炉子设计说明书-曾文聪.docx

热处理炉课程设计

炉 型 中温 箱 式 电 阻 炉

学 院 材料与冶金学院
专 业 金属材料工程
学 号 200802127009
学生姓名 曾文聪
指导教师 从善海
日 期 2011年5月16日～5月27日 -
目录
一 设计任务书--------------------------------1
二 炉型的选择--------------------------------1
三 确定炉体结构尺寸-------------------------2
3.1 炉底面积的确定----------------------------2
3.2 炉底长度和宽度的确定---------------------2
3.3 炉膛高度的确定----------------------------2
3.4 炉衬材料及厚度的确定---------------------3
四 砌体平均表面积的计算-------------------3
4.1 炉顶平均面积------------------------------3
4.2 炉墙平均面积------------------------------4
4.3 炉底平均面积------------------------------4
五 计算炉子功率-----------------------------4
5.1 根据经验公式法计算炉子功率--------------4
5.2 根绝热平衡计算炉子功率-------------------4
六 炉子热效率计算---------------------------9
七 炉子空载功率计算---------------------------9
八 空炉升温时间计算-------------------------9
8.1 炉墙及炉顶蓄热----------------------------9
8.2 炉底蓄热计算-----------------------------10
九 功率分配与接线---------------------------11
十 电热元件材料材料选择及计算------------12

热处理炉设计任务书 编号：09

材料冶金学院 专业年级班级：金属材料工程08级0801班
学号：200802127009 姓名：曾文聪

一、基本条件
1.炉型：中温箱式电阻炉
2.用途：中碳钢、低合金钢的中小型毛坯工件的正火、淬火及调质，无定型产品，多品种小批量。
3.最高工作温度：1000℃
4.炉壁外壳温度≤80℃
5.生产率：60kg/h
6.空炉升温时间：≤3小时
7.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产
8.电源：三相
二、设计要求
1.设计内容
1) 砌体部分
2）炉门及启闭机构 电热元件及外部接线 炉壳构架部分
2.标定主要技术数据
（1）额定功率 （2）额定电压 （3）额定温度
（4）电源相数 （5）电热元件接法 （6）炉膛有效尺寸
（7）炉膛尺寸 （8）空炉升温时间 （9）外形尺寸
3.提交资料
（1）纸质和电子版本的《设计计算说明书》，规格：A4
（2）纸质和电子版本的炉子总图(AotuCAD绘制)，幅面：A1

二: 炉型的选择
根据设计任务书给的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。

三: 确定炉体结构的尺寸
1 . 炉底面积
因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热指标法。已知生产率为 60kg/h，查表5-1，可得箱炉式得单位面积生产率为,故可以得到炉底有效面积为：
由于有效面积与炉底总面积存在关系式，得炉底实际面积：
2.炉底长度和宽度的确定
由于热处理箱式电阻炉设计时因考虑装出料方便，取=2/3，因此可求得：
L==1188mm
B=2L/3=792mm
根据标准砖尺寸，为方便砌砖，取L=1160mm，B=700mm
3.炉膛高度的确定：
按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比通常在0.5~0.9之间，根据炉子的工作条件，取=0.8左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度 H=0.506mm。
即：
长
宽
高
为避免工件与炉内壁式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，确定工件室有效尺寸为
=1000mm =580mm =400mm
4. 炉衬材料及厚度：
炉墙：113mmQN-0.4轻质粘土砖 + 150mm膨胀珍珠岩
炉顶：113mmQN-0.4轻质粘土砖 + 80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡 + 115mm膨胀珍珠岩
炉底：四层QN-0.4轻质粘土砖(67×3)mm + 182mmB级硅藻土砖
炉门：65mmQN-0.4轻质粘土砖 + 80mm密度为250kg/m3普通硅酸铝纤维毡 + 65mmA级硅藻土砖
炉底隔砖：重质粘土砖
电热原件搁砖：重质高铝砖
炉底板材料：Cr-Mn-N耐热钢，厚20mm
四: 砌体平均表面积的计算
砌体外廓尺寸：

式中:----拱顶高度,此炉子采用60°标准拱顶,取拱顶半径R=B,则

1.炉顶平均面积：
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
===0.85 m2
==1.230x1.690=2.079m2
==1.3296m2
2.炉墙平均面积：
==2×0.506×(1160+0.700)=1.738m2
==2×1.342×(1.690+1.230)=7.837m2
==3.84m2
3.炉底平均面积：

五: 计算炉子功率
1. 根据经验公式法计算炉子功率：
由式(5-14)

取式中系数
空炉升温时间假定为=3小时,炉温t=1000℃,
炉膛内壁面积：

=54.09kW≈55kW
2. 根据热平衡法计算炉子功率：
1)加热工件所需的热量
由附表6得知，工件在1100℃及20℃时比热容分别为：
=0.410 kJ/(kg·℃) =0.670kJ/(kg·℃)

=
2)通过炉衬的散热损失
墙：

令：=750℃
=80℃
=(1000+750)/2=875℃
=(750+80)/2=415℃
∴λ1=008+0.22×10-3=0.272W/(m·℃)
λ2=0.04+0.22×10-3=0.131W/(m·℃)
当炉壳为70℃，室温为20℃时，αΣ=13.45W/(m2·℃)
=600.89W/m2
=t1-(s1/λ1)=750.9℃
Δ=(750.9-750)/877 =012%<5%
=-(s2/λ2)=64.41℃<80℃
都满足设计要求
∴=·=2361.15W
顶：

令：=800℃
=530℃
=80℃
=(1000+800)/2=900℃
=(800+530)/2=675℃
=(530+80)/2=305℃
∴λ1=0.08+0.21×10-3=0.278W/(m·℃)
λ2=0.1361W/(m·℃)
λ3=0.04+0.22×10-3=0.1071W/(m·℃)
当炉壳为80℃，室温为20℃时，αΣ=15.40W/(m2·℃)
=459.3W/m2
=t1-(s1/λ1)=813.3℃
Δ=(813.3-800)/800=1.7%<5%
=-(s2/λ2)=543.3℃
Δ=(543.3-530)/530=.2.5%<5%
=-(s3/λ3)=50.14℃<80℃
都满足设计要求
∴=·=610.41W
底：
令：=550℃
=80℃
=(1000+550)/2=750℃
=(550+80)/2=315℃
∴λ1=008+0.22×10-3=0.251W/(m·℃)
λ2=0.131+0.23×10-3=0.203W/(m·℃)
当炉壳为80℃，室温为20℃时，αΣ=10.68W/(m2·℃)
=547.2W/m2
=t1-(s1/λ1)=561.8℃
Δ=(561.8-550)/550=2.1%<5%
=-(s2/λ2)=71.2℃<80℃
都满足设计要求
∴=·=710.9W
整个炉体散热损失：
=2361.1+610.4+710.9=3628W=13256.64kJ/h
5)其他热损失:
其他热损失约为上述热损失之和的10%～20%
10592.9 kJ/h
6)热量总支出:
其中=0，=0
=63557.56kJ/h
7)炉子安装功率:
由式(5-11)

其中K为功率储备系数,本炉设计中K取1.5,则

与标准炉子相比较，取炉子功率为40kW。
六、炉子热效率计算
正常工作时的效率
由式（5—12）:
=62.5%

七、炉子空载功率计算

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，单独计算，因升温时炉衬板也随炉升温，也要计算在内。中间层和外层的磷酸盐珍珠岩蓄热相对很少，故忽略不计，炉顶的磷酸盐珍珠岩和炉底的膨胀珍珠岩也做类似处理。
1.炉墙及炉顶蓄热

由公式：

℃
=1.068kJ/(kg·℃)
℃
∴

2.炉底蓄热计算

=780.9℃
=0.84+0.26×10-3=1.043J/(kg·℃)
=320.9℃
=0.84+0.25×10-3=0.9202 kJ/(kg·℃)

3.炉底板蓄热量:
由附表6，1100℃和20℃时高合金钢的比热容分别为：
=0.670kJ/(kg·℃) =0.473kJ/(kg·℃)

经计算炉底板质量：

故:

故：
=229033.0+142582.2+110970.7
=482586.0kJ
空炉升温时间：
由设计要求，则：，故本炉子设计符合要求。

九、功率的分配与接线
55kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成串联接线。供电电压为车间动力电网220V。
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15～35kW/m2之间，常用为20～25kW/m2之间。

表面负荷范围15～35W/m2之内，故符合设计需求。
十、电热元件材料选择及计算
由最高使用温度1000℃，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用串联。

理论计算法
(1)求1000℃时电热元件的电阻率
当炉温为1000℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃时电阻率=1.40Ω·mm2/m，电阻温度系数α=4×10-5℃-1，则1200℃下的电热元件电阻率为

(22)确定电热元件表面功率
由图5-3，根据本炉子电热工作条件取
(3)每组电热元件功率
由于采用Y接法，每组元件功率

(4)每组电热元件端电压
由于采用Y接法，车间动力电网端电压为380V，故电热元件端电压为

(5)电热元件直径
取d=5.2mm
(6)每组电热元件长度和重量

由附表12查得=7.1g/cm3

电热元件的总长度和总质量
电热元件总长度由式(5-27)得

电热元件总重量由式(5-28)得

(8)校核电热元件表面负荷

<,结果满足设计要求。
(9)电热元件在炉膛内的布置
将电热元件分为6折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有

布置电热元件的炉壁长度

丝状电热元件绕成螺旋状，当原件温度高于1000摄氏度，由表5-5可知，螺旋节径
取
螺旋体圈数N和螺距h分别为：

按规定，h/d在2～4范围内满足设计要求。
根据计算，选用串联方式接线，采用d=5.2mm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，炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，φ=14mm，l=420mm
。

L=1188mm
B=792mm

L=1160mm
B=700mm

H=506mm

L=1160mm
B=700mm
H=506mm

=1000mm
=580mm
=400mm

=0.85m2
=2.079m2
=1.3296 m2
=1.738m2
=7.837m2

=3.84m2

=54.09kW≈55kW

=

=875℃
=415℃
λ1=0.272W/(m·℃)

λ2=0.131W/(m·℃)

=600.89W/m2
=750.9℃
=64.41℃
=2361.15W

=900℃
=675℃

=305℃
λ1=0.278W/(m·℃)

λ2=0.1361W/(m·℃)
λ3=0.1071W/(m·℃)
=15.40W/(m2·℃)

=459.3W/m2

=813.3℃

=543.3℃

=50.14℃

=610.41W

=750℃
=315℃

λ1=0.251W/(m·℃)

λ2=0.203W/(m·℃)

α=10. 68W/(m2·℃)

=547.2W/m2

=561.8℃

=71.2℃

=710.9W

13256.64KJ/h

kJ/h

=63557.56kJ/h

取

℃
1.068kJ/(kg·℃)
℃

229033.04KJ

=780.9℃
=1.043kJ/(kg·℃)
=320.9℃
=0.9202kJ/(kg·℃)

取d=5.2mm

φ=14mm
l=420mm

14