650℃ 90kgh的箱式電阻爐設(shè)計 課程設(shè)計報告

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1、熱處理設(shè)備課程設(shè)計課程設(shè)計報告報告題目：650 90kg/h 的箱式電阻爐設(shè)計 作者所在系部： 材 料 工 程 系 作者所在專業(yè)： 金 屬 材 料 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 作 者 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師姓名： 完 成 時 間 ： 2011-10-20 熱處理設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱課題名稱 650 90 kg/h 的箱式電阻爐設(shè)計完成時間完成時間2011-10-20指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 職稱職稱高工、講師高工、講師學(xué)生姓名學(xué)生姓名 班班 級級 總體設(shè)計要求和技術(shù)要點總體設(shè)計要求和技術(shù)要點總體設(shè)計要求：1.通過設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生具有初步的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力，了解設(shè)計的一般方法

2、和步驟。2.初步培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計基本技能，如爐型的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算、繪圖、查閱手冊和設(shè)計資料，熟悉標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等。3.使學(xué)生掌握設(shè)計熱處理設(shè)備的基本方法，能結(jié)合工程實際，選擇并設(shè)計常用熱處理設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生對工程技術(shù)問題的嚴肅認真和負責(zé)的態(tài)度。設(shè)計一臺熱處理箱式電阻爐，其技術(shù)要點為：1.用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火、調(diào)質(zhì)處理及回火。2.工件：中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；3.最高工作溫度：650、750、850、950、1100、1200（選一個溫度） ；4.生產(chǎn)率：60-120kg/h（分 7 份） ；5.生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。工作內(nèi)容

3、及時間進度安排工作內(nèi)容及時間進度安排1.熱處理設(shè)備設(shè)計準(zhǔn)備 0.5 天2.箱式電阻爐結(jié)構(gòu)尺寸計算、選擇爐體材料、計算分配電阻爐加熱功率 0.5 天3.計算電熱元件尺寸、進行結(jié)構(gòu)設(shè)計 0.5 天3.核算設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 0.5 天4.繪制電阻爐總圖、電熱元件零件圖 1.0 天5.編寫設(shè)計說明書、使用說明書 0.5 天6.設(shè)計總結(jié) 0.5 天7.答辨 1.0 天課程設(shè)計成果課程設(shè)計成果1、設(shè)計說明書：設(shè)計說明書是存檔文件，是設(shè)計的理論計算依據(jù)。說明書的格式如下：（1）統(tǒng)一模板，正規(guī)書寫；（2）說明書的內(nèi)容及計算說明項目：（a） 、對設(shè)計課題的分析；（b） 、設(shè)計計算過程；（c） 、爐子技術(shù)指標(biāo)；（

4、d） 、參考文獻。2、設(shè)計圖紙：（1)電阻爐總圖一張（A3） ，要求如下：（a） 、圖面清晰，比例正確；（b） 、尺寸及其標(biāo)注方法正確；（c） 、視圖、剖視圖完整正確；（d） 、注出必要的技術(shù)條件。（2）零件圖 3 張：電熱元件零件圖，爐門圖，爐襯圖（A4） 。3、使用說明書：電阻爐的技術(shù)規(guī)范及注意事項等。內(nèi)內(nèi) 容容 摘摘 要要650 90kg/h 的箱式電阻爐的設(shè)計。包括爐型的選擇、選擇爐體材料、箱式電阻爐結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算、計算分配電阻爐加熱功率、計算電熱元件尺寸、核算設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、繪圖（電阻爐總圖一張，電熱元件零件圖，爐門圖，爐襯圖） 。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：箱式電阻爐、爐襯材料、砌體結(jié)構(gòu)、

5、電熱元件、熱處理爐、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)目目 錄錄1 1 前前 言言.11.1 本設(shè)計的目的.11.2 本設(shè)計的技術(shù)要求.12 設(shè)計說明設(shè)計說明.22.1 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸.22.1.1 爐底面積的確定.22.1.2 確定爐膛尺寸.22.1.3 爐襯材料及厚度的確定.32.2 砌體平均表面積計算.32.2.1 爐頂平均面積.32.2.2 爐墻平均面積.42.2.3 爐底平均面積.42.3 根據(jù)熱平衡計算爐子功率.42.3.1 加熱工件所需的熱量 Q件.42.3.2 通過爐襯的散熱損失 Q散.42.3.3 開啟爐門的輻射熱損失.62.3.4 開啟爐門溢氣熱損失.62.3.5 其它熱損失.62.3.6

6、熱量總支出.72.3.7 爐子安裝功率.72.4 爐子熱效率計算.72.4.1 正常工作時的效率.72.4.2 在保溫階段，關(guān)閉時的效率.72.5 爐子空載功率計算.72.6 空爐升溫時間計算.72.6.1 爐墻及爐頂蓄熱.82.6.2 爐底蓄熱計算.82.6.3 爐底板蓄熱.92.7 功率的分配與接線.92.8 電熱元件材料選擇及計算.102.8.1 圖表法.102.8.2 理論計算法.102.9 爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）.113 參考文參考文獻獻前 言 本設(shè)計的目的設(shè)計 650 90kg/h 的箱式電阻爐本設(shè)計的技術(shù)要求設(shè)計一臺熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：（1）.用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零

7、件的淬火、正火、調(diào)質(zhì)處理及回火。（2）.工件：中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；（3）.最高工作溫度：650；（4）.生產(chǎn)率：90kg/h；（5）.生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。設(shè)計設(shè)計說明說明2.1 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸 2.1.1 爐底面積的確定爐底面積的確定 因無定型產(chǎn)品，故不能使用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。爐子的生產(chǎn)率為 P=90，按表 5-1 選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率 P0為120kg/(m2h)。故可求的爐底的有效面積 F1=P/P0=0.75 m2 由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式 F/F0=0.

8、780.85，取系數(shù)上限，得爐底實際面積 F=F1/0.85=0.88m2 2.1.2 確定爐膛尺寸確定爐膛尺寸由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計時應(yīng)考慮裝、出料方便,取 L/B=2，因此，可求的： L=1.328 m5.0/F B=L/2=0.664 m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取 L=1.392 m B=0.680 m 按統(tǒng)計資料，爐膛高度 H 與寬度 B 之比 H/B 通常在 0.50.9 之間，根據(jù)爐子的工作條件，取 H/B=0.7 左右。則 H=0.490 m可以確定爐膛尺寸如下 L=(230+2)6=1392 mm B=(120+2)3 +(40+2)2+（113+2）2=680 mm H

9、=(65+2)7+21=490 mm確定為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定空間，確定工作室有效尺寸為 L效=1200 mm B效=500 mm H效=350 mm F壁=2(LH)+(LB)+2(BH)+23.14B1/6L=3.97m2由經(jīng)驗公式可知： P安=C-0.5升F0.9(t/1000)1.55 取式中系數(shù) C=30(kMh0.5)/(m1.81.55),空爐升溫時間假定為 升=4h，爐溫t=650。 所以 P安= 304-0.53.970.9（650/1000）1.55 =26.61 kW暫取 P安=30kW2.1.3 爐襯材料及厚度的確定爐襯材料

10、及厚度的確定由于側(cè)墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即 113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚50mm 密度為 250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈113mmB 級硅藻土磚。 爐頂采用 113mmQN1.0 輕質(zhì)粘土磚80mm 密度為 250kg/ m3的普通硅酸鋁纖維氈115mm 膨脹珍珠巖。爐底采用三層 QN1.0 輕質(zhì)粘土磚（673）mm50mm 的普通硅酸鋁纖維氈182mmB 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門用 65mm QN1.0 輕質(zhì)粘土磚80mm 密度為 250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈65mmA 級硅藻土磚。爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚，電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材

11、料選用 CrMnN 耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，分三塊或四塊，厚 20mm。2.2 砌體平均表面積計算砌體平均表面積計算L外L+2(115+50+115)=1950 mmB外B+2(115+50+115)=1240 mmH外H+f+(115+80+115)+674+50+182 =1390 mm 式中：f拱頂高度，此爐子采用 60標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑 RB，則 f 可由fR（1cos30）求得。 2.2.1 爐頂平均面積爐頂平均面積F頂內(nèi)L1.392=0.991m2 R6680.014.32 F頂外B外L外1.724 m2 F頂均1.31 m2件件件件F F 2.2.2 爐墻平均面積爐墻平均

12、面積爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)。F墻內(nèi)2LH2BH2H（LB）20.490(1.392+0.680)=2.031 m2F墻外2H外(L外B外)21.390(1.950+1.240)=8.868 m2F墻均4.24 m2件件件件F F 2.2.3 爐底平均面積爐底平均面積F底內(nèi)BL0.6801.3920.947 m2F底外B外L外1.2401.950=2.418 m2F底均1.51 m2件件件件F F2.3 根據(jù)熱平衡計算爐子功率根據(jù)熱平衡計算爐子功率2.3.1 加熱工件所需的熱量加熱工件所需的熱量 Q件件查表得，工件在 650及 20時比熱容分別為 c件 21.05

13、1kJ/(kg)，c件10.486kJ/(kg)Q件p(c件 2t1c件 1t0)90(1.0516500.48620)60609 kJ/h2.3.2 通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失 Q散散由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計算，將爐門也包括在前墻內(nèi)。 根據(jù)式 Q散niiiiFs11n1t-t 對于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t2 墻540，t3 墻320，t4 墻60則耐火層 s1的平均溫度 ts1 均595，硅酸鋁纖維層 s2的平均溫度 ts2 均2540650 430，硅藻土磚層 s3的平均溫度 ts3 均190，s1、s3層爐2320540

14、260320 襯的熱導(dǎo)率由附表 3 得 10.29+0.25610-3ts1 均0.442W/(m) 30.131+0.2310-3ts3 均0.175W/(m) 普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由附表 4 查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由 ts2 均430，得 20.098W/(m) 當(dāng)爐殼溫度為 60，室溫為 20時，由附表 2 近似計算得 12.17 W/(m) (1)求熱流 q墻3121231gattsssa 17.121175.0115.0098.005.0442.0115.020650 417.3W/ m2(2)驗算交界面上的溫度 t2 墻，t3 墻t2

15、墻=t1q墻541.4s0.26%ttt22件件件件5405404.5415%，滿足設(shè)計要求，不需重算。 t3 墻=t2 墻q墻328.2s 2.6%ttt33件件件件3203202.3285%，滿足設(shè)計要求，不需重算。(3)驗算爐殼溫度 t4 墻t4 墻=t3 墻q墻54.070s滿足一般熱處理電阻爐表面升溫50的要求。(4)計算爐墻散熱損失 Q墻散q墻F墻均417.34.241769.4 W同理可以求得t2 頂=583.9, t3 頂=374.2, t4 頂=38.5, q頂256.9 W/ m2t2 底=508.8, t3 底=356.7, t4 底=50.3, q底298.1 W/ m

16、2爐頂通過爐襯散熱 Q頂散q頂F頂均336.5 W爐底通過爐襯散熱Q底散q底F底均450.1 W整個爐體散熱損失 Q散Q墻散Q頂散Q底散2556 W 2.3.3 開啟爐門的輻射熱損失開啟爐門的輻射熱損失設(shè)裝出料所需時間為每小時 6 分鐘Q輻3.65.675Ft（）4（）4TgTa因為 Tg650273923K，Ta20273293K，由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故 爐門開啟面積 FB0.6800.167 m2H2490.0 爐門開啟率 t0.1由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且與 B 之比為 0.36，爐門開啟高度與爐墻厚度之比H為0.88，由圖 114 第 1 條線查得 0.

17、66，故28.0245.0 Q輻3.65.675Ft（）4（）4TgTa 3.65.6750.1670.10.66（）4（）4100923 1617.7kJ/h2.3.4 開啟爐門溢氣熱損失開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由下式得 Q溢qvaaca(tgta) t其中，qva1997B19970.6800.245=164.7m3/hHH245.0冷空氣密度 a1.29kg/ m3,由附表 10 得 ca1.342kJ/( m3),ta=20, tg為溢氣溫度，近似認為 tgta(tg-ta) 20(650-20)=440Q溢qvaaca(tgta) t164.71.291.342(44020)0.

18、111975.3 kJ/h2.3.5 其它熱損失其它熱損失其它熱損失約為上述熱損失之和的 10%20%，故Q它0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=9939.5 kJ/h2.3.6 熱量總支出熱量總支出其中 Q輔0，Q控0，由下式得Q總Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+ Q它=86397.5 kJ/h2.3.7 爐子安裝功率爐子安裝功率P安件KQ 其中 K 為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計中 K 取 1.5，則 P安36.0kW3600 86397.55.1與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為 35kW。2.4 爐子熱效率計算2.4.1 正常工作時的效率正常工作時的效率=60609/86397.5 =70.

19、2%件件QQ2.4.2 在保溫階段，關(guān)閉時的效率在保溫階段，關(guān)閉時的效率83.2%)(溢輻總件QQQQ2.5 爐子空載功率計算 P空3.5 kW件件QQ36009939.52556 2.6 空爐升溫時間計算由于所設(shè)計爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計算，將爐子側(cè)墻和前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計算，爐底由于砌磚方法不同，進行單獨計算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。2.6.1 爐墻及爐頂蓄熱爐墻及爐頂蓄熱V 側(cè)粘21.392(100.067+0.135)0.115=0.258m3V 前后粘2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.115=0.239m3V

20、頂粘0.97(1.392+0.276)0.115=0.186m3V 側(cè)纖2(1.392+0.115)(100.067+0.135)0.05=0.121m3V 前后纖2(0.680+0.1152)(150.067+0.135)0.05=0.104m3V 頂纖1.071(1.392+0.276)0.08=0.143m3V 側(cè)硅2 (100.067+0.135)(1.392+0.115)0.115=0.279m3V 前后硅21.240(150.067+0.135)0.115=0.325m3V 頂珍 1.9501.2400.115=0.278 m3Q蓄V粘粘c粘(t粘t0)+V纖纖c纖(t纖t0)+

21、V硅硅c硅(t硅t0)因為 t粘（t1t2墻）/2595.724.541650 查附表 3 得 c粘0.84+0.2610-3t粘0.84+0.2610-3595.7=0.995 kJ/(kg) t纖（t2 墻t3 墻）/2434.822.3284.415查附表 3 得 c纖0.81+0.2810-3t纖0.81+0.2810-3434.8=0.932 kJ/(kg)t硅（t3 墻t4 墻）/2191.120.542.328查附表 3 得 c硅0.84+0.2510-3t硅0.84+0.2510-3191.1=0.888 kJ/(kg)所以得Q蓄 1(V 側(cè)粘+ V 前后粘+ V 頂粘)粘c粘

22、(t粘t0)+(V 側(cè)纖+ V 前后纖+ V頂纖)纖c纖(t纖t0)+( V 側(cè)硅+ V 前后硅+ V 頂硅)硅c硅(t硅t0) 493808 kJ/h2.6.2 爐底蓄熱計算爐底蓄熱計算V 底粘4(0.020.12+0.1130.065)+(0.042)0.113+(0.1130.120)21.392+(1.240-0.1152)(1.950-0.115)0.065 0.225m3V 底纖1.9501.2400.050.121m3V 底硅1.9501.2400.1820.440m3由于 t 底粘（t1t2 底）/2(650+508.8)/2579.4查附表 3 得 c 底粘0.84+0.26

23、10-3t 底粘0.991 kJ/(kg) t 底纖（t2 底t3 底）/2(508.8+356.7)/2432.8查附表 3 得 c 底纖0.81+0.2810-3t 底纖0.931 kJ/(kg) t 底硅（t3 底t4 底）/2(356.7+50.3)/2203.5查附表 3 得 c 底硅0.84+0.2510-3t 底硅0.891 kJ/(kg)所以得Q 底蓄0.2251.01030.991(579.4-20)+0.1210.251030.931(432.8-20)+0.4400.51030.891(203.5-20)172327 kJ/h2.6.3 爐底板蓄熱爐底板蓄熱根據(jù)附表 6

24、查得 650和 20時高合金鋼的比熱容分別為 c板 20.875kJ/(kg)和 c板 10.473kJ/(kg)。經(jīng)計算爐底板重量 G=180kg，所以有 Q 板蓄G(c板 2t1- c板 1t0)=180(0.8756509.46)100672.2 kJ/hQ蓄Q蓄 1Q 底蓄Q 板蓄766807 kJ/h空爐升溫時間 升6.1h件件PQ對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在 38 小時內(nèi)均可，故本爐子設(shè)計符合要求。因計算蓄熱時是按穩(wěn)定態(tài)計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應(yīng)在 4 小時以內(nèi)。2.7 功率的分配與接線35kW 功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成 Y、 或 YY、 接線。

25、供電電壓為車間動力 380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負荷應(yīng)在1535kW/ m2 之間，常用為 2025 kW/ m2 之間。 F電2F電側(cè)F電底21.3920.490+1.3920.680=2.31 m2 WP安/F電35/2. 3115.2kW/ m2 故符合設(shè)計要求。2.8 電熱元件材料選擇及計算由最高使用溫度 650，選用線狀 0Cr25Al15 合金電熱元件，接線方式采用 Y。2.8.1 圖表法圖表法由附表 15 查得 0Cr25Al1 電熱元件 35kW 箱式爐 Y 接線，直徑 d4.8mm 時，其表面負荷為 1.56W/ cm2。每組元件長度

26、 L組49.6m,總長度 L總148.8m,元件總重量 G總19.1kg。2.8.2 理論計算法理論計算法1、求 650時電熱元件的電阻率 t 當(dāng)爐溫為 650時，電熱元件溫度取 1100，由附表 12 查得 0Cr25Al5 在 20時電阻率 201.40mm2/m，電阻溫度系數(shù) 410-5-1,則 1100下的電熱元件電阻率為 t20(1+t)= 1.40(1+410-51100)= 1.46mm2/m2、確定電熱元件表面功率 由圖 53，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取 W允1.6W/ cm2。3、每組電熱元件功率 由于采用 Y 接法，即三相雙星形接法，每組元件功率 P組35/n=35/31

27、1.7 kW4、每組電熱元件端電壓 由于采用 YY 接法，車間動力電網(wǎng)電壓為 380V，故每組電熱元件端電壓即為每項電壓 U組380/=220V5、電熱元件直徑 線狀電熱元件直接由下式得 d34.34.7 mm223/tPUW允（）取 d=4.8 mm6、每組電熱元件長度和重量 每組電熱元件長度由下式得 L組0.78510-3 =0.78510-351.25mtPdU件件46.17.118.422022 每組電熱元件重量由下式得G組d2 L組M式中，M由附表 12 查得 M7.1g/ cm2所以得 G組d2 L組M6.58kg7、電熱元件的總長度和總重量 電熱元件總長度 L總3L組351.25

28、153.75m 電熱元件總重量 G總3G組19.74kg8、校核電熱元件表面負荷W實1.51W/ cm2件件dLP512548.014.310007.11 W實 W允，結(jié)果滿足設(shè)計要求。9、電熱元件在爐膛內(nèi)的布置 將 6 組電熱元件每組分為 4 折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則有 L折L組/4=51.25/412.81m 布置電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于 1000。由表 55 可知，螺旋節(jié)徑D=(46)d， 取 D=5d54.824mm 螺旋體圈數(shù) N 和螺距 h 分別為 NL折/D12.81/(3.1424) 103170 圈 hL/N（1392-50）/1707.9mm h/d=7.9

29、/3=2.6 按規(guī)定，h/d 在 24 范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求。 根據(jù)計算，選用 Y 方式接線，采用 d4.8mm 所用電熱元件重量最小，成本最低。 電熱元件節(jié)距 h 在安裝時適當(dāng)調(diào)整，爐口增大功率。 電熱元件引出棒材料選用 1Cr18Ni9Ti，12mm，l500mm。2.9 爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）額定功率：35kW 額定電壓：380V使用溫度：650 生產(chǎn)率：90 kg/h相數(shù)：3 接線方法：Y 工作室有效尺寸：1200500350 外型尺寸：重量： 出廠日期：參參 考考 文文 獻獻1、熱處理爐 吉澤升、張雪龍、武云啟編著,哈爾濱工程大學(xué)出版社2、工程制圖 大連理工大學(xué)出版社組編3、熱處理爐設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社組指導(dǎo)教師評語及設(shè)計成績 評 語 課程設(shè)計成績： 指導(dǎo)教師： 日期： 年 月 日