105KW中温箱式电阻炉设计.doc

热解决设备设计阐明书

设计题目
105KW中温箱式电阻炉设计

佳木斯大学

目 录
1 前 言 1
1.1 本设计目、意义 1
1.1.1 本设计目 1
1.1.2 本设计意义 1
1.2 本设计技术规定 1
1.2.1 技术规定 1
1.3 热解决炉发呈现状 2
1.3.1 国外热解决行业能源运用状况 2
1.4 国内热解决行业存在问题 2
2 设计阐明 3
2.1 炉型选取 3
2.2 拟定炉体构造和尺寸 3
2.2.1 依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸L*B*H 3
2.2.2 拟定工作室有效尺寸 L效 B效 H效 3
2.2.3 炉衬材料及厚度拟定 3
2.2.4 砌体平均表面积计算 4
2.2.5 炉顶平均面积 4
2.2.6 炉墙平均面积 4
2.2.7 炉底平均面积 4
2.3 计算炉体热散失 5
2.3.1 求热流量 5
2.3.2 验算交界面上温度t2墙 t3墙 5
2.3.3 验算炉壳温度t4墙 6
2.4 计算炉墙散热损失Q墙散 6
2.4.1 计算炉墙散热损失 6
2.4.2 启动炉门辐射热损失Q辐 6
2.4.3 启动炉门溢气热损失Q溢 7
2.4.4 其他热损失Q它 7
2.4.5 工件吸取热量 7
2.5 炉 子 生 产 率 计 算 7
2.5.1 炉 子 生 产 率计算 7
2.5.2 正常工作时效率 7
2.5.3 保温阶段关闭炉门时效率 7
2.6 炉子空载功率计算 8
2.7 空炉升温时间计算 8
2.7.1 炉墙及炉顶蓄热 8
2.7.2 炉底蓄热计算 8
2.7.3 炉底板蓄热 9
2.8 功率分派与接线 9
2.9 电热元件材料选取及计算 10
2.9.1 求950℃时电热元件电阻率pt 10
2.9.2 拟定电热元件表面功率 10
2.9.3 每组电热元件功率 10
2.9.4 每组电热元件端电压 10
2.9.5 电热元件直径 10
2.9.6 每组电热元件长度和重量 10
2.9.7 电热元件总长度和总重量 10
2.9.8 校核电热元件表面负荷 11
2.9.9 电热元件在炉膛内布置 11
2.10 炉子技术指标 11
3 附录 12
3.1 装配图 12
3.2 电阻丝 13
3.3 电阻丝接线示意图 14
4 参 考 文 献 15

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1 前 言
1.1 本设计目、意义

1.1.1 本设计目

设计一台电阻加热炉，额定功率为105KW，使其加热温度在650℃-1000℃之间，周期式成批装料，长时间持续生产。 用于中碳钢，低合金钢毛坯或零件淬火，正火及调质解决，解决对象为中小型零件，无定型产品，解决批量为多品种，小批量。

1.1.2 本设计意义

通过本次热解决炉设计，理解中温热解决炉基本构造，掌握热解决炉设计基本办法，熟悉热解决炉在工厂中实际应用以及进一步纯熟工程制图办法，为后来工厂实际奠定基本。
1.2 本设计技术规定

1.2.1 技术规定
1 用途：中碳钢，低合金钢毛坯或零件淬火，正火及调质解决，解决对象为中小型零件，无定型产品，解决批量为多品种，小批量。

2 额定功率：105KW

3 工作温度：中温（650℃-1000℃）

4 生产特点：周期式成批装料，长时间持续生产。

1.3 热解决炉发呈现状
1.3.1 国外热解决行业能源运用状况
在国外推出热解决节能办法中，重要考虑就是改进设备和革新工艺技术办法，重要办法有如下几种方面：
1. 加强合理运用热能理论研究和实际应用。
2. 采用直接控制炉内氛围碳势、氮势、氧势传感器和执行机构，可以获得一定节能效果。
3. 采用新型保温材料，可减少20%以上热损失。
4. 采用直接加热工件办法，可减少蓄热损失和辐射损失，也可有效节约能源。
5. 改进料盘、夹具构造，减轻耐热钢构件重量，增长强度，减少料盘夹具无效加热损失。

1.4 国内热解决行业存在问题
由于国内工业起步较晚，现行热解决装备水平普遍落后，重要有如下几种方面：
1. 设备负荷率低，装炉量局限性。
2. 设备运用率低。
3. 加热设备落后。
4. 无效热消耗多。
5. 工艺落后。当前，国内热解决工艺普遍落后，过于保守。
2 设计阐明
2.1 炉型选取
依照设计任务给出生产特点，拟选用中温箱式热解决电阻炉，不通保护氛围。
2.2 拟定炉体构造和尺寸
2.2.1 依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸L*B*H
经验公式：
P安=Ct升0.5F0.9（T/1000）1.55
由于炉门为启动式，故散热量较大，取C=30[(kw*h0.5)/(m1.8*℃1.55)],空炉升温时间假定为4h，炉温为T=1000℃，故 105=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55 计算得 F=8.69m2
依照炉膛面积计算公式 F=2*B*H+2*L*H+B*L+2*∏*B*L*（60o/360o） (1)
依照经验普通有 L=2B H=0.7B (2)
依照(1)(2)式计算得 L=2.05m B=1.03m H=0.72m
依照原则热解决炉砖尺寸（230mm*113mm*65mm）
及在各方向上砖缝不能重叠，以保持其强度，必要用半块砖， 故取 L=1.96m B=0.9m H=0.68m
考虑每块砖之间缝隙2mm,拟定最后尺寸
L=(230+2)*8+(230*0.5+2)=1973mm
B=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=967mm
H=(65+2)*10+37=707mm
2.2.2 拟定工作室有效尺寸 L效 B效 H效
为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定空间，拟定工作室有效尺寸为 L效=1700mm B效=700mm H效=500mm
2.2.3 炉衬材料及厚度拟定
由于侧墙，前墙及后墙工作条件相似，采用相似炉衬构造，即 113mmQN-1.0轻质黏土转+50mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡 +113mmB级硅藻土砖。
炉顶采用113mmQN-1.0轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝 纤维毡，+115mm膨胀珍珠岩。
炉底采用三层QN-1.0轻质黏土砖（67*3）mm+50mm密度为250kg/m3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轻质黏土砖+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质黏土砖，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，依照炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。
2.2.4 砌体平均表面积计算
L外=L+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2483mm
B外=B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=1527mm
H外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182
=707+130+310+268+50+182=1647
式中： f----拱顶高度，此炉采用60o原则拱顶，取拱弧半径R=B，则 f可由f=R(1-cos30o)求得。
2.2.5 炉顶平均面积
F顶内=2∏R/6*L=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025m2
F顶外=B外*L外=2.483*1.527=3.903 m2
F顶均=√F顶内* F顶外=√2.025*3.903=2.82 m2
2.2.6 炉墙平均面积
炉墙平均面积涉及侧墙及先后墙，为简化计算将炉门涉及在前墙。
F墙内=2LH+2BH=2H（L+B）=2*0.707（1.973+0.967）
=4.150m2
F墙外=2H外（L外+B外）=2*1.647（2.483+1.527）
=13.39 m2
F墙均=√F墙内* F墙外=√4.15*13.39=7.45 m2
2.2.7 炉底平均面积
F底内=B*L=0.967*1.973=1.93 m2
F底外= B外*L外=2.483*1.527=3.90 m2
F底均=√F底内F底外=√1.93*3.9=2.74 m2
2.3 计算炉体热散失
由于炉子侧壁和先后墙炉衬构造相似，故作统一数据解决，为简化计算，将炉门涉及在前墙内。
依照公式 Q散=t1-tn+1/∑Si/入iFi
对于炉墙散热，一方面假定界面上温度及炉壳温度，t2ˊ墙=780℃，t3ˊ墙=485℃，t4ˊ墙=60℃则
耐火层S1平均温度ts1均=（950+780）/2=865℃
硅酸铝纤维层S2平均温度 ts2均=（780+485）/2=632.5℃
硅酸土砖层S3平均温度 ts3均=（485+60）/2=272.5℃
S2 S3 层炉衬热导率由附表3查得
λ1=0.29+0.256*10-3ts1均
=0.29+0.256*10-3*865=0.511W/（m·℃）
λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*272.5=0.194 W/（m·℃）
普通硅酸铝纤维热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范畴内近似以为其热导率与温度呈线形关系
由 ts2均=632.5℃ 得 λ2=0.129 W/（m·℃）
当炉壳温度为60℃ 室温为20℃ 由附表2经近似计算得
a∑=12.11 W/（m·℃）

2.3.1 求热流量
q墙=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ）
=（950-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=730.4W/㎡
2.3.2 验算交界面上温度t2墙 t3墙
t2墙 =t1-q墙*（s1/λ1 ）=950-730.4*（0.115/0.511）=788.6℃
Δ= （t2墙 - t2ˊ墙 ）/ t2ˊ墙 =（788.6-780）/780=1.1%
Δ〈 5% 满足设计规定 不需要重算。
t3墙 = t2墙 -q墙*（s2/λ2） =788.6-730.4*（0.05/0.129）=497.8℃
Δ= （t3墙- t3ˊ墙 ）/ t3ˊ墙 =（497.8-485）/485=2.64%
Δ〈 5% 满足设计规定 不需要重算。
2.3.3 验算炉壳温度t4墙
t4ˊ墙= t3墙-q墙*（s3/λ3）=497.8-730.4*（0.115/0.194）=64.9℃〈 70℃
满足普通热解决电阻炉表面升温不大于50℃规定。

2.4 计算炉墙散热损失Q墙散
2.4.1 计算炉墙散热损失
Q墙散=q墙*F墙均 =730.4*7.45=5441.48 W
同理可以求得 t2顶=844.3 ℃ t3顶=562.6℃ t4顶=53℃
q顶=485.4 W/㎡
t2底=782.2℃ t3底=568.5℃ t4底=53.7℃
q底=572.2 W/㎡
炉顶通过炉衬散热
Q顶散= q顶*F顶均=485.4*2.82=1368.83 W
炉底通过炉衬散热
Q底散= q底*F底均=572.2*2.74=1567.83 W
则整个炉体散热损失 （其中1W=3.6 KJ/h）
Q散= Q墙散+Q底散+Q顶散
=5441.48+1368.83+1567.82
=8378.13=30161.32KJ/h
2.4.2 启动炉门辐射热损失Q辐
设装出料所需时间为每小时6分钟
Q辐=3.6*5.765FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕
Tg=950+273=1223K Ta=20+273=293K
由于正常工作时，炉门启动高度为炉膛高度一半，故炉门启动面积
F=B*（H/2）=0.967*0.707/2=0.343m2
炉门启动率δt=6/60=0.1
由于炉门启动后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.351/0.978=0.36，炉门启动高度与炉墙厚度之比为0.351/0.28=1.25，由图1-14第一条线查得 Φ=0.7 故
Q辐=5.675*3.6FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕
=5.675*3.6*0.343*0.1*0.7*（22372-73.7）
=11406.62KJ/h
2.4.3 启动炉门溢气热损失Q溢
Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt
近似以为qva=1997B*H/2=1997*0.978*0.351*√0.351=406.14
冷空气密度Ρa=1.29㎏/㎡ 有附表得Ca=1.342 KJ/（㎡·℃）
ta =20℃ tˊg为溢气温度，近似以为
tˊg= ta +2/3（tg - ta）=20+2/3（950-20）=640℃
Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt=406.14*1.29*1.342*（640-20）*0.1
=43592.29 KJ/h
2.4.4 其他热损失Q它
普通其他热损失为上述热损失10%～20% 则
Q它=0.13（Q件+ Q散+ Q辐+ Q溢）
=0.13（Q件+30161.32+11406.62+43592.29）
=0.13Q件+11070.83 KJ/h
2.4.5 工件吸取热量
由于炉子安装功率为105KW，又P安=KQ总/3600 其中K为功率储备系数，本炉子设计中取K=1.4 则P安=1.4Q总/3600=75KW
Q总=105*3600/1.4=270000 KJ/h 得
Q件=153777.82 KJ/h
Q它=31061.95 KJ/h

2.5 炉 子 生 产 率 计 算
2.5.1 炉 子 生 产 率计算
低合金钢工件在650和20比热容为C件2=0.770 KJ/（㎏·℃）
C件1=0.486 KJ/（㎏·℃） 由Q件=P （C件2 t1- C件1 t0）得
P=Q件/（ C件2 t1- C件1 t0）=153777.82/（0.77*650-0.486*20）
=313.37 Kg/h
2.5.2 正常工作时效率
η= Q件/ Q总= 153777.82/270000=56.95%
2.5.3 保温阶段关闭炉门时效率
η= Q件/ Q总-Q辐-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%
2.6 炉子空载功率计算
P空= Q散+ Q它/3600=（30161.32+31061.95）/3600=17KW
2.7 空炉升温时间计算
由于所设计炉子耐火层相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、先后墙及炉顶按相似数据计算，炉底由于砌砖办法不同，进行单独计算。因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。
2.7.1 炉墙及炉顶蓄热
V粘侧=2*[1.973*（13*0.067+0.135）*0.115]=0.458m3
V粘先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.354 m3
V粘顶=0.97*（1.973+0.276）*0.05=0.251 m3
V纤侧=2*[（1.973+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05]=0.187 m3
V纤先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.154 m3
V纤顶=1.071*（1.973+0.276）*0.08=0.193 m3
V硅侧=2*[（13*0.067+0.135）*（1.973+0.115）*0.115]=0.484 m3
V硅先后=2*[1.43*（17*0.067+0.135）*0.115]=0.419 m3
V硅顶=2.3*1.43*0.115=0.378 m3
由式
Q蓄=V粘p粘c粘（t粘-t0）+V纤p纤c纤（t纤-t0）+V硅p硅c硅（t硅-t0）
其中 t粘=（t1+t2墙）/2=（950+788.6）/2=869.3℃
t纤=（t2墙+t3墙）/2=（788.6+497.8）/2=643.2℃
t硅=（t3墙+t4墙）/2=（497.8+64）/2=281.3℃
查附表3得
C粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.066 KJ/（㎏·℃）
C纤=0.81+0.28*10-3 t纤=0.99KJ/（㎏·℃）
C硅=0.84+0.25*10-3 t硅=0.91 KJ/（㎏·℃）
因此得
Q蓄1= （V粘侧+ V粘先后+ V粘顶）p粘c粘（t粘-t0）+( V纤侧+ V纤先后+ V纤顶) p纤c纤（t纤-t0）+( V硅侧+ V硅先后+ V硅顶) p硅c硅（t硅-t0）
=962391+82365+152300=1044908.3KJ
2.7.2 炉底蓄热计算
V粘底=[4*（0.02*0.12+0.133*0.065）+（0.04*2+0.065）*0.113+（0.113*0.12）*2]*1.973+（1.43-0.115*2）*（2.3-0.115）*0.065
= 0.324 m3
V纤底=2.538*1.527*0.05=0.164 m3
V硅底=2.538*1.527*0.128=0.600 m3
由于t粘=（t1+t2底）/2=（950+782.2）/2=866.1℃
t纤=（t2底+t3底）/2=（788.2+568.5）/2=675℃
t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311℃
查表得
C粘=0.84+0.26*10-3 t粘=1.065 KJ/（㎏·℃）
C纤=0.81+0.28*10-3 t纤=0.999 KJ/（㎏·℃）
C硅=0.84+0.25*10-3 t硅0.918 KJ/（㎏·℃）
因此得
Q蓄底=V粘底Ρ粘C粘（t粘-t0）+V纤底Ρ纤C纤（t纤-t0）+V硅底Ρ硅C硅（t硅-t0）
=399880KJ
2.7.3 炉底板蓄热
依照附表6查得950℃和20℃时高合金钢比热容分
别为0.670和0.473，经计算炉底板重量为242Kg，因此有
Q蓄板=G（c板2t1-c板1t0）=242(636.5-9.46)=151743.6KJ
得
Q蓄= Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板
=1044908.3+399880+151743.6
=1596531.9KJ
得升温时间
τ升=Q蓄/3600P安=4.22h
对于普通周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合规定。
2.8 功率分派与接线
105KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，构成Y、△或YY、△△接线。供电电压为车间动力电网380V。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期作业炉，内壁表面负荷应在15-35kW/m2之间，惯用为20-25 kW/m2之间。
F电=2F电侧+F电底=2*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71 m2
W= P安/F电=105/4.71=22.29KW/㎡
表面负荷在惯用范畴20-25 kW/m2之内，故符合设计规定。
2.9 电热元件材料选取及计算
由最高使用温度1000℃，选用线状0Cr25Al5合金电热元件。接线方式采用YY。
理论计算
2.9.1 求950℃时电热元件电阻率pt
当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃时电阻率p20=1.40Ω·mm2/m,电阻温度系数a=4*10-5℃-1，则1100℃下电热元件电阻率为
pt= p20（1+at）=1.46Ω·mm2/m
2.9.2 拟定电热元件表面功率
由图5-3，依照本炉子电热元件工作系数取W允=3W/㎝2
2.9.3 每组电热元件功率
由于接线方式采用YY，每组元件功率
P组=105/n=105/（3*2）=17.5KW
2.9.4 每组电热元件端电压
由于接线方式采用YY，供电电压为车间动力电网380V，故每组电热元件端电压既为每组电压
U组=380/√3=220V
2.9.5 电热元件直径
由公式得 d=34.3√P2组ρt/（U2组·W允）〕3=4.99㎜
取 d=5mm
2.9.6 每组电热元件长度和重量
L组=0.785*10-3（U2组d2）/（P组ρt）=37.18m
G组= ∏*d2L组ρm/4 式中ρm由附表12查得ρm =7.1g/㎝2 得 G组=5.18㎏
2.9.7 电热元件总长度和总重量
总长度L总=6*L组=6*37.18=223.08m
总重量G总=6*G组=6*5.18=31.08㎏
2.9.8 校核电热元件表面负荷
W实=P组/（ΠdL组）
=（17.5*1000）/（3.14*0.5*3718）=2.998W/㎝2
W实〈W允， 成果满足设计规定。

2.9.9 电热元件在炉膛内布置
将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有
L折=L组/4=37.18/4=9.295m
布置电热元件炉壁长度
L′=L-50=1973-50=1923mm
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000时，
由表5-5得螺旋直径D=（4～6）d，取D=6d=6*5=30㎜
螺旋体圈数N和螺距h分别为
N=L折/（ΠD）=9.295*1000/（3.14*30）=99
h= L′/N=1923/99=19.47㎜
h/d=19.47/5=3.89＜4
按规定h/d在2～4之间满足设计规定。
依照计算，选用YY方式接线 d=5㎜电热元件重量最小，成本最低。
电热元件节距h在安装时恰当调节，炉口某些增大功率
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，Φ=20㎜ L=500㎜。

2.10 炉子技术指标
额定功率：105KW 额定电压：380V
最高使用温度：950℃ 生产率：313.37㎏/h
相数：3 接线办法：YY
工作室有效尺寸：1700*700*500
外形尺寸：2483*1527*1647
重量： 出厂日期：

3 附录

3.1 装配图

3.2 电阻丝

3.3 电阻丝接线示意图

4 参 考 文 献
[1] 吉泽升，张雪龙，武云启．热解决炉．第1版．哈尔滨工程大学出版社出版，
[2] 热解决手册—热解决设备和辅助材料．机械工业出版社，6月第三版
[3] 热解决设备选用手册．机械工业出版社，1989年8月第一版