箱式电阻炉课程设计.docx

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1、.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： 160 kg/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 160 kg/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120 k

2、g/(m 2h)，故可求得炉底有效面积：P160F = 1.33 m 21P0120由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1 ?F = 0.750.85 ，取系数上限， 得炉底实际面积：F =F11.33= 1.57 m 2=0.850.852.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L ? B = 2，因此，可求得：?L = F0.5 = 1.57 0.5 = 1.772 m?2 = 1.772?2 =0.886 mB = L根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L = 1.741 m ， B = 0.869 m ，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

3、B之比 H?B通常在 0.50.9 之间，根据炉子工作条件，取H?B = 0.64Om 。因此，确定炉膛尺寸如下：长L = ( 230 + 2) 7 + (230 1+ 2) = 1741 m2宽 B = (120 + 2) 4 + ( 65 + 2) + (40 + 2) 2 + ( 113 + 2) 2 = 869 mm高 H = ( 65 + 2) 9 + 37 = 640 mm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 = 1500 mmB效 = 700 mmH效 = 500 mm4.炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙

4、的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mm QN - 0.8 轻质粘土砖， +80 mm 密度为 250kg?m3 的普通硅酸铝纤维毡，+113mm B 级硅藻土砖。炉顶采用 113 mmQN -1.0轻质粘土砖， +80 mm 密度为 250kg? m3的普通硅酸铝纤维毡，;.+115 mm 膨胀珍珠岩。炉底采用三层 QN - 1.0轻质粘土砖 ( 67 3 )mm ，+50 mm 密度为 250 kg?m 3的普通硅酸铝纤维毡， +182 mm B 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用 65 mmQN - 1.0 轻质粘土砖， +80 mm 密度为 250 kg?m 3 的普通硅酸铝

5、纤维毡， +65 mm A 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 ) = 2360 mmB外 = B + 2 ( 115 + 80 + 115 ) = 1490 mmH外 = H + f + ( 115 + 80 + 115 ) + 67 4 + 50 + 182 = 1566 mm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

6、 f = R(1 -cos30 )求得。1.炉顶平均面积F顶内 =2R2 3.14 0.86926L =61.741 = 1.585 mF顶外 = B外 L外 = 1.490 2.360 = 3.516 m 2F顶内 = F顶内 F顶外 = 1.585 3.516 = 2.360 m 22.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)= 3.341 m 2F墙外 = 2H 外 (L 外 + B外 )= 2 1.566 ( 2.360 + 1.490 )= 12.0

7、58 m 2F墙均 = F墙内 F墙外= 3.341 12.058= 6.347 m 23.炉底平均面积F底内 = B L = 0.869 1.741 = 1.510 m 2F底外 = B外 L外 = 1.490 2.360 = 3.516 m 2;.F底均 = F底内 F底外 =1.510 3.516 = 2.304 m 2五、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= C-0.5t1.55F0.9 ()安升1000取式中系数 C = 30 ( kW ?h0.5 ) ? (m1.8 ?1.55 ) ，空炉升温时间假定为 = 4h ，炉温 t =升950 ，炉膛面

8、积F 避 = 2 ( 1.741 0.640 ) + 2 ( 0.869 0.640 ) + 1.741 0.86960+2 3.14 0.869 360 1.741= 6.440 m 2所以P-0.50.9 (t1.55)= CF1000安升= 304-0.56.44 0.9 ( 10009501.55)= 74.1 kW由经验公式法计算得P安 75 kW2.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 =0.486 kJ?( kg ?)，根据式 (5 -1)Q件 =

9、p (c 件 2t 1 -c件 1 t 0 )= 160 ( 0.548 950 - 0.486 20 )= 81740.8 kJ?h（ 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 =t 1 -t n+1nsii=1iFi;.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，t= 800 ，t=2 墙3 墙450 ， t 4墙 = 65 ，则耐火层 s1的平均温度 t s1950+800均 =2= 875 ，硅酸铝纤维层 s2的平均温度 t=800

10、+450= 625 ，硅藻土砖层s2均2s3 的平均温度 t s3均 =450+65= 257.5， s1 ，s3层炉衬的导2热率由教材附表3 得1 = 0.294 + 0.212 10-3 t s1 均= 0.294 + 0.212 875 10 -3= 0.480 W ? （ m ?）= 0.131 + 0.23 10-3t s3 均3= 0.131 + 0.23 257.5 10 -3= 0.190 W ? （ 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t s2 均 = 625，得2 = 0.128 W? （ m

11、?）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 = 12.50 W? (m 2 ?)求热流q墙 =t g - t as1+ s2 +s3 +1123=950 -200.1150.0800.11510.480 +0.128 +0.190+12.50= 600.06 W? m2验算交界面上的温度t 2 墙 和t 3墙t 2 墙 =t 1-q 墙s10.115806.24 = 950 - 600.06 =10.480?=|t 2 墙 -t 2墙 |806.24 -800t 2=800= 0.78%墙误差 ? 5% ，满足设计要求，不需要重新估算。t 3

12、 墙 = t 2 墙q 墙s20.080-=806.24 -600.06= 431.2 20.128;.|t 3 墙 -t 3墙 |431.2 - 450 |?= 4.18%t 3墙450误差 ? 5% ，同样满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度 t4 墙t4 墙 = t 3 墙 - q墙s30.115= 431.2 - 600.06 = 68 70 30.190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 = 3808.58 WII.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，t 2 顶

13、 =840 ， t 3 顶560 ， t 4顶 = 52 。则：950+840895 ，硅酸铝纤维层 s2的平均温度 t s2 均 =耐火层 s1的平均温度 t s1 均 =2=840+560= 700 ，膨胀珍珠岩层 s3 的平均温度 t s3560+522均 =2= 306 。s1， s3层炉衬的热导率由教材附表3 得：1 = 0.294 + 0.212 10 -3 t s1 均 = 0.294 + 0.212 895 10 -3= 0.484 W ? （m ?）1= 0.040 + 0.220 10 -3t s3 均 = 0.040 + 0.220 306 10 -3= 0.107W?

14、(m ?)普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表4 查得， t s2 均 = 700 时，2 = 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 = 11.59 W?（ m ?）。求热流Q顶 =t g -t as1 +s2 +s3 +1123=950 -200.1150.0800.11510.484 +0.140 +0.107+11.59= 472.06 W? m2验算交界面上的温度t 2 顶 和t 3顶s10.115t 2 顶 =t 1 -q顶 =950 - 472.06 0.484 = 837.9 1;.?=|t 2 顶

15、-t 2顶 |837.9-840|t 2=840= 0.26%顶? 5%，满足设计要求，不需要重新估算。t 3 顶 = t 2 顶 -q 顶s20.080=837.9 -472.06 =568.1520.140?=|t 3 顶 -t 3顶 |568.15-560 |t 3顶=560= 1.46%验算炉壳温度 t4 顶t4 顶 = t 3 顶 -q顶s30.1153=568.15- 472.06 = 60.8 70 0.107满足一般热处理电阻炉表面升温要求。计算炉顶的散热损失Q= q顶?F= 472.06 2.360 =1114.06W ? m2顶散顶均III. 炉底的散热损失假定各层界面的温

16、度及炉底温度，t= 750， t5502 底3 底 =， t4 底 = 53。则耐火层 s1的平均温度 t=950+750= 850，硅酸铝纤维层 s2的平均温度 t=s1均2s2均750+550，硅藻土砖层 s3 的平均温度 t s3550+53= 301.5。2= 650均=2s1和 s3层炉衬的热导率同样可由教材附表3 得1 =0.294 + 0.212 10 -3t s1 均 = 0.474W ?( m ?) = 0.131 + 0.230 10 -3 ts3 均=0.200 W ?（ m ?）3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 2= 0.132W ?（m ?）。当

17、炉壳温度为 53 ，室温为 20 是，由教材附表?（ m ?）。2 可得 = 11.72 W求热流Q底 =t g -t as1s2s31 + +123=950 -200.1950.0500.18010.474+0.132+0.200 +11.72= 523.8 W ?m2验算交界面上的温度t 2 底 和t 3底t 2 底 =t1 -q 底s1 = 950 -523.8 0.195=734.5 10.474;.?=|t 2 底 -t 2底| 734.5 -750|= 2.1%t 2底750? 5%，满足设计要求，不需要重新估算。t 3 底= t 2 底- q 底 s2 = 734.5 - 523

18、.8 0.050= 536.1 20.132?=|t 3 底 -t 3底| 536.1 -550|= 2.5%t 3底550? 5% ，满足设计要求，不需要重新估算。验算炉壳温度 t4 底t 4 底 = t 3 底 - q 底s30.180= 536.1 - 523.8= 64.68 30.200满足一般热处理电阻炉表面升温要求。计算炉底散热损失Q底散 = q 底 ?F底均 = 523.8 2.304 = 1206.8 W?m2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= 6129.44 W= 22066 kJ? h（ 3）

19、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?t(Tg4T a)4100) - (100因为 Tg =950 + 273 = 1223 K ， Ta = 20 +273 = 293 K ，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 H0.640=0.278 m2 ，炉门开启率 =2= 0.869 2t6? 60 = 0.1。由于炉门开启后， 辐射口为矩形， 且 H?2 与 B之比为 0.320 ? 0.869= 0.37 ，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.32 ? 0.31 = 1.03 ，由教材图 1-

20、14第一条线查得孔口遮蔽系数? = 0.7，故Q辐 = 3.6 5.675F?T g4Ta4t( 100 )-( 100 ) = 5.6753.6 0.2780.1 0.7 (122342934100 )-( 100 )= 8865.1 kJ?h（ 4）开启炉门溢气热损失溢气热损失由教材式（ 5 - 7）得Q溢= qv c (t- t) a agat式中， q va 由教材式（ 5 -7 ）得;.HH= 1997 0.869 0.320 0.320= 314.1 m3? hq va = 1997B ? ?223，由教材附表10 得 c = 1.301kJ? (m3?)， t= 20冷空气密度

21、= 1.29 kg? ma，t为aag溢气温度，近似认为t g22=t a + 3 (t g -t a) =20 + 3 ( 950 -20 ) =640 Q=qvc(tt) g-溢aa aat= 314.1 1.29 1.302 (640 - 20) 0.1= 32658.2 kJ? h(5) 其他热损失其他热损失约为上述热损失之和的10%20% ，故Q他 = 0.13 (Q 件 + Q散 + Q辐 + Q溢 )= 0.13 (81740.8 + 22066 + 8865.1 + 32658.2 )= 18892.9 kJ?h(6) 炉子热量总支出其中 Q辅 = 0 ， Q控 = 0 ，由教

22、材式（5 - 10 ）得Q总 = Q件 + Q辅 + Q控 + Q散 + Q辐 + Q溢 + Q他= 81740.8 + 22066 + 8865.1 + 32658.2 + 18892.9= 164223.02 kJ? h（7）炉子安装功率由教材式（ 5 - 11）KQ总P安 = 3600其中， K为功率储备系数，本炉设计中K取 1.4 ，则1.4 164223.02P安 = 3600= 63.86 kW与标准炉子相比较，取炉子功率为75 kW 。六、炉子热效率计算1. 正常工作时的效率由教材式（ 5-12 ）=Q件81740.8= 49.77%Q总164223.022. 在保温阶段，关闭炉

23、门时的效率=Q件81740.8= 66.6%Q总 -(Q 辐 + Q溢 )164223.02 - 8865.1 - 32658.2七、炉子空载功率计算;.P空 =Q散 + Q他22066 + 18892.9= 11.38 kW36003600八、空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因为升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。1. 炉墙及炉顶蓄热V黏侧 = 2 1.741 ( 12 0.067 + 0.135 ) 0.115 = 0.376 m 3前。后= 2 ( 0.869 +

24、0.115 2) (16 0.067 + 0.135 ) 0.115 = 0.305 m 3V黏V顶0.225 m3黏 = 0.97 ( 1.741 + 0.276 ) 0.115 =侧0.115 ) ( 12 0.067 + 0.135 ) 0.080 = 0.279 m 3V纤 =2 ( 1.741 +V前。后= 2 ( 0.87 + 0.115 2) ( 16 0.067 + 0.135 ) 0.080 =0.212 m 3纤V纤顶 =1.071 ( 1.741 + 0.276 ) 0.08 =0.172 m 3侧0.401 m 3V硅 = 2 ( 12 0.067 + 0.135 )

25、( 1.741 + 0.115 ) 0.115 =前。后V= 2 1.490 ( 16 0.067 + 0.135 ) 0.115 = 0.414 m 3硅顶3V 2.360 1.490 0.115 = 0.404 m珍由教材式 (5 - 9)Q蓄= V c黏(t黏- t 0) + V c (t纤- t 0 ) + V c (t硅- t 0)黏 黏纤 纤 纤硅 硅 硅因为t 黏 =t 1 + t 2 墙950 + 806.24= 878.12=22查教材附表3，经计算得c黏 = 0.84+ 0.26 10-3t 黏 = 0.84 + 0.26 10-3878.12= 1.068? (kg ?)

26、kJt 纤 =t 2 墙 + t 3 墙806.24 + 431.2=2= 618.72 2查教材附表3，经计算得c纤 = 0.81+ 0.28 10 -3t 纤 = 0.81 + 0.28 10 -3618.72= 0.983kJ? (kg ?)t 3 墙 + t 4 墙431.2 + 68= 249.6t 硅 =2=2查教材附表3，经计算得c硅 = 0.84 + 0.25 10-3 t 硅 = 0.84 + 0.25 10-3 249.6 = 0.90 kJ? ( kg ?);.炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得Q= (V侧前。后顶- t)蓄 1黏+ V+ V ) c (t黏0黏黏黏 黏+ (V硅前。后顶(t- t 0)纤+ V+ V ) c纤纤纤纤纤+