推桿式熱處理爐設(shè)計(jì)說明書

1、推桿式熱處理爐設(shè)計(jì)說明書學(xué)院：材料與冶金學(xué)院班級：材料1003班姓名：寧檬學(xué)號：20101637指導(dǎo)老師：申勇峰設(shè)計(jì)日期：2013-07-10前言1、 熱處理電阻爐是以電能為熱源，電流通過電熱元件而發(fā)出熱量，借助輻射和對流的傳熱方式將熱量傳給工件，使工件加熱到所要求的溫度。2、 熱處理電阻爐優(yōu)點(diǎn)：其工作范圍寬，爐溫一般可以從60到1600；能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制爐溫，控溫精度一般為±（38）；若采用計(jì)算機(jī)控制爐溫，其精度可達(dá)±1。爐膛溫度分布比較均勻，能夠滿足多種熱處理工藝要求，電阻爐熱效率高，一般為4080%。此外，熱處理電阻爐結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于車間布置安裝，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械

2、化和自動(dòng)化操作，勞動(dòng)條件好，對環(huán)境沒有污染。也便于通入可控氣氛，實(shí)現(xiàn)光亮保護(hù)加熱和化學(xué)熱處理。三、熱處理電阻爐缺點(diǎn)：爐子造價(jià)高，耗電量大，工件加熱速度較慢，不通保護(hù)氣氛加熱時(shí)工件容易氧化脫碳。四、熱處理電阻爐種類：熱處理電阻爐可分為：周期作業(yè)爐和連續(xù)作業(yè)爐兩大類。1、周期作業(yè)式電阻爐主要特點(diǎn)是工件整批入爐，在爐中完成加熱、保溫等工序，出爐后，另一批工件再重新入爐，如此周期式的生產(chǎn)。這類爐子大都間歇使用，因此要求爐子的升溫要快，蓄熱量要小。常用的有箱式爐、井式爐、臺(tái)車式爐。2、連續(xù)作業(yè)式電阻爐，加熱的工件是連續(xù)地（或脈動(dòng)地）進(jìn)入爐膛，并不斷向前移動(dòng)，完成整個(gè)加熱、保溫等工序后工件即出爐。特點(diǎn)是生

3、產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，能力大，爐子機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，適用于大批量生產(chǎn)。主要有輸送帶式爐、網(wǎng)帶式爐、推桿式爐等。五、推桿式熱處理爐簡介推桿式熱處理電阻爐，屬于連續(xù)作業(yè)式電阻爐，下面做簡要介紹。1、原理：推桿式熱處理爐是借助于推料機(jī)構(gòu)，將裝有工件的料盤或料筐間接地從爐子一端推入爐內(nèi)，根據(jù)不同工藝要求完成熱處理后，依次從另一端將工件推出的一種連續(xù)作業(yè)爐。2、適用范圍：這類爐子由于對工件的適應(yīng)性強(qiáng)，便于組成生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用于淬火、正火、回火、滲碳和滲氮等熱處理。3、缺點(diǎn)：料盤反復(fù)進(jìn)爐加熱和出爐冷卻，造成較大能源浪費(fèi)，熱效率較低，且料盤易損壞；另一缺點(diǎn)是對不同品種的零件實(shí)施不同技術(shù)要求時(shí)，常需把原有的爐料全部

4、推出，工藝變動(dòng)適應(yīng)性差。目錄一、 設(shè)計(jì)任務(wù)1二、 爐型選擇1三、 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸11.爐底長寬高的確定12.爐襯材料及厚度的確定2四、 砌體平均面積計(jì)算31.爐頂平均面積32.爐墻平均面積33.爐底平均面積4五、 計(jì)算爐子功率4六、 爐子熱效率的計(jì)算111. 正常工作時(shí)的效率112. 在保溫階段，關(guān)閉爐門的效率11七、 爐子空載功率計(jì)算11八、 功率的分配與接線11九、 電熱元件材料選擇及計(jì)算12十、 設(shè)計(jì)小結(jié)16十一、 爐子技術(shù)指標(biāo)17【參考文獻(xiàn)】17【附表】 18一、 設(shè)計(jì)任務(wù)：為某廠設(shè)計(jì)一臺(tái)熱處理電阻爐，主要用于中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及退火處理。所處理零件主要為中小型

5、零件，生產(chǎn)量大且品種單一，工藝穩(wěn)定。其主要技術(shù)參數(shù)要求如下表所示：項(xiàng)目單位指標(biāo)爐子有效尺寸mm6100×700×600最大裝爐量kg1000額定功率kW168最高工作溫度950最高生產(chǎn)率Kg/h350加熱區(qū)數(shù)4二、 爐型選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)中對產(chǎn)品種類、產(chǎn)量大小和生產(chǎn)工藝的敘述，擬選用推桿式熱處理爐對材料進(jìn)行加工。三、 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸1.爐底長寬高的確定由技術(shù)參數(shù)，爐子有效尺寸為 6100×700×600mm3故知：L效=6100mm B效= 700mm H效= 600mm由于推桿式熱處理爐加熱工件由推料機(jī)從前門推入，后門推出，不需人工取出，因此其爐膛

6、長度取L=6105mm為防止工件裝、出料時(shí)碰撞電熱元件和保證工件溫度的均勻性，工件與電加熱體擱磚應(yīng)相距100150mm，故爐膛寬度:B=B效+200300 mm=9001000mm，取B=900mm按資料統(tǒng)計(jì)，爐膛高度H與寬度B之比H/B通常在0.50.9之間，根據(jù)爐子工作條件，取H/B=0.7左右，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，選定爐膛高度H=620mm因此，確定爐膛尺寸如下： 爐膛尺寸：長 L=6105mm L=6105 mm寬 B=900mm B=900 mm高 H=620mm H=620 mm2.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，采用相同的爐襯結(jié)構(gòu)，即113mmQN-1.0輕質(zhì)

7、粘土磚+85mm密度為250 kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mm B級硅藻土磚。爐頂采用兩層113mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚（115×2）mm+320mm密度為250 kg/m3 的普通硅酸鋁纖維氈。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)粘土磚（67×3）mm+50mm密度為250 kg/m3 的普通硅酸鋁纖維氈+182mm B級硅藻土磚和膨脹珍珠巖符合爐襯。粘土磚上方再鋪一層67mm支撐導(dǎo)軌用的重質(zhì)粘土磚和安置電熱元件的重質(zhì)高鋁磚。爐門采用65mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚+80mm密度為250 kg/m3 的普通硅酸鋁纖維氈+65mm A級硅藻土磚。四、 砌體平均面積的計(jì)算砌體

8、外廓尺寸計(jì)算如下： 砌體外廓尺寸：L外=L+2×(85+115+115)=6735mm L外=6735mmB外=B+2×(85+115+115)=1530mm B外=1530mmH外=H+f+(2×115+320)+(67+67×3+50+182)=1700mm H外=1700mm式中：f拱頂高度，此爐子采用30°拱頂，取拱弧半徑R=B。1.爐頂平均面積 爐頂平均面積 F頂內(nèi)=5.751m2 F頂外=10.305m2 F頂均=7.698m22.爐墻平均面積爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計(jì)算將爐門包括在前后墻內(nèi)。F墻內(nèi)=2LH+2BH=2H(L

9、+B)=2×0.620×(6.105+0.900) 爐墻平均面積=8.686m2 F墻內(nèi)=8.686m2F墻外=2H外(L外+B外)=2×1.700×(6.735+1.530) F墻外=28.101m2 =28.101m2 F墻均=15.623m2 3.爐底平均面積 爐底平均面積F底內(nèi)=B×L=0.900×6.105=5.495m2 F底內(nèi)=5.495m2F底外=B外×L外=1.530×6.735=10.305m2 F底外=10.305m2=m F底均=7.525m五、 計(jì)算爐子功率根據(jù)熱平衡法計(jì)算爐子功率熱平衡法

10、計(jì)算是根據(jù)爐子的輸入總功率（收入項(xiàng)）應(yīng)等于各項(xiàng)能量消耗（支出項(xiàng)）總和的原則確定爐子功率的方法。在此設(shè)計(jì)中，主要支出項(xiàng)包括如下幾個(gè)方面：加熱工件所需熱量Q件，加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔，通過爐襯的散熱損失Q散，通過開啟爐門或爐壁縫隙的輻射熱損失Q輻，通過開啟爐門的溢氣熱損失Q溢以及其他熱損失Q他。具體計(jì)算過程如下：（1）加熱工件所需的熱量Q件由附表6【1】得，工件在950和20時(shí)比熱容分別為c件2=0.636kJ/(kg·)及c件1=0.486kJ/(kg·)，故有：Q件 = p(c件2t1 -c件1t0) = 350×(0.636×950-0.486

11、15;20) 加熱工件所需的熱量Q件 = 208068kJ/h Q件= 208068kJ/h（2）加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔推桿式熱處理爐的加熱輔件主要有導(dǎo)軌和料盤，其材質(zhì)均為耐熱鋼，由附表6【1】得，取其950時(shí)比熱容為c2=0.670kJ/(kg·)，20比熱為c1=0.473kJ/(kg·)，取每小時(shí)加熱輔件的重量P輔=40Kg/h，則有：Q輔 = p輔(c2t1 -c1t0) =40×(0.670×950-0.473×20) 加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔 =25081.6 kJ/h Q輔=25081.6kJ/h（3）通過爐襯的散熱損失Q散由于

12、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(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。對于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，=820，=420，=60則耐火層S1的平均溫度： = = 885硅酸鋁耐火纖維層S2的平均溫度： = =620硅藻土磚層S3的平均溫度： = = 240S1、S3層爐襯的熱導(dǎo)率由下附表3【2】查得 = 0 .29 + 0.256 × 10-3 ts1均 = 0.29 + 0.256 × 10-3 × 885= 0.517W/(m·) = 0 .131 + 0.23 × 10-3 = 0.131 + 0.23 ×

13、; 10-3 × 240= 0.186W/(m·)普通硅酸鋁耐火纖維的熱導(dǎo)率由附表4【3】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)率與溫度成線性關(guān)系，由=620，得：=(0.140-0.093)×+0.093 =0.127W/(m·)當(dāng)爐殼溫度為60，室溫為20時(shí)，由附表2【4】得=12. 17W /(m2·)。求熱流= = 584.106W/m2驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻、t3墻 = - = 950 584.106 × = 820.073 = = × 100% = 0.0089%5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。 = -

14、=820.073584.106 × =429.136 = = × 100% = 2.175%5%，也滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。驗(yàn)算爐殼溫度 = - = 429.136 584.106 × = 67.99570滿足一般熱處理電阻爐表面溫升小于70的要求，不需重算。計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散 = q墻·F墻均= 584.106×15.623= 9125.5W同理可以求得： =825.3，=71.4=326.4W/m2；=779.8，=570.6，=65.6，=610.8W/m2；爐頂通過爐襯散熱Q頂散= q頂·F頂均=326.4×7.

15、698= 2512.6W爐底通過爐襯散熱Q底散= q底·F底均= 610.8×7.525=4596.3 W整個(gè)爐體散熱損失Q散 = Q墻散 + Q底散 + Q頂散=9125.5W+ 4596.3+2512.6=16234.4W 通過爐襯的散熱損失Q散= 58443.8kJ/h Q散=58443.8kJ/h（4）開啟爐門的輻射熱損失Q輻設(shè)裝出料所需時(shí)間為9min/h，Tg=950+273=1223K，T=20+273=293K。由于正常工作時(shí)，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故爐門開啟面積為：=0.900×=0.279m2爐門開啟率：t = 0.15由于爐門開啟后，輻

16、射口為矩形，且H/2與B之比為 0.310/0.900= 0.344屬拉長的矩形，爐門開啟高度與爐墻厚度之比為0.310/0.345=0.899，由圖1-14【5】第1條線查得=0.68又推桿式爐每次進(jìn)出料時(shí)前后門一起打開，故有：=2×5.675×3.6×0.279×0.15×0.68×22298.4 開啟爐門的輻射熱損失Q輻=25928.4kJ/h Q輻=25928.4kJ/h（5）開啟爐門溢氣熱損失Q溢溢氣熱損失計(jì)算公式為：其中溢氣量 = 1997×0.900×0.310× =310.2m3/h冷空氣

17、密度=1.29kg/m3，由附表10【6】可查得：=1.342kJ/（m3·）溢氣溫度可近似為：640因此：=310.2×1.29×1.342×(640-20)×0.15 開啟爐門溢氣熱損失Q溢=49942.1kJ/h Q溢=49942.1kJ/h（6）其他熱損失Q他其它熱損失為上述熱損失之和的10%20%，故：Q他=0.15(Q件+Q輔+Q散+Q輻+Q溢)=0.15×(208068+25081.6+58443.8+25928.4+49942.1) 其他熱損失Q他=55119.6kJ/h Q他=55119.6kJ/h（7）熱量總支出Q

18、總Q總 = Q件+Q輔+ Q散+Q輻+Q溢+Q他= 熱量總支出Q總 =422583.6kJ/h Q總=422583.6kJ/h（8）爐子安裝功率 P安，其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，對于連續(xù)作業(yè)爐，K=1.21.3，本爐設(shè)計(jì)中K取1.3，則 取P安=154kW P安=154kW六、 爐子熱效率計(jì)算1正常工作時(shí)的效率 正常工作時(shí)的效率=49.2% =49.2%2在保溫階段，關(guān)閉爐門時(shí)的效率= ×100%= ×100% 關(guān)閉爐門時(shí)的效率=60.0% =60.0%七、 爐子空載功率計(jì)算 爐子空載功率=31.5kW P空=31.5kW八、 功率的分配與接線連續(xù)加熱爐的爐膛長度較大，分為預(yù)熱

19、、加熱、保溫、冷卻等不同區(qū)段，各段功率大小不同，要分區(qū)獨(dú)立控制。本爐設(shè)計(jì)中，各區(qū)段功率分配為：20%，40%，20%，20%，則：P預(yù)熱=20%P安=154×20%=30.8kWP加熱=40%P安=154×40%=61.6kW P保溫=20%P安=154×20%=30.8kW P冷卻=20%P安=154×20%=30.8kW 由于四個(gè)區(qū)段功率均在2575kW內(nèi)，故四區(qū)段均采用三相380V星形接法，即Y接線方式。對于加熱區(qū)，計(jì)算其內(nèi)壁表面負(fù)荷：F加熱電=(2×0.62+0.9)×=3.26m2W加熱=18.90kW/m2 W加熱=18.

20、90kW/m2加熱區(qū)內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在1535 kW/m2之間，故設(shè)計(jì)符合要求。九、 電熱元件材料選擇及計(jì)算由最高使用溫度950，選用線狀0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用Y。（1）求950時(shí)電熱元件的電阻率t當(dāng)爐溫為950時(shí)，電熱元件溫度取1100，由附表12【7】得0Cr25A15在20時(shí)電阻率20=1.40mm2/m。電阻溫度系數(shù)=4×10-5-1，則1100下的電熱元件電阻率為t=20(1+t)=1.40×(1+4×10-5×1100)=1.46·mm2/m（2）確定電熱元件表面功率 由圖5-3【8】知，根據(jù)本爐子電熱元件工作條

21、件取W允=1.7W/cm2（3）每組電熱元件功率由于四個(gè)區(qū)段均采用Y接法，則各區(qū)段中每組元件功率分別為： = 10.3kW = 20.5kW = 10.3kW = 10.3kW（4）每組電熱元件端電壓由于采用Y接法，車間動(dòng)力電網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓為 = 220V（5）電熱元件直徑加熱區(qū)線狀電熱元件直徑為：=6.7mm取d加熱=7mm，同理可得：d預(yù)熱=5mm d保溫=5mm d冷卻=5mm（6）每組電熱元件長度和重量加熱區(qū)每組電熱元件長度為 =0.785×10-3× =62.20m同理可得其它各區(qū)段電熱元件長度為：L組預(yù)熱=63.16m L組

22、保溫=63.16m L組冷卻=63.16m加熱區(qū)每組電熱元件重量為 = ××62.20×7.1 =16.99kg同理可得其它各區(qū)段電熱元件重量為：G組預(yù)熱=8.80kg G組保溫=8.80kg G組冷卻=8.80kg（7）電熱元件的總長度和總重量電熱元件總長度為L總=3L組預(yù)熱+3L組加熱+3L組保溫+3L組冷卻=3×(63.16+62.20+63.16+63.16)=755.04m電熱元件總重量為G總=3G組預(yù)熱+3G組加熱+3G組保溫+3G組冷卻=3×(8.80+16.99+8.80+8.80)= 130.17kg（8）校核電熱元件表面負(fù)荷

23、 = = 1.50W/cm2同理可得其它區(qū)段各電熱元件表面負(fù)荷為：W實(shí)預(yù)熱=1.04 W/cm2 W實(shí)保溫=1.04 W/cm2 W實(shí)冷卻=1.04 W/cm2可以看出各區(qū)段W實(shí)均小于W允，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。（9）電熱元件在爐膛內(nèi)的布置將每區(qū)段3組電熱元件每組分為5折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則在加熱區(qū)段中，如下所示： = = =12.44m布置電熱元件的爐壁長度L= L 50 = 6100/4 50 = 1475 mm絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000，由表5-5【9】可知，螺旋節(jié)徑D=(46)d，取D=6d=6×7=42mm螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為N = = = 9

24、5圈h=L/N=1475/95=15.53mmh/d=15.53/7=2.22按規(guī)定，h/d在24范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。同理也可計(jì)算得，在其它三個(gè)區(qū)段h/d均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)計(jì)算，在加熱區(qū)段選用Y方式接線，采用d = 7mm所用電熱元件重量最小，成本最低。在其它三個(gè)區(qū)段中選用Y方式接線，采用d=5mm所用電熱元件最小，成本最低。電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti，=12mm，L= 500mm。十、 設(shè)計(jì)小結(jié)1、總結(jié)：通過上述的設(shè)計(jì)讓我了解到推桿式熱處理爐的設(shè)計(jì)的基本方法。上面分別對爐子的爐型及爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，同時(shí)對爐墻、爐底、爐頂爐襯等的結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對該電阻爐的基本結(jié)構(gòu)及構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的敘述及計(jì)算。在隨后的熱處理爐的功率計(jì)算中對爐子采用了平衡法進(jìn)行了核算，得到了爐子的正常工作功率，并計(jì)算了爐子的熱效率。在之后的功率分配核算中，其加熱區(qū)內(nèi)壁表面負(fù)荷為每平方米18.40千瓦，也屬于規(guī)定的范圍1535kW/m2之內(nèi)。在最后一節(jié)的電熱元件材料的選擇中，通過預(yù)選及核算