，电阻温度系数小，功率稳定，耐热性好， 抗渗碳，耐硫蚀
21、，价格便宜，应用广泛。5.2电热元件单位表面功率的确定由以上计算可知，电阻炉总功率为 P安=35kW，同时采用380V 星形接法，其端电压为U组=380/ . 3 =220V。参照热处理炉附表15 , 选用电热体组数n1=3，则每组电热体的设计功率为 P组=P 安/n 1=35/3 =811.67kW在炉子工作温度为650 C时，每组电热元件的电阻为R组刃 组2/P 组 X 10-3=220 2/11.67 X 10-3=4.15 Q。5.3电热元件尺寸的确定电热元件工作温度一般比炉温高100200 C,所以当炉温为650 C时，电热元件的温度大约在800 C,查热处理炉表5-3得， 此时0C
22、r25AI5电热合金的表面允许负荷为 W允=3.1W/cm 2。查热 处理炉附表得20C时0Cr25AI5的电阻率为p =1.40 Q- mm /m , 电阻温度系数a =4 X 10-5 C-1，则800 C时电热元件的电阻率为p t二p20 (1+ aj =1.40 X( 1+4 X 10-5 X 800) =1.44 Q- mm /m则线状电热元件的直径d为d=34.3 X=34.3 X3 8.32 1.441 3.1 2202 =3.75mm线状电热元件的总长度L为L组=0.785 X 10-3R组 U 组 d / pt=0.785 X 10-32d 2 P/（P 组 pt）=0.78
23、5X 10-3 X 2202 X 32/（11.67 X 1.44）=31.78m所以电热元件的总长度L总二nL组=3 X 31.78=95.35m丝状电阻丝一般绕成螺旋管状，绕制节径D和螺距h应保证不坍 塌，同时又要热屏蔽小。D和h小，虽然不易坍塌，但热屏蔽大，所 以不能过大或过小。查热处理炉表 5-5可知，对于铁铬铝合金， 工作温度小于1000 C时，节径D= (68) d= (68) X 3.75=22.5 30mm，螺距 h= （24） d= （24） X 3.75=7.5 15mm取节径D=25mm，螺距h=10mm ,螺旋柱长度 L 组'丸组 h/( kD)= 31.78
24、X 10/(3.1416 X 25)=4.05m5.4电热元件重量的计算的重量为d2L MG组=4查表得0Cr25AI5电热元件的密度为p m =7.1g/cm 3，则电热元件10-3=（3.1416 X 3.75 2/4） X 31.78 X 7.1 X10-3=2.49Kg所以电热元件的总重量为G总二nG组=3 X 2.49=7.48KgW 实=P 组 /( ndL 组)=(11.67 X 103)/(3.1416 X 0.375 X 3178) =3W/cm<W 允,满足设计要求。5.5电热元件的安装1. 电热元件在炉膛内的布置本设计的炉子中为螺旋状电热元件，均匀分布在炉墙上，因为
25、炉膛内墙水平面圆周长为3.1416 X 0.9=2.83m，因为4.05/2.83=1.43 ,所以将每组电阻丝平均分为2折，每折长2.83m，并将每折绕成圈，Word 资料Word 资料超出部分与引出端相连，水平搁在炉壁的搁砖上。因为一共有2 X 3=6根电阻丝，且炉膛高度为 2.0m，每相邻两根电阻丝中心在竖直面上相距2000/7=285.6 ,取电阻丝间距286mm ,电阻丝距上下285mm.即 285 X 2+286 X 5=2000mm。如简图:打a.螺旋形电热元件放在炉墙搁丝砖上 b.螺旋形电热元件放在炉底沟槽中2. 电热元件的引出端电热元件穿过炉壁引出炉外的部分称为引出端。引出端
26、与炉壳的 连接必须保证密封、牢固、绝缘和拆卸方便。电热元件引出端需穿过 炉壁，散热条件很差，为防止引出端温度过高，应加大引出端尺寸。 对金属电热元件需另外焊接一不锈钢引出棒， 其截面积应为元件的3 倍以上。3. 电热元件的焊接电热元件的焊接质量非常重要，质量不好容易产生局部烧坏，并 且有可能产生脆性，易于折断。本设计中使用的铁铬铝合金焊接时会 晶粒粗大，并且无法热处理细化，需快速焊接，一般质量要求的可用电弧焊，质量要求较高时应采用氩弧焊，元件各部分直接按的焊接常 采用搭焊，元件与引出棒之间采用钻孔焊。6、炉温仪表的选择：本次设计的低温井式电阻炉，加热区为一个区，且加热温度区间 为0 C650
27、C,铁-康铜工业用标准热电偶，其温度测量范围为 -40 C760 C,适用于氧化性气氛、还原型气氛、中性气氛以及真 空环境，在500 C以下稳定性良好，故能满足大多数中碳钢、低合金钢的回火加热。工作室有效尺寸：?900mm2®00mm空炉升温时间：2h重量：出厂日期：额定电压：380V 生产率：150 kg /h 空载功率：5.06kW7、炉子技术指标（标牌）：额定功率：35KW使用温度：650 C接线方法：三相星型&使用说明书8.1开炉前的准备1 .检查电器控制箱和炉内是否有能引起电器危险的物件。2.合闸后检查控制箱内的电器和仪表是否正常， 并打开仪表开关, 使其处于工作状
28、态。8.2开炉生产1. 将温度自动控制仪表按工艺规程设定好温度。2. 将控制柜“手把”放在自动控制的位置，升温3 .冷炉升温，到温后保温 2h，即可装入工件（连续生产，允许 连续装炉）。4. 装出炉零件应拉闸断电，使用手压油泵或开启油泵和液压管路 的截门及开关，提升炉盖。5. 工件可以悬挂在保护筐架上，也可装在夹具上放入炉内。6. 盖上炉盖，使炉盖边重合在石墨盘条的槽内，保持炉盖的水平。7. 按工艺规定进行操作。8.3使用注意事项及维护1 .炉温最高不超过650 C。2.装入零件勿高于装料筐的上端。3 .不允许炉温高于400 C时打开炉盖激烈冷却。4. 不装入潮湿和带油污的工件。5. 不在没有保护框架的情况下，使用炉子。6. 每月打扫一次炉膛，清除氧化皮及其他污物。7. 每月检查炉盖、炉膛内的衬砌情况，发现损坏及时修理。8. 每月检查电阻丝引出棒的夹头紧固情况， 清除氧化皮并及时拧 紧夹头。9. 每月检查仪表、热电偶的情况，并进行标定。10 .每月对炉盖升降机构进行加油润滑。9、参考资料：9.1杨君刚著材料加热炉基础西北工业大学出版社20099.2吉泽升等编著热处理炉.哈尔滨工程大学出版社 2004Word 资料