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文檔簡介
1、2020/8/3,1,熱處理電阻爐設(shè)計計算舉例,重 點: 設(shè)計方法與步驟 教學(xué)要求:掌握箱式電阻爐的設(shè)計內(nèi)容、方法與步驟。,58 熱處理電阻爐設(shè)計計算舉例,一、設(shè)計任務(wù),為某廠設(shè)計一臺熱處理電阻爐,其技術(shù)條件為: (1)用途:中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調(diào)質(zhì)處理。處理對象為中小型零件,無定型產(chǎn)品,處理批量為多品種,小批量; (2)生產(chǎn)率:160kg/h; (3)工作溫度:最高使用溫度950; (4)生產(chǎn)特點:周期式成批裝料,長時間連續(xù)生產(chǎn)。,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法。已知生產(chǎn)率p為160kg/h,按表51選擇箱式爐用于正火
2、和淬火時的單位面積生產(chǎn)率p0為120kg/(m2h),故可求得爐底有效面積,二、爐型的選擇,根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)特點,擬選用箱式熱處理電阻加熱爐,不通保護氣氛。,三、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸,有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1/F=0.750.85,取系數(shù)上限,得爐底實際面積,根據(jù)標準磚尺寸,為便于砌磚,取L =1.741m, B=0 .869m。,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=2:1,而F=LB=0.5L2,因此,可求得,見圖示,2爐底長度和寬度的確定,3爐膛高度的確定 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)爐子工作條件,取H/B=0.7左右
3、,根據(jù)標準磚尺寸,選定爐膛高度H=0.640m。 因此,確定爐膛尺寸如下:,爐底支撐磚厚度,拱角磚矮邊 高度,爐底擱磚寬度,磚 縫,長度,磚長,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=1500mm ; B效=700 mm; H效=500mm,4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113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+ 113mrnB級硅藻土磚。 爐頂 采用113mmQN 1. 0輕質(zhì)粘土磚十80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十11
4、5mm膨脹珍珠巖。 爐底 采用三層QN1.0輕質(zhì)粘土磚(67 3)mm + 50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。 爐門 用65mmQN1.0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。(注67=65+2,2是磚縫的寬度。),四、砌體平均表面積計算,爐底板材料選用CrMnN耐熱鋼,根據(jù)爐底實際尺寸給出,分三塊或四塊,厚20mm。,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十2BH= 2H(L十B) =20.640(1
5、.741+0.869) =3 .341m2 F墻外=2H外(L外+B外)=21.566 (2.360+1.490) =12 .058m2,爐頂平均面積,2爐墻平均面積,五、計算爐子功率 1根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率 由式(514),取式中系數(shù)C=30(kWh0.5)/(m1.8C1.55),空爐升溫時間假定為升= 4h,爐溫t =950,爐膛內(nèi)壁面積F壁,由經(jīng)驗公式法計算得P安75 (kW),(1)加熱工件所需的熱量Q件 由附表6得,工件在950及20時比熱容分別為 C件2 = 0. 63kJ/(kg ) , C件1=0.486kJ/(kg), 根據(jù)式(51) Q件= P(C件2 t1C件1t
6、o) =160 (0.63950-0.486 20) =95117kJ/h ( p每小時裝爐量),(2)通過爐襯的散熱損失Q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,將爐門包括在前墻內(nèi)。,2根據(jù)熱平衡計算爐子功率,耐火層S1的平均溫度 ts1均=(950+780)/2=865, 硅酸鋁纖維層S2的平均溫度 ts2均=(780+485)/2=632.5, 硅藻土磚層S3的平均溫度 ts3均=(485+60)/2=272.5, S1、S3層爐襯的熱導(dǎo)率由附表3得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均 =0.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m)
7、 3=0.131+0.23 10-3 ts3均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(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= 632.5 ,得 2=0 .129W/ ( m),當爐殼溫度為60,室溫為20時,由附表2經(jīng)近似計算得=12. 17W /(m2) (綜合傳熱系數(shù)) 求熱流,驗算交界面上的溫度t2墻、t3墻,滿足一般熱處理電阻爐表面溫升50的要求。室溫20 ,驗算爐殼溫度t4墻,計算爐墻散熱損失 Q墻散=q墻F墻均=730 .4 6.25=4562.5W 同理可以求得 t2頂=844
8、.39; t3頂=562 .6 ; t4頂=53; q 頂= 485 .4 W/m2,t2底=782 .2,t3底568 .54,t4底=53.7, q底=572 . 2 W/m2 爐頂通過爐襯散熱 Q頂散=q頂F頂均=485.42.29=1111.6 W 爐底通過護襯散熱 Q底散=q底.F底均=572.2 2.23=1276 W,整個爐體散熱損失 Q散=Q墻散+Q頂散十Q底散 =4562 .5+1111 .6+1276 =6950 .1w (因為1W=3.6kJ/h) 所以 Q散 =3.6 6950.1=25020 .4kJ/h,(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
9、據(jù)式(56),式中:C黑體輻射系數(shù); F爐門開啟面積或縫隙面積(m); 3.6系數(shù);爐口遮蔽系數(shù); t爐門開啟率(即平均1小時內(nèi)開啟的時間),對常開爐門或爐壁縫隙而言t=1。,由于爐門開啟后,輻射口為矩形,且H/2與B之比為 0.32/0.869= 0.37,(可看出此為一拉長的矩形),爐門開啟高度與爐墻厚度之比為H/S=0.32/0.28=1.14,由圖114第1條線查得=0.7,故,0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m),圖1-14,(4)開啟爐門溢氣熱損失 溢氣熱損失由式(57 Q吸 )得 Q溢 =qVC(tg t)t 其中,qV由式(58
10、 qva=1997BH )得,(5)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) =0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713) =23346 .1 kJ/h,(6)熱量總支出 其中Q輔=0,Q控=0,由式(5l0)得 Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+Q它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h,與標準爐子相比較,取爐子功率為75kW。,(7)爐子安裝功率,1正常工作時的效率 由式(512),2.在保溫階段,關(guān)閉爐門時的效率,六、爐子熱效率計
11、算,七、爐子空載功率計算,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,由式(59),得:,蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22(C2t2-C2t0)(kJ) (59),爐底蓄熱計算,查附表3得,3爐底板蓄熱 根據(jù)附表6查得950和20時高合金鋼的比熱容分別為C板2 = 0 . 670kJ/( kg )和C板1 =0.473kJ/(kg)。經(jīng)計算爐底板重量G=242kg,所以有,Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=
12、242(636.5-9.46)=151743.6kJ,對于一般周期作業(yè)爐,其空爐升溫時間在3-8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)。,由式(513)得空爐升溫時間,Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板 =1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ,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)380 V 。 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20 25kw/m2之間。,表面負荷在20 25kW/m
13、2常用的范圍之內(nèi),故符合設(shè)計要求。,九、功率的分配與接線,1圖表法 由附表15查得0Cr25A15電熱元件75kW箱式爐YY接線,直徑d = 5mm時,其表面負荷為1. 58W/cm2。每組元件長度L組=50.5m,總長度L總 = 303. 0m,元件總重量G總=42 .3kg,2、理論計算法 (1)求950時電熱元件的電阻率t 當爐溫為950時,電熱元件溫度取1100,由附表12查得0Cr25A15在20時電阻率20=1.40mm2/m,,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YY。,十、電熱元件材料選擇及計算,(4)每組電熱元件端電壓 由于采用YY接法,
14、車間動力電網(wǎng)端電壓為380V,故每組電熱元件端電壓即為每相電壓,(3)每組電熱元件功率 由于采用YY接法,即三相雙星形接法,每組元件功率,(2)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/Cm,電阻溫度系數(shù)=410-5-1,則1100下的電熱元件電阻率為 t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m,(7)電熱元件的總長度和總重量 電熱元件總長度由式(527)得 L總=6L組 =652.07=312.44m 電熱元件總重量由式(528)得 G總 = 6 G組=67 .26 = 43 .56kg,式中,M由附表12查得M =7. 1g/c
15、m2 所以得,所需電熱元件總長度和總重量為 L總= nL (m) (5-27) G總= nG (kg) (5-28),(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,布置電熱元件的爐壁長度 L=L50=1741-50=1691 mm 絲狀電熱元件繞成螺旋狀,當元件溫度高于1000,由表55可知,螺旋節(jié)徑D=(46)d, 取D=6d=65=30mm 螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為,h=L/N=1691/138=12.3mm h/d=12.3/5=2.46 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YY方式接線,采用d = 5mm所用電熱元件重量最小,成本最低。 電熱元件節(jié)距h在安裝時適當調(diào)整,爐口部分增大功率。 電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti, =12mm, L= 500mm。 十一、爐子構(gòu)架、爐門啟閉機構(gòu)和儀表圖(略)。 十二、爐子總圖( ),主要零部件圖
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