井式电阻炉课程设计教学内容.doc

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一 设计任务 ……………………………… 1
二 炉型的选择 …………………………… 1
三 炉膛尺寸的确定 ………………………… 1
四 砌体平均表面积计算……………… 2
五 电阻炉功率的计算 …………………… 2
六 电阻炉热效率计算……………………… 6
七 炉子空载功率计算…………………………… 6
八 空炉升温时间计算…………………………… 6
九 功率的分配与接线…………………………… 9
十 电热元件材料选择及计算…………………………… 9
十一、炉子技术指标…………………………………………12
十二、绘制炉型图………………………………………………12

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一、设计任务
设计种类：轴类工件，杆件和长管件的回火加热（材料为中碳钢，低合金钢）
生产能力：160 kg/h
零件最大尺寸：Φ50*1800mm
作业制度：3班制生产
二、 炉型的选择
根据技术条件要求，工件材料为中碳钢或者低合金钢，热处理工艺为回火，对于中碳钢或低合金钢回火最高温度大约为600～700℃，所以选择中温炉（上限950℃）即可。金属热处理多用箱式炉、井式炉或者连续电阻加热炉。同时工件规定是长轴类，选择箱式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉。
三、炉膛尺寸的确定
1、炉底面积的确定：
用炉底强度指标法计算，炉底有效面积：
查表5.1得gs=100Kg/（m2·h），又Gs=160Kg/h
Fa===1.6（m2）
由于存在关系式=0.78~0.85，取系数上限，得炉底实际面积：
F===1.88（m2）
2、炉底直径的确定：
由公式F=R2= D===1.55m
3、炉膛高度的确定：
由于加热工件的最大长度为1800mm，工件距炉顶和炉底各约150mm～250mm，
则炉深 H=1800+250+250=2300mm
4、炉衬材料及厚度的确定：
炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：
（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；
（2）为了减少炉衬热损失和缩短冷炉升温时间，在满足耐火、保温和机械强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；
（3）保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则将使保温性能降低；
（4）炉衬外表面温升以保持在40~60℃为宜，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。
对于950℃的井式炉，用一层轻质粘土砖作为耐火层，硅藻土砖及蛭石粉做保护层，在炉膛底部应干铺一层粘土砖作为炉底。
对于深度较大的炉子，在耐火层和炉口砖之间应当留15～25mm膨胀缝，炉膛底部应留有清楚氧化皮的扒渣口，炉衬外有炉壳保护。
综上所述，炉墙采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm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轻质粘土转+80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+85mm蛭石粉。
炉底采用QN-1.0轻质粘土转(67*2)mm+50mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和硅藻土粉复合炉衬。
炉壳用5mm钢板制作。
四、砌体平均表面积计算
D外=D+2*(115+80+115)=1550+620=2170(mm)
H外=H+C底+f+h拱角
C底=67*2+50+182=366mm
f=R(1-cos30°)=D(1-cos30°)=1550*(1-cos30°)=208mm
h拱角=(65+2)+(135+2)*2=341mm
、H外=2300+366+208+341=3215(mm)
(1) 炉顶平均面积
F顶内===2.51m2
F顶外===5.03 m2
F顶均===3.63 m2
（2） 炉墙平均面积
F墙内=2*=2*3.14*0.775*2.3=11.19 m2
F墙外=2*=2*3.14*1.085*3.215=21.91 m2
F墙均===15.95m2
（3） 炉底平均面积
F底内==3.14*0.7752=1.89 m2
F底外==3.14*1.0852=3.70 m2
F底均===2.69m2
五、电阻炉功率计算
本炉采用理论设计法，理论设计法就是采用热平衡来确定炉子功率的方法。其原理是炉子的总功率即热量的收入，应能满足炉子热量支出的总和。电阻炉的种类和作业形式不同，热量支出的具体项目和数量也不相同。
根据热平衡计算炉子功率：
（1） 加热工件所需的热量
查表可知，工件在950℃及20℃时比热容分别为=0.636，=0.486，所以
=Gs()=160*(0.636*950-0.486*20)=95117KJ/h
（2） 加热辅助构件（料筐、工具夹、支承架、炉底板、料盘等）所需的热量
=G辅()=0 KJ/h
（3） 加热控制气体所需的热量
=C()=0 KJ/h
（4） 通过炉衬的散热损失
通过炉衬的散热损失指炉膛内的热量通过炉体散发到大气中的损失。在炉子加热阶段，通过炉衬的散热损失属于不稳定态传热。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
=
对于炉墙散热，如图所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，=850℃，=450℃，=60℃。则耐火层s1的平均温度=900℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度=650℃，硅藻土砖s3的平均温度=255℃，s1,s3层炉衬的热导率由表得
=0.294+0.212**900= 0.485W/(m﹒℃)
=0.131+0.23**255= 0.190W/(m﹒℃)
普通硅酸铝纤维的热导率由表查得，在给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由=650℃，得
=0.128W/(m﹒℃)
当室温为20℃时，由表近似计算得=12.17W/(m2﹒℃)
1） 求热流
===600.2W/m2
2） 验算交界面上的温度,
=-=950-600.2*=807.7℃
==*100%=4.9%
,满足设计要求，不需重算。
=-=807.7-600.2*=432.6℃
==*100%=3.8%
,满足设计要求，不需重算。
3） 验算炉壳温度
=-=432.6-600.2*=69.3℃<70℃满足要求
4）计算炉墙散热损失
==600.2*15.95=9573.2W
同理可以求得
=808.1℃，=434.2℃，=63℃，=598.3W/m2
=807.1℃，=430.4℃，=67℃，=602.8W/m2
炉顶通过炉衬散热
==598.3*3.63=2171.8W
炉底通过炉衬散热
==602.8*2.69=1621.5W
整个炉体散热损失

=9573.2+2171.8+1621.5
=13366.5W =48119.4kJ/h
（5）开启炉门的辐射损失
设装出料所需时间为每小时6分钟，可得

因为=950+273=1223K, =20+273=293K,故
炉门开启面积 F==3.14*=1.89
炉门开启率
由于炉门开启后，辐射口为圆形，且H与 R 之比为0.2/0.775=0.26，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.2/0.31=0.65，查表知=0.7，故

=3.6*5.675*1.89*0.7*0.1*
=6027kJ/h
（6）开启炉门溢气损失
溢气热损失
其中， m3/h
冷空气密度 kg/m3, 由表得kJ/(m3﹒℃), ℃, 为溢气温度，近似认为=+=20+=640℃，

=276.9*1.29*1.342*（640-20）*0.1
=29715.9kJ/h
（7）其它热损失
其它热损失约为上述热损失之和的10%--20%，故
=10%*(++++)
=0.1*（95117+0+48119.4+6027+29715.9）
=17897.9kJ/h
（8）热量总支出
=+++++
=95117+0+48119.4+6027+29715.9+17897.9
=196877.2kJ/h
（9）炉子的安装总功率

其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则
==91.65kW
与标准炉子相比较，取炉子功率为90kW。
六、 电阻炉热效率计算
1. 正常工作时的效率
=*100%=48.3%
2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率
*100%=59%
七、 炉子空载功率计算
==18.3kW
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，因升温时炉底底板也随炉升温，也要计算在内。
1. 炉墙及炉顶蓄热
=2*[1.509*(34*0.067+0.135)*0.115]==0.837m3
=2*[1.509*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.837m3
=0.97*(1.509+0.276)*0.115=0.199 m3
=2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080]=0.627 m3
=2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080]=0.627m3
=1.071*(1.509+0.276)*0.0.080=0.153m3
=2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.901 m3
=2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.901m3
=2.360*1.490*0.115=0.404m3
所以

因为 ==878.8℃
查表得 1.07kJ/(kg﹒℃)
℃
查表得0.98kJ/(kg﹒℃)
℃
查表得0.90kJ/(kg﹒℃)
所以得

+
+
=（0.837+0.199）*0.8**1.07*（878.7-20）
+（0.627+0.153）*0.25**0.98*（620.2-20）
+（0.901+0.404）*0.55**0.90*（251-20）
=761508.9+114698.2+149220.2=1025427.3kJ
2. 炉底蓄热计算
==0.143m3
=1.601*1.079*0.05=0.086m3
=1.601*1.079*0.182=0.314m3
=808.1℃，=434.2℃，=63℃，=598.3W/m2
=807.1℃，=430.4℃，=67℃，=602.8W/m2

==878.6℃
查表得 1.07kJ/(kg﹒℃)
℃
查表得0.98kJ/(kg﹒℃)
℃
查表得0.90kJ/(kg﹒℃)

所以得
=0.143*1.0**1.07*(878.6-20)
+0.176*0.25**0.98*(618.8-20)
+0.633*0.5**0.90*(248.7-20)
=222339.9 kJ
3. 炉底板蓄热
查表得950℃和20℃时钢板的比热容分别为=0.679和=0.473。经计算炉底板重量G=242kg，所以有
=G()=242*(0.670*950-0.473*20)=151743.6kJ
所以=1025427.3+222339.9 +151743.6=1399510.8kJ
得升温时间为
==5.18h
对于一般周期作业炉，其升温时间在2—8小时内均可，故本炉子设计符合要求。
九、 功率的分配与接线
90kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成接线。供电电压为车间动力网380V。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在15—25kW/m2之间。
=2*1.714*0.64+1.714*0.869=3.74m2
=20.05kW/m2
表面负荷在常用的范围之内，故符合设计要求。
十、 电热元件材料选择及计算
由最高使用温度950℃，选用线状合金作电热元件，接线方式采用380V单相接法。
1. 求950℃时电热元件的电阻率
当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，查表得0Cr27Al7Mo2在20℃时电阻率 ，电阻温度系数 ，则1200℃下的电热元件电阻率为1.40*(1+4**1100)=1.46
2. 确定电热元件表面功率
查表知，=1.7W/cm2
3. 每组电热元件功率
由于采用三相接法，每组元件功率
=10kW
4. 每组电热元件端电压
由于采用三相接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压

5. 电热元件直径
线状电热元件直径为
=4.2mm
取
6. 每组电热元件长度和质量
每组电热元件长度为
=0.785*=45.9m
每组电热元件质量为

式中，所以得
==4.52kg
7. 电热元件的总长度和总重量
电热元件的总长度为
=3*45.9=137.7m
电热元件总重量为
=3*4.52=13.56kg
8. 校核电热元件表面负荷
W/cm2
，结果满足设计要求。
9. 电热元件在炉膛内的布置
将3组电热元件分为12折，布置在炉墙及炉底上，则有
=11.5m
布置电热元件的炉壁长度
mm
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度低于1000℃，查表知，螺旋直径D= (4~6)d，
取D=5d=5*5=25mm
螺旋体圈数N和螺距h分别为
==146圈
==15.4mm
=3.08
按规定，h/d在2—4范围内，满足设计要求。
根据计算，选用YY方式接线，采用所用电热元件重量最小，成本最低。
电热元件节距h在安装时适当调整，路口部分增大功率。
10、电热元件引出棒及其套管的设计与选择
（1）、引出棒的设计
引出棒用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti，
φ=12mm，L=500mm，丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。
（2）、保护套管的选择
根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，选用SND·724·016号套管，高铝矾土，重量0.5Kg，d引=φ16mm，D引=φ36mm，长度300mm。
（五）、热电偶及其保护套管的设计与选择
（1）、热电偶的选择
由于炉内最高的温度为950℃.长期使用的温度在1000℃一些，所以选用镍铬-镍硅热电偶。由于炉膛不分区，所以选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择，外径24mm，插入长度为500mm。保护材料为双层瓷管。
（2）、热电偶保护套管的选择
这些条件，应该选用SND·724·020,高矾土，重量0.4Kg。d套=φ25mm、
D套=φ40mm，长度为300mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。
十一、炉子技术指标
额定功率：90kw 额定电压：380V
最高使用温度：950℃ 生产率：160kg/h
相数：3 接线方法：Y
工作室有效尺寸：1550*2300