热处理电阻炉设计.doc

热解决电阻炉设计
一、 设计任务
设计一箱式电阻炉，计算和拟定重要项目，并绘出草图。
基本技术条件：
（1） 用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火；
（2） 工作：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m；
（3） 最高工作温度为950℃；
（4） 炉外壁温度小于60℃.
（5） 生产率：105Kg/h。
设计计算的重要项目：
（1） 拟定炉膛尺寸；
（2） 选择炉衬材料及厚度，拟定炉体外形尺寸；
（3） 用热平衡法计算炉子功率；
（4） 选择和计算电热元件，拟定其布置方法；
（5） 写出技术规范。

二、 炉型选择
根据设计任务给出的生产的特点，选用中温（650~1000℃）箱式热解决电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。

三、 拟定炉膛尺寸
1.理论拟定炉膛尺寸
（1）拟定炉底总面积
炉底总面积的拟定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来拟定炉底面积。已知炉子生产效率P=105Kg/h。按教材表5-1选择合用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率P0=100~120Kg/（m2·h）。因此，炉子的炉底有效面积（即可以摆放工件的实际面积）F1可按下式计算：

通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.75~0.85之间选择。炉子小取值小值；炉子大取值大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F为：

（2）拟定炉膛的长度和宽度
炉底长度和宽度之比在3/2~2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设计取,则炉子炉底长度和宽度分别为：

（3）拟定炉膛高度
炉膛高度和宽度之比在0.5~0.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：

2.拟定实际炉膛尺寸
为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸（230×113×65mm），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度2mm），上下砖体应互相错开以及在炉底方面布置电热元件等规定，进一步拟定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步拟定炉膛尺寸如下：

注意：实际拟定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。
3.拟定炉膛有效尺寸
为避免热解决工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸拟定如下：
L效=1500mm
B效=700mm
H效=450mm
四、 炉衬材料的选择及其厚度的拟定
炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60℃。由于炉子外壁和周边空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数。炉壳涉及炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周边空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。
1. 炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算
炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。
设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是60mm厚、密度为350Kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的A级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足墙外壁温度小于60℃，应一方面求出热流密度，然后计算进行验证。

在炉墙内壁温度950℃、炉壳周边空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉墙向周边空气散热的热流密度为：

1） S1，S2，S3拟定
S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的厚度（m）。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：
； ； 。
2），，，的拟定
，，分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的平均热导率（W/m·℃）；是炉壳对周边空气的综合传热系数（W/m·℃）。
规定出，，和，一方面必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度，炉墙外壳温度。如图所示：
n 求轻质粘土砖的平均热导率
查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：

=0.485W/m·℃
n 求硅酸盐耐火纤维毡的平均热导率
硅酸盐耐火纤维毡的平均温度。根据教材附表4查得，密度为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m·℃和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：
n 求硅藻土砖的平均导热率
查教材附表3，可得A级硅藻土砖的平均热导率为

n 求炉墙外壳对周边空气的综合传热系数
当炉墙外壳温度为55℃，周边空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周边空气的综合传热系数为：

3)求热流密度
将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：

4） 验算各界面和炉墙外壳温度是否满足设计规定
n 轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：

相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：
;
相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 炉墙外壳温度为：
；
因炉墙外壳温度小于60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计规定。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。
2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算
设炉顶的炉衬结构为：耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是厚度60mm、密度350Kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。
在炉顶周边内壁温度为950℃、炉壳周边温度20℃的稳定导热条件下，通过炉顶向周边空气散热的热流密度为：

1）S1，S2，S3拟定
S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度（m）。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：
； ； 。
2），，，的拟定
，，分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m·℃）；是炉顶外壳对周边空气的综合传热系数（W/m·℃）。规定出，，和，一方面必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度，炉顶外壳温度。
n 的拟定
查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：

=0.486W/m·℃
n 的拟定
硅酸盐耐火纤维毡的平均温度。根据教材附表4查得，密度为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m·℃和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：
n 的拟定
查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为

=1.10W/m·℃

n 的拟定
当炉顶外壳温度为55℃，周边空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周边空气的综合传热系数为：

3)热流密度的计算
将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：

5） 验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计规定
n 轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：

相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：
;
相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 炉顶外壳温度为：
；
因炉墙外壳温度小于60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计规定。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。
3. 炉底炉衬材料选择及其厚度的计算
设炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2）×3=201mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是厚度80mm、密度350Kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和（113+2）+（65+2）×2mm的A级硅藻土砖。
在炉底内壁温度950℃、炉壳周边空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉底向周边空气散热的热流密度为：

1）S1，S2，S3拟定
S1，S2，S3分别是轻质粘土砖（QN—0.8）、普通硅酸盐耐火纤维毡和膨A级硅藻转的厚度（m）。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：
： ； 。
2），，，的拟定
，，分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻转的平均热导率（W/m·℃）；是炉炉底壳对周边空气的综合传热系数（W/m·℃）。规定出，，和，一方面必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度，炉底外壳温度。
n 的拟定
查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：

=0.481W/m·℃
n 的拟定
硅酸盐耐火纤维毡的平均温度。根据教材附表4查得，密度为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡400℃、700℃的热导率分别为0.081W/m·℃和0.121W/m·℃。在400℃——700℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：
n 的拟定
查教材附表3，可A级硅藻土砖的平均热导率为

=0.176W/m·℃
n 的拟定
当炉顶低壳温度为55℃，周边空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周边空气的综合传热系数为：

3)热流密度的计算
将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：

6） 验算各界面和炉顶外壳温度是否满足设计规定
n 轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：

相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：
;
相对误差为，满足设计规定，不必重算。
n 炉墙外壳温度为：
；
因炉墙外壳温度小于60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计规定。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉顶炉衬材料及其厚度。
五、 炉子外形尺寸的拟定
1）炉子外形长度
炉子的外形长度为炉膛长度加上两倍炉墙厚度，其值为：
1624+2×（115+60+232）=2438mm=2.438m
2）炉子外形宽度
炉子的外形宽度为炉膛宽度加上两倍炉墙厚度，其值为：
=793+2×（115+60+232）=1609mm=1.607m
3）炉子外形高度
炉子的外形高度有以下五部分组成（图5-8右图）：炉墙高度、拱顶高度、炉顶厚度。炉底厚度和炉底预留安装电热元件所需的高度及炉底板厚度。其中炉膛高度、炉底厚度已经求出。若陆主席采用60°标准拱顶，取拱弧半径R=B，则拱顶高度可由下式求出：

为了方便砌筑，预留安装电热组件所需要的高度及炉底板厚度可取65+2=67mm。
综合以上五个部分的高度，炉子外形高度为：

2. 砌体平均表面积的计算
炉子砌体平均表面积的计算方法有两种：算术平均值和几何平均值。本设计采用几何平均值计算法。此方法一方面需要算出内壁和外壁的面积。
1）炉顶平均表面积的拟定
炉顶内壁是弧面，内壁面积为：

炉顶外壁是平面，外壁面积为：

则炉顶平均面积为：
2）炉墙平均表面积的拟定
炉墙涉及两侧墙和前、后墙。为简化简化计算，将炉门视为前墙，则炉墙平均面积为：

=5.92m2
3）炉底平均表面积的拟定
炉底平均面积为：

=
六、 炉子的重要能量消耗项
热平衡计算法是根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则。来拟定炉子功率的方法。
1.炉子的重要能量所需要的热量
1）加热工件所需要的热量
由教材附表6查得，低合金钢在950℃和20℃时的比热容分别为：
C950=0.636kJ/（kJ·℃），C20=0.486kW/（kg·℃），热解决炉的生产率P=105kg/h,则加工所需要的热量为；

=62420.4 kJ/h
2) 通过炉衬的散热损失
通过炉衬的散热损失涉及炉顶、炉墙和炉底三部分，有：

=502.2×2.30+445.8×5.92+356.6×2.25
=4596.5W=16547.4kJ/h
3）启动炉门的辐射热损失
这部分热损失可由下式求得：

式中C0——黑体辐射系数
F——炉门启动面积。炉子正常工作时，炉门启动高度为炉膛高度的一半，
故；
Φ——遮蔽系数。启动的炉门是拉长的矩形，启动高度为，
它与炉墙厚度之比为，查教材图1-14曲线1 得Φ=0.63；
——炉门启动率。设装、出料所需时间为每小时6分钟。则炉门启动率为0.1；
——炉气的热力学温度，为950+273=1223K；
——炉外空气的热力学温度，为20+273=293K,
将上述数据代入公式中，得：

4）启动炉门的溢气热损失
对于一般的箱式电阻炉，炉门启动后要吸入冷空气。通常以加热吸入的冷空气所需的热量为该项热损失，即有：

式中——炉子吸入的冷空气量。对空气介质电阻炉，零压面一般位于炉膛高度的一半（零压面在炉门启动高度中分线）。由教材（5—8）式得：

——20℃冷空气的密度，为1.29kg/m3；
——空气在~（即20~950℃）温度之间的平均比热容。就本设计来说，是平均温 度（950+2）/2=485℃的比热容。查附表10可知，空气在400℃、500℃的比热 容分别为1.33302kJ/（m3·℃）和1.3440kJ/（m3·℃）。可认为空气比热容在此 温度区间的变化呈线性关系，即有：

——炉门启动率，0.1。
——溢气温度（见教材74页），近似为：

将上述数据代入公式中得启动炉门的溢气热损失为：

5）其它热损失
此项热损失涉及未考虑的各种热损失和一些不易精确计算的各种热损失。就箱式电阻炉来说，该项热损失可取以上各项热损失之和的10%～20%。本设计取15%，该项热损失为：

=0.15×（62420.4+16547.4+6514.90+26071.2）
=16733.1kJ/h
2. 炉子的理论输入功率
根据热平衡计算法，在理论上炉子的输入功率应为上述各项能量消耗的总和，即：

=62420.4+16547.4+6514.90+26071.2+16733.1=128287（kw/h）
3. 炉子的安装功率
上面的炉子输入功率（即各项能量消耗总和）是维持炉子正常工作必不可少的热量支出。但在实际生产中还要考虑一些具体情况，如炉子长期使用后炉衬局部损坏会引起热损失增长，电压波动、电热组件老化会引起炉子功率下降，有时工艺制度变更规定提高炉子功率。这些具体情况规定功率应有一定的储备，炉子的实际功率应比理论计算功率大，因此炉子的安装功率为：

式中——功率储备系数，对周期作业炉，K=1.3~1.5。本设计可取1.4。
将相关数据代入公式中，可得

取炉子的安装功率为54kW。
七、 炉子热效率的计算
1.正常工作时的热效率
由教材5—12式得，炉子正常工作时的热效率为：

一般电阻炉的热效率在30%——80%之间。本设计的炉子热效率在此范围内，设计合理。
2. 保温时关闭炉门的热效率
保温关闭炉门时，无辐射热损失和溢气热损失，此时炉子的热效率为：

3.炉子空载功率的计算
炉子空载时，能量消耗只有两项：通过炉衬的散热损失和其它热损失，此时炉子的 功率为：

八、功率的分派和接线方法
炉子的安装功率为54kW。电热元件采用三相星形接法，也称“Y”接法。即将电热元件分为3组，每组18kW，炉墙两侧各布置1组电热元件，炉底布置1组电热元件。
九、 校核炉膛内壁表面负荷（选做）
54KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y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，内壁表面负荷在15～35之间，常用20～25kW/m3之间。

表面负荷在常用的范围20～25kW/m3 之内，故符合设计规定。
十、电热元件材料的选择和理论计算
1.电热元件材料的选择
炉子的最高使用温度为950℃，可选用0Cr25Al5（即FeCrAl）合金丝材，绕制成螺旋管状作为电热元件。
2.炉膛950℃时电热元件的电阻率
炉子正常使用时，电热元件的温度比炉膛温度高100℃——200℃。当炉膛温度为950℃，电热元件的温度取1100℃。由教材附表12得，0Cr25Al5合金20℃时的电阻率，电阻温度系数,则1100℃时电热元件的电阻率为：

3. 拟定电热元件的表面负荷
由教材图5—3（a），根据设计的炉子的工作条件，取电热元件的允许表面负荷。
4. 每组电热元件的功率和端电压
由于采用三相星形即“YY”接法，即两组电热元件并联后在接成Y的三相双星形接法，每组电热的功率为

采用“YY”接法，车间动力网两端电压为380V，故每组电热元件的端电压为

5. 电热元件的长度和重量
（1）电热元件的丝材直径可由教材5—24式拟定，

取丝材直径d=6.5mm=0.6.5cm
1）每组电热元件的长度由教材5—25式拟定为：

2） 每组电热元件质量由式（5—26）得

式中，由附表12 查得

3）电热元件的总长度和总重量

7.校核电热元件的实际表面负荷
由，电热元件的实际表面负荷为：

满足设计规定。
8. 电热元件在炉膛中的布置
将3组电热元件每组分为6折，布置在两侧炉墙及炉底上，每折电热元件的长度为：

电热元件应当距离前、后墙各25mm，布置电热元件的炉壁长度为：

9. 螺旋状电热元件的两个参数
螺旋状电热元件的温度为1100℃时，由教材表5—5得螺旋节径D在（4——6）d的范围内选取。本设计选取的螺旋节径为

而每折电热元件螺旋的圈数为

则螺距为：

本设计中，螺距和电热元件丝材直径的比值为：。此比值在2——4的范围内满足设计规定。
10. 注意两个问题
1） 炉门口附近热量损失较大，可适当减小该处电热元件的螺距，以增大功率。
2） 电热元件引出棒材选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，棒材直径10mm，长度400mm。
十一、 炉子技术指标
额定功率：54kW 额定电压：380V
最高使用温度：950℃ 生产率：105kg/h
相数：3 接线方法：Y
炉膛有效尺寸：1500×700×450mm
炉子外形尺寸：2438×1607×1566m