熱處理電阻爐設(shè)計

1、熱處理電阻爐設(shè)計1、 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一箱式電阻爐，計算和確定主要項(xiàng)目，并繪出草圖?；炯夹g(shù)條件：（1） 用途：碳鋼、低合金等的淬火、調(diào)質(zhì)以及退火、正火；（2） 工作：中小型零件，小批量多品種，最長0.8m；（3） 最高工作溫度為950；（4） 爐外壁溫度小于60.（5） 生產(chǎn)率：105Kg/h。設(shè)計計算的主要項(xiàng)目：（1） 確定爐膛尺寸；（2） 選擇爐襯材料及厚度，確定爐體外形尺寸；（3） 用熱平衡法計算爐子功率；（4） 選擇和計算電熱元件，確定其布置方法；（5） 寫出技術(shù)規(guī)范。2、 爐型選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)的特點(diǎn)，選用中溫（6501000）箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保護(hù)氣氛，為空氣介質(zhì)。3

2、、 確定爐膛尺寸1.理論確定爐膛尺寸（1）確定爐底總面積爐底總面積的確定方法有兩種：實(shí)際排料法和加熱能力指標(biāo)法。本設(shè)計用加熱能力指標(biāo)法來確定爐底面積。已知爐子生產(chǎn)效率P=105Kg/h。按教材表5-1選擇適用于淬火、正火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產(chǎn)率P0=100120Kg/（m2·h）。因此，爐子的爐底有效面積（即可以擺放工件的實(shí)際面積）F1可按下式計算：通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.750.85之間選擇。爐子小取值小值；爐子大取值大值。本設(shè)計取中值0.8，則爐底總面積F為：（2）確定爐膛的長度和寬度爐底長度和寬度之比在3/22之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的方便，

3、本設(shè)計取,則爐子爐底長度和寬度分別為：（3）確定爐膛高度爐膛高度和寬度之比在0.50.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大值。本設(shè)計取中值0.7，則爐膛高度為：2.確定實(shí)際爐膛尺寸為方便砌筑爐子，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（230×113×65mm），并考慮砌縫寬度（砌磚時兩塊磚之間的寬度2mm），上下磚體應(yīng)互相錯開以及在爐底方面布置電熱元件等要求，進(jìn)一步確定爐膛尺寸。依據(jù)理論計算的爐膛長度、寬度和高度，進(jìn)一步確定爐膛尺寸如下：注意：實(shí)際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。3.確定爐膛有效尺寸為避免熱處理工件與爐膛內(nèi)壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發(fā)生碰撞，應(yīng)使工件與爐

4、內(nèi)壁保持一定的距離。工件應(yīng)放置的爐膛的有效尺寸內(nèi)。爐膛有效尺寸確定如下：L效=1500mmB效=700mmH效=450mm4、 爐襯材料的選擇及其厚度的確定爐襯材料的選擇及其厚度的計算應(yīng)滿足在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，爐殼溫度小于60。由于爐子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱為綜合傳熱系數(shù)。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部分外壁對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)不同（見教材附表2），所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進(jìn)行計算。1. 爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算爐子的兩邊側(cè)墻和前后墻可采用相同的爐襯結(jié)構(gòu)，同時為簡化計算，將爐門看作前墻的一部分。

5、設(shè)爐墻的爐襯結(jié)構(gòu)如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是60mm厚、密度為350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和230mm厚的A級硅藻土磚（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4）。這種爐襯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿足墻外壁溫度小于60，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計算進(jìn)行驗(yàn)證。在爐墻內(nèi)壁溫度950、爐殼周圍空氣溫度20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐墻向周圍空氣散熱的熱流密度為：1） S1，S2，S3確定S1，S2，S3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的厚度（m）。 若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1，S2，S3得厚度為：； ； 。2），的確定，

6、分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/m·）；是爐殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出，和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度，爐墻外殼溫度。如圖所示：n 求輕質(zhì)粘土磚的平均熱導(dǎo)率查教材附表3，可得輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為：=0.485W/m·n 求硅酸鹽耐火纖維氈的平均熱導(dǎo)率硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據(jù)教材附表4查得，密度為350Kg/m3普通硅酸鹽耐火纖維氈700、1000的熱導(dǎo)率分別為0.121W/m·和0

7、.122W/m·。在7001000溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有：n 求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3，可得A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率為n 求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為55，周圍空氣為20時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：3)求熱流密度將以上數(shù)據(jù)代入求熱爐密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：4） 驗(yàn)算各界面和爐墻外殼溫度是否滿足設(shè)計要求n 輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：相對誤差為，滿足設(shè)計要求，不必重算。n 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：;相對誤差為，滿足設(shè)

8、計要求，不必重算。n 爐墻外殼溫度為：；因爐墻外殼溫度小于60，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實(shí)際計算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。2.爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐頂?shù)臓t襯結(jié)構(gòu)為：耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是厚度60mm、密度350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和厚度113mm的膨脹珍珠巖。在爐頂周圍內(nèi)壁溫度為950、爐殼周圍溫度20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐頂向周圍空氣散熱的熱流密度為：1）S1，S2，S3確定S1，S2，S3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的厚度（m）。 若考慮它們之間2mm的砌縫寬度

9、，則S1，S2，S3得厚度為：； ； 。2），的確定，分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率（W/m·）；是爐頂外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出，和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維和平膨脹珍珠巖之間的界面溫度，爐頂外殼溫度。n 的確定 查教材附表3，可得輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為：=0.486W/m·n 的確定硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據(jù)教材附表4查得，密度為350Kg/m3普通硅酸鹽耐火纖維氈700、1000的熱導(dǎo)率分別為0.121W/m

10、3;和0.122W/m·。在7001000溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有：n 的確定查教材附表3，可得膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率為=1.10W/m·n 的確定當(dāng)爐頂外殼溫度為55，周圍空氣為20時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：3)熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱爐密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：5） 驗(yàn)算各界面和爐頂外殼溫度是否滿足設(shè)計要求n 輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：相對誤差為，滿足設(shè)計要求，不必重算。n 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：;相對誤差為，滿足設(shè)計要求

11、，不必重算。n 爐頂外殼溫度為：；因爐墻外殼溫度小于60，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實(shí)際計算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐頂爐襯材料及其厚度。3. 爐底爐襯材料選擇及其厚度的計算設(shè)爐底的爐襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是（65+2）×3=201mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是厚度80mm、密度350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和（113+2）+（65+2）×2mm的A級硅藻土磚。在爐底內(nèi)壁溫度950、爐殼周圍空氣溫度20的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐底向周圍空氣散熱的熱流密度為： 1）S1，S2，S3確定S1，S2，S3分別是輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）、普通

12、硅酸鹽耐火纖維氈和膨A級硅藻轉(zhuǎn)的厚度（m）。 若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1，S2，S3得厚度為： ； 。2），的確定，分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻轉(zhuǎn)的平均熱導(dǎo)率（W/m·）；是爐爐底殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出，和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維和平膨脹珍珠巖之間的界面溫度，爐底外殼溫度。n 的確定 查教材附表3，可得輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為：=0.481W/m·n 的確定硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據(jù)教材附表4查得，密度為350Kg/m3

13、普通硅酸鹽耐火纖維氈400、700的熱導(dǎo)率分別為0.081W/m·和0.121W/m·。在400700溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有：n 的確定查教材附表3，可A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率為 =0.176W/m·n 的確定當(dāng)爐頂?shù)蜌囟葹?5，周圍空氣為20時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：3)熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱爐密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：6） 驗(yàn)算各界面和爐頂外殼溫度是否滿足設(shè)計要求n 輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：相對誤差為，滿足設(shè)計要求，不必重算。

14、n 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：;相對誤差為，滿足設(shè)計要求，不必重算。n 爐墻外殼溫度為：；因爐墻外殼溫度小于60，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實(shí)際計算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐頂爐襯材料及其厚度。5、 爐子外形尺寸的確定1）爐子外形長度爐子的外形長度為爐膛長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：1624+2×（115+60+232）=2438mm=2.438m2）爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：=793+2×（115+60+232）=1609mm=1.607m3）爐子外形高度爐子的外形高度有以下五部分組成（圖5

15、-8右圖）：爐墻高度、拱頂高度、爐頂厚度。爐底厚度和爐底預(yù)留安裝電熱元件所需的高度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐底厚度已經(jīng)求出。若陸主席采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R=B，則拱頂高度可由下式求出：為了方便砌筑，預(yù)留安裝電熱組件所需要的高度及爐底板厚度可取65+2=67mm。綜合以上五個部分的高度，爐子外形高度為：2. 砌體平均表面積的計算爐子砌體平均表面積的計算方法有兩種：算術(shù)平均值和幾何平均值。本設(shè)計采用幾何平均值計算法。此方法首先需要算出內(nèi)壁和外壁的面積。1）爐頂平均表面積的確定爐頂內(nèi)壁是弧面，內(nèi)壁面積為：爐頂外壁是平面，外壁面積為：則爐頂平均面積為：2）爐墻平均表面積的確定爐

16、墻包括兩側(cè)墻和前、后墻。為簡化簡化計算，將爐門視為前墻，則爐墻平均面積為：=5.92m23）爐底平均表面積的確定爐底平均面積為：=6、 爐子的主要能量消耗項(xiàng)熱平衡計算法是根據(jù)爐子的輸入總功率等于各項(xiàng)能量消耗總和的原則。來確定爐子功率的方法。1.爐子的主要能量所需要的熱量 1）加熱工件所需要的熱量由教材附表6查得，低合金鋼在950和20時的比熱容分別為：C950=0.636kJ/（kJ·），C20=0.486kW/（kg·），熱處理爐的生產(chǎn)率P=105kg/h,則加工所需要的熱量為；=62420.4 kJ/h2) 通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分

17、，有：=502.2×2.30+445.8×5.92+356.6×2.25=4596.5W=16547.4kJ/h3）開啟爐門的輻射熱損失這部分熱損失可由下式求得：式中C0黑體輻射系數(shù)F爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故；遮蔽系數(shù)。開啟的爐門是拉長的矩形，開啟高度為，它與爐墻厚度之比為，查教材圖1-14曲線1 得=0.63；爐門開啟率。設(shè)裝、出料所需時間為每小時6分鐘。則爐門開啟率為0.1；爐氣的熱力學(xué)溫度，為950+273=1223K；爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為20+273=293K,將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得：4）開啟爐門的溢氣熱損失對于

18、一般的箱式電阻爐，爐門開啟后要吸入冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需的熱量為該項(xiàng)熱損失，即有：式中爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高度的一半（零壓面在爐門開啟高度中分線）。由教材（58）式得：20冷空氣的密度，為1.29kg/m3；空氣在（即20950）溫度之間的平均比熱容。就本設(shè)計來說，是平均溫 度（950+2）/2=485的比熱容。查附表10可知，空氣在400、500的比熱 容分別為1.33302kJ/（m3·）和1.3440kJ/（m3·）?？烧J(rèn)為空氣比熱容在此 溫度區(qū)間的變化呈線性關(guān)系，即有：爐門開啟率，0.1。溢氣溫度（見教材74頁），近似

19、為： 將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為：5）其它熱損失此項(xiàng)熱損失包括未考慮的各種熱損失和一些不易精確計算的各種熱損失。就箱式電阻爐來說，該項(xiàng)熱損失可取以上各項(xiàng)熱損失之和的10%20%。本設(shè)計取15%，該項(xiàng)熱損失為：=0.15×（62420.4+16547.4+6514.90+26071.2）=16733.1kJ/h2. 爐子的理論輸入功率根據(jù)熱平衡計算法，在理論上爐子的輸入功率應(yīng)為上述各項(xiàng)能量消耗的總和，即： =62420.4+16547.4+6514.90+26071.2+16733.1=128287（kw/h）3. 爐子的安裝功率上面的爐子輸入功率（即各項(xiàng)能量消耗總和

20、）是維持爐子正常工作必不可少的熱量支出。但在實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮一些具體情況，如爐子長期使用后爐襯局部損壞會引起熱損失增加，電壓波動、電熱組件老化會引起爐子功率下降，有時工藝制度變更要求提高爐子功率。這些具體情況要求功率應(yīng)有一定的儲備，爐子的實(shí)際功率應(yīng)比理論計算功率大，因此爐子的安裝功率為：式中功率儲備系數(shù)，對周期作業(yè)爐，K=1.31.5。本設(shè)計可取1.4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得取爐子的安裝功率為54kW。7、 爐子熱效率的計算1.正常工作時的熱效率由教材512式得，爐子正常工作時的熱效率為：一般電阻爐的熱效率在30%80%之間。本設(shè)計的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè)計合理。2. 保溫時關(guān)閉爐門的

21、熱效率保溫關(guān)閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為：3.爐子空載功率的計算爐子空載時，能量消耗只有兩項(xiàng)：通過爐襯的散熱損失和其它熱損失，此時爐子的 功率為：八、功率的分配和接線方法爐子的安裝功率為54kW。電熱元件采用三相星形接法，也稱“Y”接法。即將電熱元件分為3組，每組18kW，爐墻兩側(cè)各布置1組電熱元件，爐底布置1組電熱元件。9、 校核爐膛內(nèi)壁表面負(fù)荷（選做）54KW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y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)荷在1535之間，常用2025kW/m3之間。表面負(fù)荷在常用的范圍2025kW/m3 之內(nèi)，故符合設(shè)計要求。十、電熱元件材料的選擇和理論計算1.電熱元件材料的選擇爐子的最高使用溫度為950，可選用0Cr25Al5（即FeCrAl）合金絲材，繞制成螺旋管狀作為電熱元件。2.爐膛950時電熱元件的電阻率爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高100200。當(dāng)爐膛溫度為950，電熱元件的溫度取1100。由教材附表12得，0Cr25Al5合金20時的電阻率，電阻溫度系數(shù),則1100時電熱元件的電阻率為： 3. 確定電熱元件的表面負(fù)荷由教材圖5