箱式電阻爐課程設(shè)計

1、一、設(shè)計任務(wù)書題目：設(shè)計一臺中溫箱式熱處理電阻爐；爐子用途：中小型零件的熱處理；材料及熱處理工藝：中碳鋼毛坯或零件的淬火、正火及調(diào)制處理；生產(chǎn)率：160 kg/h；生產(chǎn)要求：無定型產(chǎn)品，小批量多品種，周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)；要求：完整的設(shè)計計算書一份和爐子總圖一張。二、爐型的選擇根據(jù)生產(chǎn)特點，擬選用中溫箱式熱處理電阻爐，最高使用溫度950，不通保護氣氛。三、確定爐體結(jié)構(gòu)及尺寸1.爐底面積的確定因無定型產(chǎn)品，故不能用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。已知生產(chǎn)率p為160 kg/h，按照教材表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120 kg/(m2h)，故可求

2、得爐底有效面積：F1=PP0=160120=1.33 m2由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1F=0.750.85，取系數(shù)上限，得爐底實際面積：F=F10.85=1.330.85=1.57 m22.爐底長度和寬度的確定由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計時應(yīng)考慮出料方便，取LB=2，因此，可求得：L=F0.5=1.570.5=1.772 mB=L2=1.7722=0.886 m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.741 m，B=0.869 m，如總圖所示。3.爐膛高度的確定按照統(tǒng)計資料，爐膛高度H與寬度B之比HB通常在0.50.9之間，根據(jù)爐子工作條件，取HB=0.64Om。因此，確定爐膛尺寸如下：長

3、 L=230+27+23012+2=1741 m寬 B=120+24+65+2+40+22+113+22=869 mm高 H=65+29+37=640 mm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)壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為：L效=1500 mmB效=700 mmH效=500 mm4.爐襯材料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113mm QN-0.8輕質(zhì)粘土磚，+80 mm 密度為250 kgm3的普通硅酸鋁纖維氈，+113mm B級硅藻土磚。爐頂采用113 mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚，+80 mm密度為250 kgm3的普通硅酸鋁

4、纖維氈，+115 mm膨脹珍珠巖 。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)粘土磚673mm，+50 mm密度為250 kgm3的普通硅酸鋁纖維氈，+182 mm B 級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門用65 mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚，+80 mm密度為250 kgm3的普通硅酸鋁纖維氈，+65 mm A級硅藻土磚。爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚（NZ-35），電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-N耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，分三塊或者四塊，厚20mm。四、砌體平均表面積計算砌體外廓尺寸如下： L外=L+2115+80+115=2360 mm B外=B+2115+80+115=1490 m

5、m H外=H+f+115+80+115+674+50+182=1566 mm試中 f拱頂高度，此爐子采用60標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R=B，則f可由f=R(1-cos30)求得。1.爐頂平均面積 F頂內(nèi)=2R6L=23.140.86961.741=1.585 m2 F頂外=B外L外=1.4902.360=3.516 m2 F頂內(nèi)=F頂內(nèi)F頂外=1.5853.516=2.360 m22.爐墻平均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)=2LH+2BH=2HL+B =20.640(1.741+0.869) =3.341 m2 F墻外=2H外L外+B外 =21.5662.3

6、60+1.490 =12.058 m2 F墻均=F墻內(nèi)F墻外 =3.34112.058 =6.347 m23.爐底平均面積 F底內(nèi)=BL=0.8691.741=1.510 m2 F底外=B外L外=1.4902.360=3.516 m2 F底均=F底內(nèi)F底外=1.5103.516=2.304 m2五、計算爐子功率1.根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率由教材式（5-14）P安=C升-0.5F0.9t10001.55取式中系數(shù)C=30kWh0.5m1.81.55，空爐升溫時間假定為升=4h，爐溫t=950，爐膛面積 F 避=21.7410.640+20.8690.640+1.7410.869 +23.140

7、.869603601.741 =6.440 m2所以 P安=C升-0.5F0.9t10001.55 =304-0.56.440.995010001.55 =74.1 kW由經(jīng)驗公式法計算得P安75 kW2.根據(jù)熱平衡計算爐子功率（1）加熱工件所需的熱量Q件由教材附表6得，工件在950及20時比熱容分別為c件2=0.548 kJkg，c件1=0.486 kJkg，根據(jù)式(5-1) Q件=pc件2t1-c件1t0 =1600.548950-0.48620 =81740.8 kJh（2）通過爐襯的散熱損失的熱量Q散I.爐墻的散熱損失由于爐子側(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

8、門包括在前墻內(nèi)。根據(jù)式（1-15）Q散=t1-tn+1i=1nsiiFi對于爐墻散熱，如圖1-1所示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t2墻=800，t3墻=450，t4墻=65，則耐火層s1的平均溫度ts1均=950+8002=875 ，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均=800+4502=625 ，硅藻土磚層s3的平均溫度ts3均=450+652=257.5 ，s1，s3層爐襯的導(dǎo)熱率由教材附表3得 1=0.294+0.21210-3ts1均 =0.294+0.21287510-3 =0.480 W（m） 3=0.131+0.2310-3ts3均 =0.131+0.23257.510-3

9、=0.190 W（m）。普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由教材附表4查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成直線關(guān)系，由ts2均=625 ，得 2=0.128 W（m）當(dāng)爐殼溫度為65，室溫為20是，由教材附表2可得爐墻外表面對車間的綜合傳熱系數(shù)=12.50 W(m2)求熱流 q墻=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1150.480+0.0800.128+0.1150.190+112.50 =600.06 Wm2驗算交界面上的溫度t2墻和t3墻t2墻=t1-q墻s11=950-600.060.1150.480=806.24=t2墻-t2墻t2墻=806.24-8008

10、00=0.78%誤差5%，滿足設(shè)計要求，不需要重新估算。t3墻=t2墻-q墻s22=806.24-600.060.0800.128=431.2=t3墻-t3墻t3墻=431.2-450450=4.18%誤差5%，同樣滿足設(shè)計要求，不需要重新估算。驗算爐殼溫度t4墻t4墻=t3墻-q墻s33=431.2-600.060.1150.190=6870滿足一般熱處理電阻爐表面升溫50的要求。計算爐墻散熱損失Q墻散=q墻F墻均=600.066.347=3808.58 WII.爐頂?shù)纳釗p失和爐墻散熱損失同理，首先假定界面上的溫度及爐頂殼的溫度，t2頂=840，t3頂=560，t4頂=52。則：耐火層s1

11、的平均溫度 ts1均=950+8402=895 ，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均=840+5602=700，膨脹珍珠巖層s3的平均溫度ts3均=560+522=306。s1，s3層爐襯的熱導(dǎo)率由教材附表3得：1=0.294+0.21210-3ts1均=0.294+0.21289510-3=0.484 W（m）1=0.040+0.22010-3ts3均=0.040+0.22030610-3=0.107 W(m)普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由教材附表4查得， ts2均=700時，2=0.140 W（m）。當(dāng)爐殼溫度為52，室溫為20是，由教材附表2可查得爐殼表面對空氣的綜合傳熱系數(shù)=11.59 W（

12、m）。求熱流 Q頂=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1150.484+0.0800.140+0.1150.107+111.59=472.06 Wm2驗算交界面上的溫度t2頂和t3頂t2頂=t1-q頂s11=950-472.060.1150.484=837.9 =t2頂-t2頂t2頂=837.9-840840=0.26%5%，滿足設(shè)計要求，不需要重新估算。t3頂=t2頂-q頂s22=837.9-472.060.0800.140=568.15 =t3頂-t3頂t3頂=568.15-560560=1.46%驗算爐殼溫度t4頂t4頂=t3頂-q頂s33=568.15-472.06

13、0.1150.107=60.8 70 滿足一般熱處理電阻爐表面升溫要求。計算爐頂?shù)纳釗p失Q頂散=q頂F頂均=472.062.360=1114.06 Wm2III.爐底的散熱損失假定各層界面的溫度及爐底溫度，t2底=750 ，t3底=550 ，t4底=53 。則耐火層s1的平均溫度ts1均=950+7502=850 ，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均=750+5502=650 ，硅藻土磚層s3的平均溫度ts3均=550+532=301.5 。s1和s3層爐襯的熱導(dǎo)率同樣可由教材附表3得1=0.294+0.21210-3ts1均=0.474 Wm3=0.131+0.23010-3ts3均=0.

14、200 W（m）普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率同樣可由教材附表4由插入法得2=0.132 W（m）。當(dāng)爐殼溫度為53，室溫為20是，由教材附表2可得=11.72 W（m）。求熱流 Q底=tg-tas11+s22+s33+1=950-200.1950.474+0.0500.132+0.1800.200+111.72=523.8 Wm2驗算交界面上的溫度t2底和t3底t2底=t1-q底s11=950-523.80.1950.474=734.5 =t2底-t2底t2底=734.5-750750=2.1%5%，滿足設(shè)計要求，不需要重新估算。t3底=t2底-q底s22=734.5-523.80.0500.132

15、=536.1 =t3底-t3底t3底=536.1-550550=2.5%5%，滿足設(shè)計要求，不需要重新估算。驗算爐殼溫度t4底t4底=t3底-q底s33=536.1-523.80.1800.200=64.68 滿足一般熱處理電阻爐表面升溫要求。計算爐底散熱損失 Q底散=q底F底均=523.82.304=1206.8 Wm2整個爐體散熱損失 Q散=Q墻散+Q頂散+Q底散 =3808.58+1114.06+1206.8 =6129.44 W =22066kJh（3）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，根據(jù)教材式（5-6） Q輻=3.65.675FtTg1004-Ta1004因為Tg

16、=950+273=1223 K，Ta=20+273=293 K，由于正常工作是，爐門開啟高度為爐膛高度一半，故爐門開啟面積F=BH2=0.8690.6402=0.278 m2，爐門開啟率t=660=0.1。由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H2與B之比為0.3200.869=0.37，爐門開啟高度與爐墻厚度之比為0.320.31=1.03，由教材圖1-14第一條線查得孔口遮蔽系數(shù)=0.7，故 Q輻=3.65.675FtTg1004-Ta1004 =5.6753.60.2780.10.712231004-2931004 =8865.1 kJh（4）開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由教材式（5-7）得Q

17、溢=qvacatg-tat式中，qva由教材式（5-7）得qva=1997BH2H2=19970.8690.3200.320=314.1 m3h冷空氣密度a=1.29 kgm3，由教材附表10得ca=1.301 kJm3，ta=20 ，tg為溢氣溫度，近似認(rèn)為 tg=ta+23tg-ta=20+23950-20=640 Q溢=qvaacatg-tat =314.11.291.302(640-20)0.1 =32658.2 kJh(5)其他熱損失其他熱損失約為上述熱損失之和的10%20%，故 Q他=0.13Q件+Q散+Q輻+Q溢 =0.1381740.8+22066+8865.1+32658.2

18、 =18892.9 kJh(6)爐子熱量總支出其中Q輔=0，Q控=0，由教材式（5-10）得 Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+Q他 =81740.8+22066+8865.1+32658.2+18892.9 =164223.02 kJh（7）爐子安裝功率由教材式（5-11）P安=KQ總3600其中，K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計中K取1.4，則P安=1.4164223.023600=63.86 kW 與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為75 kW。六、爐子熱效率計算1.正常工作時的效率由教材式（5-12）=Q件Q總=81740.8164223.02=49.77%2.在保溫階段，關(guān)閉爐門時的效率

19、=Q件Q總-Q輻+Q溢=81740.8164223.02-8865.1-32658.2=66.6%七、爐子空載功率計算P空=Q散+Q他3600=22066+18892.93600=11.38 kW八、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、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，因為升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。1.爐墻及爐頂蓄熱 V黏側(cè)=21.741120.067+0.1350.115=0.376 m3 V黏前。后=20.869+0.1152160.067+0.1350.115=0.305 m3 V黏頂=0.9

20、71.741+0.2760.115=0.225 m3 V纖側(cè)=21.741+0.115120.067+0.1350.080=0.279 m3 V纖前。后=20.87+0.1152160.067+0.1350.080=0.212 m3 V纖頂=1.0711.741+0.2760.08=0.172 m3 V硅側(cè)=2120.067+0.1351.741+0.1150.115=0.401 m3 V硅前。后=21.490160.067+0.1350.115=0.414 m3 V珍頂2.3601.4900.115=0.404 m3由教材式5-9Q蓄=V黏黏c黏t黏-t0+V纖纖c纖t纖-t0+V硅硅c硅t

21、硅-t0因為t黏=t1+t2墻2=950+806.242=878.12 查教材附表3，經(jīng)計算得c黏=0.84+0.2610-3t黏=0.84+0.2610-3878.12=1.068 kJkgt纖=t2墻+t3墻2=806.24+431.22=618.72 查教材附表3，經(jīng)計算得c纖=0.81+0.2810-3t纖=0.81+0.2810-3618.72=0.983 kJkgt硅=t3墻+t4墻2=431.2+682=249.6 查教材附表3，經(jīng)計算得c硅=0.84+0.2510-3t硅=0.84+0.2510-3249.6=0.90 kJkg爐頂珍珠巖按硅藻土磚近似計算，爐頂溫度均按側(cè)墻近似

22、計算，所以得Q蓄1=V黏側(cè)+V黏前。后+V黏頂黏c黏t黏-t0+V纖硅+V纖前。后+V纖頂纖c纖t纖-t0+V硅側(cè)+V硅前。后+V硅頂硅c硅t硅-t0 =0.376+0.305+0.2250.81031.07878.1-20 +0.279+0.212+0.1730.251030.98618.7-20 +0.401+0.414+0.4040.551030.90249.6-20 =901441.3 kJ2.爐底蓄熱計算爐底高鋁質(zhì)電熱元件擱磚，近似看成重質(zhì)黏土磚。爐底的復(fù)合爐襯按硅藻土計算。V底=V重黏底+V輕黏底+V纖底+V硅底 V黏重底=0.1200.0204+0.0650.230+0.0400

23、.2302+0.1130.2302 1.741 =0.165 m3 V輕黏底=0.1130.0654+0.1130.06531.741+1.490-0.1132 2.360-0.1130.065 =0.274 m3 V纖底=2.3601.4900.05=0.176 m3 V硅底=2.3601.4900.180=0.633m3由于t黏底=t1+t2底2=950+734.52=842.25 近似將重質(zhì)磚和輕質(zhì)磚平均溫度看成相等。差教材附表3，經(jīng)計算得 c重黏底=0.88+0.2310-3t重黏底=0.88+0.2310-3842.3=1.07 kJkg c輕黏底=0.84+0.2610-3t輕黏底

24、=0.84+0.2610-3842.3=1.06 kJkg t纖底=t2底+t3底2=734.5+536.12=635.3 查教材附表3，經(jīng)計算得c纖底=0.81+0.2810-3t纖底=0.81+0.2810-3635.3=0.99 kJkg t硅底=t3底+t4底2=536.1+64.682=300.4 查教材附表3，經(jīng)計算得c硅底=0.84+0.2510-3t硅底=0.84+0.2510-3300.4=0.92 kJkg所以得 Q蓄底=0.1652.11031.07842.3-20 +0.2741.01031.06842.3-20 +0.1760.251030.99635.3-20 +0

25、.6330.51030.92300.4-20 =652117 kJ3.爐底板蓄熱計算根據(jù)教材附表6查得950和20時高合金鋼的比熱容分別為c板2=0.670 kJkg和c板1=0.473 kJkg。經(jīng)計算爐底板質(zhì)量G=238 kg，所以有Q蓄板=Gc板2t1-c板1t0=2380.670950-0.47320=149235.5 kJ因此，綜上可得爐子蓄熱Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板=910441.3+652117+149235.5=1734240.8 kJ由教材式5-13得空爐升溫時間升=Q蓄3600P安=1734240.8360075=6.3h對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在38 h內(nèi)均

26、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 h以內(nèi)。九、功率的分配與接線75kW 功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y、或YY、接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在1535kWm2之間，常用為2025 kWm2之間。F電=2F電側(cè)+F電底=21.7410.640+1.7410.869=3.74 m2W=P安F電=753.74=20.05 kWm2表面負(fù)荷在常用的范圍2025 kWm2之內(nèi)，故符合設(shè)計要求。十、電熱元件材料選擇及計算由最高使用溫度950 ，選用線狀0Cr25

27、Al5合金作電熱元件，接線方式采用YY。1.圖表法有教材附表15查得0Cr25Al5電熱元件，75 kW箱式電阻爐YY接線，直徑d=5 mm時，其表面負(fù)荷為1.58 Wcm2。每組元件長度L組=50.5 m，總長度L總=303.0 m，元件總質(zhì)量G總=42.3 kg。2.理論計算法（1）求950 時電熱元件的電阻率t當(dāng)爐溫為950時，電熱元件溫度取1100 ，由教材附表12查得0Cr25Al5在20 時電阻率20=1.40 mm2m，電阻溫度系數(shù)=410-5 -1，則1100下的電熱元件電阻率為t=201+t=1.401+410-51100=1.46 mm2m（2）確定電熱元件表面功率由教材圖5-3，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6 Wcm2。(3)每組電熱元件功率由于采用YY接法，即兩組電熱元件并聯(lián)后再接成Y的三相雙星形接法，每組電熱元件功率P組=75n=7532=12.5 kW（4）每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380 V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓U組=3803=2