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=t1tn+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Tg650+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7×103=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：