箱式电阻炉课程设计.docx

一、设计任务书
题目：设计一台中温箱式热处理电阻炉；
生产能力：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650℃，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选择箱式炉用于退火和回火时的单位面积生产率p0为
100 kg/(m2﹒h)，故可求得炉底有效面积：
F1=PP0=160100=1.6m2
由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1F=0.60~0.85，取系数上限，得炉底实际面积：
F=F10.85=1.60.85=1.88m2
2.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LB=2，因此，可求得：
L=F0.5=1.880.5=1.94m
B=L2=1.942=0.97 m
根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.970 m，B=0.978 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B之比HB通常在0.5~0.9之间，根据炉子工作条件，取HB=0.654m。
因此，确定炉膛尺寸如下：
长 L=230+2×8+230×12+2=1970 m
宽 B=120+2×4+65+2×2+40+2×3+113+2×2=978mm
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=1700 mm
B效=700 mm
H效=500 mm
4.炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mm QN-0.8轻质粘土砖，+80 mm 密度为250 kgm3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250 kgm3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67×3mm，+50 mm密度为250 kgm3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 kgm3的普通硅酸铝纤维毡，+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=2590 mm
B外=B+2×115+80+115=1590 mm
H外=H+f+115+80+115+67×4+50+182=1441mm
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f=R(1-cos30°)求得f=131.052。
1.炉顶平均面积
F顶内=2πR6×L=2×3.14×0.9786×1.97=2.017 m2
F顶外=B外×L外=1.590×2.590=4.1181m2
F顶均=F顶内×F顶外=2.017×4.1181=2.882 m2
2.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=2HL+B
=2×0.640×(1.97+0.978)
=3.77 m2
F墙外=2H外L外+B外
=2×1.441×2.59+1.590
=12.05m2
F墙均=F墙内×F墙外
=3.77×12.05
=6.74 m2
3.炉底平均面积
F底内=B×L=0.978×1.97=1.93 m2
F底外=B外×L外=1.590×2.590=4.12m2
F底均=F底内×F底外=1.93×4.12=2.8 m2
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（8.5）
P安=KF0.9t10001.55
取式中系数K为保温系数，取值为11，炉温t=650℃，炉膛面积
F 避=2×1.97×0.640+2×0.978×0.640+1.97×0.978
+2×3.14×0.978×60°360°×1.97
=5.7 m2
所以
P安=KF0.9t10001.55
=11×5.70.9×65010001.55
=27 kW
由经验公式法计算得P安≈30kW
2.根据热平衡计算炉子功率
（1）加热工件所需的热量Q件
由资料附表得，工件在650℃及20℃时比热容分别为c件2=1.051kJkg∙℃，c件1=0.486 kJkg∙℃，根据式(5-1)
 Q件=pc件2t1-c件1t0
=160×1.051×650-0.486×20
=107748.8kJh
（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 Q散=t1-tn+1i=1nsiλiFi
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，t2墙‘=540℃，t3墙’=320℃，t4墙‘=60℃，则
耐火层s1的平均温度ts1均=650+5402=595 ℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=430 ℃，硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=190 ℃，s1，s3层炉衬的导热率由教材附表3得
λ1=0.290+0.256×10-3ts1均
= 0.442W（m∙℃）
λ3=0.131+0.23×10-3ts3均
=0.160W（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ts2均=430 ℃，得
λ2=0.099W（m∙℃）
当炉壳温度为60℃，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α=12.17W(m2∙℃)
①求热流
q墙=tg-tas1λ1+s2λ2+s3λ3+1α
=650-200.1150.442+0.0800.099+0.1150.160+112.17
=417.5 Wm2
②验算交界面上的温度t2墙和t3墙
t2墙=t1-q墙s1λ1=541.5℃∆=t2墙-t2墙‘t2墙’=541.5-540540=0.27%
误差∆<5%，满足设计要求，不需要重新估算。
t3墙=t2墙-q墙s2λ2=328.58℃
∆=t3墙-t3墙‘t3墙’=2.61%
误差∆<5%，同样满足设计要求，不需要重新估算。
③验算炉壳温度t4墙
t4墙=t3墙-q墙s3λ3=54.25℃<70℃
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=417.5×6.74=2813.95W
II.炉顶的散热损失
和炉墙散热损失同理：
t2顶=586.9 ℃
t3顶=376.45℃
t4顶=36.34℃
Q顶散=q顶∙F顶均=257.6×2.882=742.4 Wm2
III.炉底的散热损失
t2底=504.6℃
t3底=357.9 ℃
t4底=49.5 ℃
Q底散=q底∙F底均=309.4×2.8=866.32 Wm2
整个炉体散热损失
Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散
=2813.95+742.4+866.32
=4422.67W
=15922kJh
（3）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
Q辐=3.6×5.660F∅δtTg1004-Ta1004
因为Tg=650+273=923 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×H2=0.978×0.6402=0.316 m2，炉门开启率δt=660=0.1。
由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H2与B之比为0.3200.978=0.33，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.320.316=1.01，由教材图1-14第一条线查得孔口遮蔽系数∅=0.7，故
Q辐=3.6×5.660F∅σtTg1004-Ta1004
=5.660×3.6×0.316×0.1×0.7×9231004-2931004
=3246.6 kJh
（4）开启炉门溢气热损失
溢气热损失由公式得
Q溢=qvαραcαtg’-tαδt
式中， qva=1997B∙H2∙H2=1997×0.978×0.320×0.320=353.5 m3h
冷空气密度ρa=1.29 kgm3，由附表得ca=1.302 kJm3∙℃，ta=20 ℃，tg‘为溢气温度，近似认为
tg'=ta+23tg-ta=20+23650-20=440 ℃
Q溢=qvaρacatg'-tgδt
=353.5×1.29×1.302×(440-20)×0.1
=13062.1 kJh
(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=0.13Q件+Q散+Q辐+Q溢
=0.13×107748.8+15922+3246.6+13062.1
=18197.335 kJh
(6)炉子热量总支出
其中Q辅=0，Q控=0，由公式得
Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q他
=107748.8+15922+3246.6+13062.1+18197.335
=158176.835 kJh
（7）炉子安装功率
由教材式（8.15）
P安=KQ总3600
其中，K为功率储备系数，本炉设计中K取1.3，则
P安=1.3×158176.8353600=57.11 kW
与标准炉子相比较，取炉子功率为60 kW。
六、炉子热效率计算
1.正常工作时的效率
由教材式（8.18）
η=Q件Q总=107748.8158176.835=68.12%
2.在保温阶段，关闭炉门时的效率
η=Q件Q总-Q辐+Q溢=107748.8158176.835-3246.6-13062.1=60.9%
七、炉子空载功率计算
P空=Q散+Q他3600=15922+18197.3353600=9.48kW
八、功率的分配与接线
60kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成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，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在15~35kWm2之间，常用为20~25 kWm2之间。
F电=2F电侧+F电底=2×1.741×0.640+1.741×0.978=3.9m2
W=P安F电=603.9=15.38kWm2
表面负荷在常用的范围15~25 kWm2之内，故符合设计要求。
九、电热元件材料选择及计算
由最高使用温度650 ℃，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用YY。
1.图表法
有教材表96查得0Cr25Al5电热元件，60 kW箱式电阻炉YY接线，直径d=4.5 mm时，其表面负荷为1.39 Wcm2。每组元件长度L组=50.1m，总长度L总=306.0 m，元件总质量G总=34.6kg。
2.理论计算法
（1）求650 ℃时电热元件的电阻率ρt
当炉温为650℃时，电热元件温度取1100 ℃，由资料附表12查得0Cr25Al5在20 ℃时电阻率ρ20=1.40 Ω∙mm2m，电阻温度系数α=4×10-5 ℃-1，则1100℃下的电热元件电阻率为
ρt=ρ201+αt=1.40×1+4×10-5×1100=1.46 Ω∙mm2m
（2）确定电热元件表面功率
根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6 Wcm2。
(3)每组电热元件功率
由于采用YY接法，即两组电热元件并联后再接成Y的三相双星形接法，每组电热元件功率
P组=60n=603×2=10kW
（4）每组电热元件端电压
由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380 V，故每组电热元件端电压即为每相电压
U组=3803=220 V
（5）电热元件直径
线状电热元件直径由公式得
d=34.33P组2ρt（U组2∙W允）=34.33102×1.462202×1.6=3.6 mm
取d=4.5 mm。
（6）每组电热元件长度和质量
每组电热元件长度得
L组=0.785×10-3U组2d2P组ρt=0.785×10-3×2202×4.5210×1.46=46.1 m
每组电热元件质量得
G组=π4d2L组ρM=3.144×4.52×46.1×7.1×10-5=5.24 kg
其中ρM由附表查得ρM=7.1 gcm3
（7）电热元件总长度和总质量
电热元件总长度得
L总=6L组=6×46.1=276.6 m
电热元件总质量得
G总=6G组=6×5.24=31.44 kg
（8）校核电热元件表面负荷
W实=P组πdL组=10×1033.14×0.45×4610=1.535 Wcm2
W实<W允，结果满足设计要求。
（9）电热元件在炉膛内的布置
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=46.14=11.525 m
布置电热元件的炉壁长度
L‘=L-50=1970-50=1920 mm
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000℃，螺旋节径D=4~6d，取D=6d=27mm。螺旋体圈数N和螺距h分别为
N=L折πD=11.5253.14×27×103=136圈
h=L’N=1920136=14.1 mm
hd=14.14.5=3.13
按规定，hd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d=4.5 mm所用电热元件质量最小，成本最低。
电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，∅=12 mm，l=500 mm。
十、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略）。
十一、炉子总图，主要零部件图及外部接线图（略），砌体图（略）
十二、炉子技术指标（标牌）
额定功率：60kW
额定电压：380V
最高使用温度：650 ℃
生产率：160 kgh
相数：3
接线方法：YY
工作室有效尺寸：1700×700×500

外形尺寸：

质量：
出厂日期：