105KW中溫箱式電阻爐設(shè)計(jì)

熱解決設(shè)備設(shè)計(jì)闡明書設(shè)計(jì)題目105KW中溫箱式電阻爐設(shè)計(jì)佳木斯大學(xué)佳木斯大學(xué)目錄TOC\o\h\z1前言 11.1本設(shè)計(jì)目、意義 11.1.1本設(shè)計(jì)目 11.1.2本設(shè)計(jì)意義 11.2本設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 11.2.1技術(shù)規(guī)定 11.3熱解決爐發(fā)呈現(xiàn)狀 21.3.1國(guó)外熱解決行業(yè)能源運(yùn)用狀況 21.4國(guó)內(nèi)熱解決行業(yè)存在問(wèn)題 22設(shè)計(jì)闡明 32.1爐型選取 32.2擬定爐體構(gòu)造和尺寸 32.2.1依照經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子爐膛砌磚體內(nèi)腔尺寸L*B*H 32.2.2擬定工作室有效尺寸L效B效H效 32.2.3爐襯材料及厚度擬定 32.2.4砌體平均表面積計(jì)算 42.2.5爐頂平均面積 42.2.6爐墻平均面積 42.2.7爐底平均面積 42.3計(jì)算爐體熱散失 52.3.1求熱流量 52.3.2驗(yàn)算交界面上溫度t2墻t3墻 52.3.3驗(yàn)算爐殼溫度t4墻 62.4計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散 62.4.1計(jì)算爐墻散熱損失 62.4.2啟動(dòng)爐門輻射熱損失Q輻 62.4.3啟動(dòng)爐門溢氣熱損失Q溢 72.4.4其他熱損失Q它 72.4.5工件吸取熱量 72.5爐子生產(chǎn)率計(jì)算 72.5.1爐子生產(chǎn)率計(jì)算 72.5.2正常工作時(shí)效率 72.5.3保溫階段關(guān)閉爐門時(shí)效率 72.6爐子空載功率計(jì)算 82.7空爐升溫時(shí)間計(jì)算 82.7.1爐墻及爐頂蓄熱 82.7.2爐底蓄熱計(jì)算 82.7.3爐底板蓄熱 92.8功率分派與接線 92.9電熱元件材料選取及計(jì)算 102.9.1求950℃時(shí)電熱元件電阻率pt 102.9.2擬定電熱元件表面功率 102.9.3每組電熱元件功率 102.9.4每組電熱元件端電壓 102.9.5電熱元件直徑 102.9.6每組電熱元件長(zhǎng)度和重量 102.9.7電熱元件總長(zhǎng)度和總重量 102.9.8校核電熱元件表面負(fù)荷 112.9.9電熱元件在爐膛內(nèi)布置 112.10爐子技術(shù)指標(biāo) 113附錄 123.1裝配圖 123.2電阻絲 133.3電阻絲接線示意圖 144參考文獻(xiàn) 15前言本設(shè)計(jì)目、意義本設(shè)計(jì)目設(shè)計(jì)一臺(tái)電阻加熱爐，額定功率為105KW，使其加熱溫度在650℃-1000℃之間，周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)生產(chǎn)本設(shè)計(jì)意義通過(guò)本次熱解決爐設(shè)計(jì)，理解中溫?zé)峤鉀Q爐基本構(gòu)造，掌握熱解決爐設(shè)計(jì)基本辦法，熟悉熱解決爐在工廠中實(shí)際應(yīng)用以及進(jìn)一步純熟工程制圖辦法，為后來(lái)工廠實(shí)際奠定基本。本設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定技術(shù)規(guī)定1用途：中碳鋼，低合金鋼毛坯或零件淬火，正火及調(diào)質(zhì)解決，解決對(duì)象為中小型零件，無(wú)定型產(chǎn)品，解決批量為多品種，小批量。2額定功率：105KW3工作溫度：中溫（650℃4生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)生產(chǎn)。熱解決爐發(fā)呈現(xiàn)狀國(guó)外熱解決行業(yè)能源運(yùn)用狀況在國(guó)外推出熱解決節(jié)能辦法中，重要考慮就是改進(jìn)設(shè)備和革新工藝技術(shù)辦法，重要辦法有如下幾種方面：加強(qiáng)合理運(yùn)用熱能理論研究和實(shí)際應(yīng)用。采用直接控制爐內(nèi)氛圍碳勢(shì)、氮?jiǎng)?、氧?shì)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以獲得一定節(jié)能效果。采用新型保溫材料，可減少20%以上熱損失。采用直接加熱工件辦法，可減少蓄熱損失和輻射損失，也可有效節(jié)約能源。改進(jìn)料盤、夾具構(gòu)造，減輕耐熱鋼構(gòu)件重量，增長(zhǎng)強(qiáng)度，減少料盤夾具無(wú)效加熱損失。國(guó)內(nèi)熱解決行業(yè)存在問(wèn)題由于國(guó)內(nèi)工業(yè)起步較晚，現(xiàn)行熱解決裝備水平普遍落后，重要有如下幾種方面：設(shè)備負(fù)荷率低，裝爐量局限性。設(shè)備運(yùn)用率低。加熱設(shè)備落后。無(wú)效熱消耗多。工藝落后。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)熱解決工藝普遍落后，過(guò)于保守。設(shè)計(jì)闡明爐型選取依照設(shè)計(jì)任務(wù)給出生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用中溫箱式熱解決電阻爐，不通保護(hù)氛圍。擬定爐體構(gòu)造和尺寸依照經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子爐膛砌磚體內(nèi)腔尺寸L*B*H經(jīng)驗(yàn)公式：P安=Ct升0.5F0.9（T/1000）由于爐門為啟動(dòng)式，故散熱量較大，取C=30[(kw*h0.5)/(m1.8*℃1.55)],空爐升溫時(shí)間假定為4h，爐溫為T=1000℃，故105=30*4-0.5*F0.9*（1000/1000）1.55計(jì)算得F=8.69m依照爐膛面積計(jì)算公式F=2*B*H+2*L*H+B*L+2*∏*B*L*（60o/360o）(1)依照經(jīng)驗(yàn)普通有L=2BH=0.7B(2)依照(1)(2)式計(jì)算得L=2.05mB=1.03mH=0.72m依照原則熱解決爐磚尺寸（230mm*113mm*65mm）及在各方向上磚縫不能重疊，以保持其強(qiáng)度，必要用半塊磚，故取L=1.96mB=0.9mH=0.68m考慮每塊磚之間縫隙2mm,擬定最后尺寸L=(230+2)*8+(230*0.5+2)=1973B=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=9H=(65+2)*10+37=707擬定工作室有效尺寸L效B效H效為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定空間，擬定工作室有效尺寸為L(zhǎng)效=1700mmB效=700mmH效=500mm爐襯材料及厚度擬定由于側(cè)墻，前墻及后墻工作條件相似，采用相似爐襯構(gòu)造，即113mmQN-1.0輕質(zhì)黏土轉(zhuǎn)+50mm密度為250kg/m3普通硅酸鋁纖維氈+113mmB級(jí)硅藻土磚。爐頂采用113mmQN-1.0輕質(zhì)黏土磚+80mm密度為250kg/m3普通硅酸鋁纖維氈，+115mm膨脹珍珠巖。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)黏土磚（67*3）mm+50mm密度為250kg/m3普通硅酸鋁纖維氈+182mmB級(jí)硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門用65mmQN-1.0輕質(zhì)黏土磚+80mm密度為250kg/m3普通硅酸鋁纖維氈+65mmA級(jí)硅藻土磚。爐底隔磚采用重質(zhì)黏土磚，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，依照爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。砌體平均表面積計(jì)算L外=L+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2B外=B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=15H外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182=707+130+310+268+50+182=1647式中：f拱頂高度，此爐采用60o原則拱頂，取拱弧半徑R=B，則f可由f=R(1-cos30o)求得。爐頂平均面積F頂內(nèi)=2∏R/6*L=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025mF頂外=B外*L外=2.483*1.527=3.903mF頂均=√F頂內(nèi)*F頂外=√2.025*3.903=2.82m爐墻平均面積爐墻平均面積涉及側(cè)墻及先后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門涉及在前墻。F墻內(nèi)=2LH+2BH=2H（L+B）=2*0.707（1.973+0.967）=4.150mF墻外=2H外（L外+B外）=2*1.647（2.483+1.527）=13.39mF墻均=√F墻內(nèi)*F墻外=√4.15*13.39=7.45m爐底平均面積F底內(nèi)=B*L=0.967*1.973=1.93mF底外=B外*L外=2.483*1.527=3.90mF底均=√F底內(nèi)F底外=√1.93*3.9=2.74m2計(jì)算爐體熱散失由于爐子側(cè)壁和先后墻爐襯構(gòu)造相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)解決，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門涉及在前墻內(nèi)。依照公式Q散=t1-tn+1/∑Si/入iFi對(duì)于爐墻散熱，一方面假定界面上溫度及爐殼溫度，t2ˊ墻=780℃，t3ˊ墻=485℃，t4ˊ墻=耐火層S1平均溫度ts1均=（950+780）/2=865硅酸鋁纖維層S2平均溫度ts2均=（780+485）/2=632.5℃硅酸土磚層S3平均溫度ts3均=（485+60）/2=272.5S2S3層爐襯熱導(dǎo)率由附表3查得λ1=0.29+0.256*10-3ts1均=0.29+0.256*10-3*865=0.511W/（m·℃）λ3=0.131+0.23*10-3ts3均=0.131+0.23*10-3*272.5=0.194W/（m·℃）普通硅酸鋁纖維熱導(dǎo)率由附表4查得，在與給定溫度相差較小范疇內(nèi)近似以為其熱導(dǎo)率與溫度呈線形關(guān)系由ts2均=632.5℃得λ2=0.129W/（m·℃當(dāng)爐殼溫度為60℃室溫為20a∑=12.11W/（m·℃）求熱流量q墻=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/aξ）=（950-20）/（0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1）=730.4W/㎡驗(yàn)算交界面上溫度t2墻t3墻t2墻=t1-q墻*（s1/λ1）=950-730.4*（0.115/0.511）=788.6Δ=（t2墻-t2ˊ墻）/t2ˊ墻=（788.6-780）/780=1.1%Δ〈5%滿足設(shè)計(jì)規(guī)定不需要重算。t3墻=t2墻-q墻*（s2/λ2）=788.6-730.4*（0.05/0.129）=497.8Δ=（t3墻-t3ˊ墻）/t3ˊ墻=（497.8-485）/485=2.64%Δ〈5%滿足設(shè)計(jì)規(guī)定不需要重算。驗(yàn)算爐殼溫度t4墻t4ˊ墻=t3墻-q墻*（s3/λ3）=497.8-730.4*（0.115/0.194）=64.9℃〈滿足普通熱解決電阻爐表面升溫不大于50℃規(guī)定計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散=q墻*F墻均=730.4*7.45=5441.48W同理可以求得t2頂=844.3℃t3頂=562.6℃t4頂q頂=485.4W/㎡t2底=782.2℃t3底=568.5℃t4底q底=572.2W/㎡爐頂通過(guò)爐襯散熱Q頂散=q頂*F頂均=485.4*2.82=1368.83W爐底通過(guò)爐襯散熱Q底散=q底*F底均=572.2*2.74=1567.83W則整個(gè)爐體散熱損失（其中1W=3.6KJ/h）Q散=Q墻散+Q底散+Q頂散=5441.48+1368.83+1567.82=8378.13=30161.32KJ/h啟動(dòng)爐門輻射熱損失Q輻設(shè)裝出料所需時(shí)間為每小時(shí)6分鐘Q輻=3.6*5.765FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕Tg=950+273=1223KTa=20+273=293K由于正常工作時(shí)，爐門啟動(dòng)高度為爐膛高度一半，故爐門啟動(dòng)面積F=B*（H/2）=0.967*0.707/2=0.343m爐門啟動(dòng)率δt=6/60=0.1由于爐門啟動(dòng)后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.351/0.978=0.36，爐門啟動(dòng)高度與爐墻厚度之比為0.351/0.28=1.25，由圖1-14第一條線查得Φ=0.7故Q輻=5.675*3.6FΦδt〔（Tg/100）4-（Ta/100）4〕=5.675*3.6*0.343*0.1*0.7*（22372-73.7）=11406.62KJ/h啟動(dòng)爐門溢氣熱損失Q溢Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt近似以為qva=1997B*H/2=1997*0.978*0.351*√0.351=406.14冷空氣密度Ρa=1.29㎏/㎡有附表得Ca=1.342KJ/（㎡·℃）ta=20℃tˊgtˊg=ta+2/3（tg-ta）=20+2/3（950-20）=640Q溢=qvaΡaca（tˊg-ta）δt=406.14*1.29*1.342*（640-20）*0.1=43592.29KJ/h其他熱損失Q它普通其他熱損失為上述熱損失10%～20%則Q它=0.13（Q件+Q散+Q輻+Q溢）=0.13（Q件+30161.32+11406.62+43592.29）=0.13Q件+11070.83KJ/h工件吸取熱量由于爐子安裝功率為105KW，又P安=KQ總/3600其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐子設(shè)計(jì)中取K=1.4則P安=1.4Q總/3600=75KWQ總=105*3600/1.4=270000KJ/h得Q件=153777.82KJ/hQ它=31061.95KJ/h爐子生產(chǎn)率計(jì)算爐子生產(chǎn)率計(jì)算低合金鋼工件在650和20比熱容為C件2=0.770KJ/（㎏·℃）C件1=0.486KJ/（㎏·℃）由Q件=P（C件2t1-C件1t0）得P=Q件/（C件2t1-C件1t0）=153777.82/（0.77*650-0.486*20）=313.37K正常工作時(shí)效率η=Q件/Q總=153777.82/270000=56.95%保溫階段關(guān)閉爐門時(shí)效率η=Q件/Q總-Q輻-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%爐子空載功率計(jì)算P空=Q散+Q它/3600=（30161.32+31061.95）/3600=17KW空爐升溫時(shí)間計(jì)算由于所設(shè)計(jì)爐子耐火層相似，而保溫層蓄熱較少，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐子側(cè)墻、先后墻及爐頂按相似數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚辦法不同，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。因升溫時(shí)爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。爐墻及爐頂蓄熱V粘側(cè)=2*[1.973*（13*0.067+0.135）*0.115]=0.458mV粘先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.354V粘頂=0.97*（1.973+0.276）*0.05=0.251V纖側(cè)=2*[（1.973+0.115）*（13*0.067+0.135）*0.05]=0.187V纖先后=2*[（0.967+0.115*2）*（17*0.067+0.135）*0.05]=0.154V纖頂=1.071*（1.973+0.276）*0.08=0.193V硅側(cè)=2*[（13*0.067+0.135）*（1.973+0.115）*0.115]=0.484V硅先后=2*[1.43*（17*0.067+0.135）*0.115]=0.419V硅頂=2.3*1.43*0.115=0.378由式Q蓄=V粘p粘c粘（t粘-t0）+V纖p纖c纖（t纖-t0）+V硅p硅c硅（t硅-t0）其中t粘=（t1+t2墻）/2=（950+788.6）/2=869.3t纖=（t2墻+t3墻）/2=（788.6+497.8）/2=643.2t硅=（t3墻+t4墻）/2=（497.8+64）/2=281.3查附表3得C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.066KJ/（㎏·℃）C纖=0.81+0.28*10-3t纖=0.99KJ/（㎏·℃）C硅=0.84+0.25*10-3t硅=0.91KJ/（㎏·℃）因此得Q蓄1=（V粘側(cè)+V粘先后+V粘頂）p粘c粘（t粘-t0）+(V纖側(cè)+V纖先后+V纖頂)p纖c纖（t纖-t0）+(V硅側(cè)+V硅先后+V硅頂)p硅c硅（t硅-t0）=962391+82365+152300=1044908.3KJ爐底蓄熱計(jì)算V粘底=[4*（0.02*0.12+0.133*0.065）+（0.04*2+0.065）*0.113+（0.113*0.12）*2]*1.973+（1.43-0.115*2）*（2.3-0.115）*0.065=0.324V纖底=2.538*1.527*0.05=0.164V硅底=2.538*1.527*0.128=0.600由于t粘=（t1+t2底）/2=（950+782.2）/2=866.1t纖=（t2底+t3底）/2=（788.2+568.5）/2=675t硅=（t3底+t4底）/2=（568.5+53.7）/2=311查表得C粘=0.84+0.26*10-3t粘=1.065KJ/（㎏·℃）C纖=0.81+0.28*10-3t纖=0.999KJ/（㎏·℃）C硅=0.84+0.25*10-3t硅0.918KJ/（㎏·℃）因此得Q蓄底=V粘底Ρ粘C粘（t粘-t0）+V纖底Ρ纖C纖（t纖-t0）+V硅底Ρ硅C硅（t硅-t0）=399880KJ爐底板蓄熱依照附表6查得950℃和20別為0.670和0.473，經(jīng)計(jì)算爐底板重量為242KgQ蓄板=G（c板2t1-c板1t0）=242(636.5-9.46)=151743.6KJ得Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板=1044908.3+399880+151743.6=1596531.9KJ得升溫時(shí)間τ升=Q蓄/3600P安=4.22h對(duì)于普通周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在3-8小時(shí)內(nèi)均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合規(guī)定。功率分派與接線105KW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，構(gòu)成Y、△或YY、△△接線。供電電壓為車間動(dòng)力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對(duì)于周期作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15-35kW/m2之間，慣用為20-25kW/m2之間。F電=2F電側(cè)+F電底=2*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71W=P安/F電=105/4.71=22.29KW/㎡表面負(fù)荷在慣用范疇20-25kW/m2之內(nèi)，故符合設(shè)計(jì)規(guī)定。電熱元件材料選取及計(jì)算由最高使用溫度1000℃理論計(jì)算求950℃時(shí)電熱元件電阻率pt當(dāng)爐溫為950℃時(shí)，電熱元件溫度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃時(shí)電阻率p20=1.40Ω·mm2/m,電阻溫度系數(shù)a=4*10-5℃pt=p20（1+at）=1.46Ω·mm2/m擬定電熱元件表面功率由圖5-3，依照本爐子電熱元件工作系數(shù)取W允=3W/㎝2每組電熱元件功率由于接線方式采用YY，每組元件功率P組=105/n=105/（3*2）=17.5KW每組電熱元件端電壓由于接線方式采用YY，供電電壓為車間動(dòng)力電網(wǎng)380V，故每組電熱元件端電壓既為每組電壓U組=380/√3=220V電熱元件直徑由公式得d=34.3√P2組ρt/（U2組·W允）〕3=4.99㎜取d=5mm每組電熱元件長(zhǎng)度和重量L組=0.785*10-3（U2組d2）/（P組ρt）=37.18mG組=∏*d2L組ρm/4式中ρm由附表12查得ρm=7.1g/㎝2得G組電熱元件總長(zhǎng)度和總重量總長(zhǎng)度L總=6*L組=6*37.18=223.08m總重量G總=6*G組=6*5.18=31.08㎏校核電熱元件表面負(fù)荷W實(shí)=P組/（