箱式电阻炉设计修改版.docx
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箱式电阻炉设计修改版
佳木斯大学
热处理设备课程设计(说明书)
题目:
热处理箱式电阻炉的设计
(生产率110kg/h,温度≤600℃)
院(系):
材料科学与工程学院
专业班级:
金属一班
学号:
0907024104
学生姓名:
位来
指导教师:
高晶
起止时间:
2012-11-19~2012-12-10
课程设计任务及评语
院(系):
材料科学与工程 教研室:
金属
学号
0907024104
学生姓名
位来
专业班级
金属一班
课程设计题目
热处理箱式电阻炉的设计
生产率110kg/h,工作温度≤600℃
课程设计(论文)任务
设计任务:
设计热处理箱式电阻炉,生产率110kg/h
工作温度≤600℃
(一)炉型的选择
(二)确定炉体结构与尺寸
(三)砌体平均表面积计算
(四)计算加热炉功率
(五)炉子热效率计算
(六)炉子空载功率计算
(七)空炉升温时间计算
(八)功率分配与接线
(九)电热元件材料选择与计算
(十)电热体元件图
(十一)电阻炉装配图
(十二)炉子技术性能指标
(十三)参考文献
指导教师评语及成绩
成绩:
指导教师签字:
年月日
设计任务:
按工作要求可设计一台热处理电阻炉,其技术要求为:
(1)用途:
中低碳钢、合金钢毛坯或零件的淬火、正火处理,处理对象为中小型零件,无定型产品,处理批量为多品种,小批量;
(2)生产率:
110kg/h;
(3)工作温度:
最高使用温度≤600℃;
(4)生产特点:
周期式成批装料,长时间连续生产。
一、炉型的选择
根据设计任务给出的技术要求和生产特点,本设计宜选用箱式热处理电阻炉。
二、确定炉体结构和尺寸
1.炉底面积的确定
根据所学知识炉底面积用炉底强度来计算。
生产率为110kg/h,即可选择箱式炉用于淬火和正火时的单位面积炉底强度h为115kg/(m2·h),故可求得炉底有效面积
F1=P/h=110/115=0.96m2
K为有效面积与炉底总面积的比例系数,K=F/F1=0.75~0.85,我们取系数为0.84,则炉底实际面积:
F=F1/0.84=0.96/0.84=1.14m2
2.炉底长度和宽度的确定
考虑到工作时的状态,长度与宽度之比L/B=3:
2,因此可知B=930m,L=1310m。
又因为要考虑便于砌砖,根据标准砖尺寸,取L=1380mm,B=920mm。
3.炉膛高度的确定
炉膛高度可根据经验总结来计算,炉膛高度H与炉底宽度B之比H/B大约在0.8左右,本设计根据炉子工作条件并考虑利于辐射散热与对流传热等因素,这里取H/B=0.85,再根据标准砖尺寸,最终选定炉膛高度H=780mm。
因此,确定炉膛尺寸如下:
长L=230×8=1380mm,宽B=115×8=920mm,高H=65×12=780mm。
为使工件在炉内正确安置,应保证工件与炉膛内壁之间有一定的距离,确定工作室有效尺寸大约为
L效=1320mm,B效=860mm,H效=720mm。
4.炉衬材料及厚度的确定
分析箱式电阻炉内部环境,可知侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作环境类似,可采用相同的二层炉衬结构,即115mm耐火的轻质粘土砖加上150mm保温的膨胀蛭石。
轻质粘土砖使用牌号为QZ-13,密度为1.3g/cm3的。
膨胀蛭石的密度为0.2g/cm3。
炉底采用厚为115mm的搁砖和厚为65mm的轻质粘土砖以及保温填料砌成。
三、砌体平均表面积计算
砌体外廓尺寸如附图1所示:
根据公式可知,
L外=L+2×(115+150)=1910mm,
B外=B+2×(115+150)=1450mm,
H外=H+(115+150)+65+230+115+f=1579mm。
式中f--拱顶矢高,采用60°标准拱顶,拱弧半径R=B,则f=R(1-cos30°)=124mm。
1.炉顶平均面积
炉顶外面积:
F顶外=B外×L外=2.770m2
炉顶内面积:
F顶内=(2πR/6)×L=1.330m2
炉顶平均面积:
F顶均=
=1.919m2
2.炉墙平均面积
炉墙面积包括侧墙面积及前后墙面积,为简化计算将炉门包括在前墙内,则:
炉墙外面积:
F墙外=2H外(L外+B外)=2×1.579×(1.910+1.450)=10.611m2
炉墙内面积:
F墙内=2LH+2BH=2×1.380×0.780+2×0.920×0.780=3.588m2
炉墙平均面积:
F墙均=
=6.170m2
3.炉底平均面积
同理,可把底面近似实体,求出面积。
炉底外面积:
F底外=B外×L外=1.450×1.910=2.7695m2
炉底内面积:
F底内=B×L=0.920×1.380=1.2696m2
炉底平均面积:
F底均=
=1.875m2
四、计算炉子功率
炉子的功率本设计可采用热平衡法来计算。
1.加热工件所需的热量Q件
查阅相关文献[1]可知工件在600℃及20℃时比热容分别为C件2=0.682KJ/(kg·℃),C件1=0.494KJ/(kg·℃),得:
Q件=g(C件2t1-C件lt0)=110×(0.682×600-0.494×20)=43925.20kJ/h
2.加热辅助夹具所需的热量Q辅
根据公式
Q辅=5%Q件=0.05×43925.20=2196.26
3.通过炉衬的散热损失Q散
求炉墙散热损失,需假设炉壳内外温度和两层材料在界面上的温度,t1=600℃,t2=60℃,t界=520℃。
耐火层S1的平均温度:
t1均=(600+520)/2=560℃,保温层S2的平均温度:
t2均=(520+60)/2=290℃
轻质粘土砖的热导率[1]为
λ1=0.407+0.349×10-3×t1均=0.407+0.349×10-3×560=0.60244W/(m·℃)
膨胀蛭石的热导率,由t2均=290℃得
λ2=0.07+0.00025×t3均=0.07+0.00025×290=0.1425W/(m·℃)
当炉壳温度为60℃,室温为20℃时,可近似计算得αΣ=12.7W/(m2·℃)
a)计算热流
q墙=(600-60)/(S1/λ1+S2/λ2+1/αΣ)=(600-60)/(0.115/0.60244+0.15/0.1425+0.06)
=414W/m2
b)计算交界面上的温度t界
t界=
=600-414×0.115/0.60244=521℃,
求证中间温度是否合理,由于(521-520)/521=0.2%<5%,说明假设温度合理,不需要重新设定。
c)计算炉墙散热损失
炉墙散热损失:
Q墙散=q墙·F墙均=414×6.170=2554.38W
炉顶散热损失:
Q顶散=q墙·F顶均=414×1.919=794.47W
炉底散热损失:
Q底散=q墙·F底均=414×1.875=776.25W
则:
整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=4125.10W=14850.36KJ/h
4.计算开启炉门的辐射热损失
根据公式:
Q辐=3.6×5.675FΦδt[
-
]
其中Tg=600+273=873K,Ta=20+273=293K,炉门开启率δt=0.1;
炉子正常工作时炉门全开,根据实际情况和工作要求可设炉门宽b=320mm,高h=0.85b=272mm,则炉门开启面积:
F=b×h=0.320×0.272=0.08704m2
由于炉门开启后,辐射口为矩形,炉门高度与炉墙厚度之比为0.272/0.265=1.03,经文献[1]中图1可查得:
Φ=0.72
则:
Q辐=3.6×5.675FΦδt[
-
]
=3.6×5.675×0.08704×0.72×0.1×(5808.41-73.70)
=733.58KJ/h
5.计算开启炉门溢气热损失
计算溢气热损失的公式为:
Q溢=VC(ta-tb)δ
其中V为进入炉内的冷空气量,根据公式可近似V=2200b·h·h½=99.8679m3/h,C为空气在温度ta~tb之间的平均比热,即C=(1.181+0.435)/2=0.808。
ta=600℃,tb=20℃。
Q溢=VC(ta-tb)δ=99.8679×0.808×(600-20)×0.1=4680.21kJ/h
6.其它热量损失
其他热量损失约为散热损失的50%,故
Q它=0.5Q散=0.5×14850.36=7425.18kJ/h
7.计算热量总输出
因为Q控=0,则Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它
=43925.20+2196.26+0+14850.36+733.58+4680.21+7425.18
=73810.79kJ/h
8.炉子额定功率的计算
P额=
其中K为功率储备系数,本炉设计中K取1.5,则P额=(1.5×73810.79)/3600=31kw,与标准炉子相比较,取炉子功率为45kW。
五、炉子热效率计算
1.正常工作时的效率
η=
=43925.20/73810.79×100%=59.5%
2.在保温阶段,关闭炉门时的效率
η=Q件/[Q总-(Q辐+Q溢)]
=43925.20/[73810.79-(733.58+4680.21)]
=64.2%
六、炉子空载功率计算
P空=
=(14850.36+7425.18)/3600=6.19kW
七、空炉升温时间计算
本设计炉子的耐火层,保温层结构相似,由于个人知识所限,采用粗略计算。
将其近似看作箱体。
1.蓄热量的计算
V膛=780×920×1380+(π9202-9202/2)/4=0.99m3
V总=1579×1910×1450=4.373m3
V膛+耐=895×1150×1610+(π10352-10352/2)/4=1.658m3
V1=V膛+耐-V膛=1.658-0.99=0.668m3
V2=V总-V膛+耐=4.373-1.658=2.715m3
查阅资料可知耐火材料的重度ρ1=1.3×103kg/m3,保温材料的重度ρ2=0.2×103kg/m3。
设t耐,t保是耐火层和保温层在炉子工作时的平均温度。
C1,C2为耐火材料和保温材料在t耐,t保时的比热。
C01,C02为耐火材料和保温材料在室温下的比热。
可求得
Q蓄=V1ρ1(C1t耐–C01t0)+V2ρ2(C2t保–C02t0)
=0.668×1.3×103×[(0.836+0.263×103×560)×560-(0.836+0.236×103×20)
×20]+2.715×0.2×103×[0.6573×(290-20)]
=559938.1kJ
进而可得空炉升温时间τ升=559938.1/(3600×30)=5h
八、功率的分配与接线
根据设定的要求,电热元件可采用Y型接法。
即45kW的功率为三区,一根加热,每根原件功率为15KW,均匀分布在炉膛两侧及炉底,每根电热体的电压为220V。
炉膛电热元件内壁表面负荷为:
F电=2F电侧+F电底=2×1.320×0.720+1.320×0.860=3.0m2
W=P安/F电=45/3.0=15kW/m2
结果表明表面负荷率符合15kw/m2的要求。
九、电热元件材料选择及计算
因热处理炉的最高使用温度600℃,应选用Cr13Al4合金作电热元件。
1.计算600℃时电热元件的电阻率ρ
当炉温为600℃时,电热元件温度取600℃,查阅热处理手册可知Cr13Al4在20℃时电阻率ρ20=1.26Ω·mm2/m,电阻温度系数α=15×10-5℃-1,则600℃下的电热元件电阻率:
ρt=1.26mm2/m
2.确定电热元件表面功率
由炉子的使用温度可取W允=5.6W/cm2。
3.每组电热元件功率
采用Y接法,每组元件功率:
P组=45/n=45/3=15kW
4.每组电热元件端电压
Y接法,动力电压为380V,故每组电热元件端电压为U组=
=220V
5.电热元件直径
线状电热元件直径:
d=34.3
=3.48mm取d=3.5mm
6.每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度为:
L组=0.785×l0-3(U组2d2/P组ρt)=24.626m取24.63m
每组电热元件重量:
G组=(π/4)d2L组ρm
式中--ρm由热处理工艺手册查得ρm=7.4g/cm2,所以可得:
G组=(π/4d2)L组ρm=1.75kg
7.电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度由公式可得L总=3L组=3×24.63=73.89m
电热元件总重量由公式可得G总=3G组=3×1.75=5.25kg
8.校核电热元件表面负荷
W实=P组/πdL组=0.06W/cm2
W实 9.电热元件在炉膛内的布置 依炉膛尺寸确定在炉子侧墙和炉底各安置一组电热体,每个电热体来回四折安装,因此 L折=D/4=24.63/4=6.16m L′=L-60=1380-50=1330mm 螺旋节径D=(6-8)d,本设计取D=7d=7×3.5=24.5mm取D=25mm。 N=L折/πD=6.16/(3.14×25)=79 H=L′/N=1330/79=17 根据要求h/d=2.4,符合设计要求。 因此选用Y方式接线,采用d=3.5mm所用电热原件。 电热元件节距h在安装时适当调整,炉口部分增大功率。 十、电热体元件图 见附图1中图1。 十一、电阻炉装配图 见附图1中图2,图3。 十二、电阻炉技术指标 额定功率: 45kw额定电压: 380V最高使用温度: 600℃生产率: 150kg/h相数: 3接线方法: 星型工作室有效尺寸: 1320mm×860mm×720mm 外形尺寸: 1910mm×1450mm×1579mm 参考文献 [1]安继儒.《热处理工艺规范数据手册》.北京: 化学工业出版社,2009.3. [2]委员会.《筑炉工程手册》.北京: 冶金工业出版社,2007.1. [3]刘人达.《冶金炉热工手册》.北京: 冶金工业出版社,2002.3. [4]孙茂星.《热处理工程与工艺》.北京: 机械工业出版社,1999.12. [5]吴德荣.《工业炉及其节能》.北京: 机械工业出版社,1995. [6]刘校曾.《热处理炉及车间设备》.北京: 机械工业出版社,1985. [7]编委会.《电阻炉设计手册》.北京: 冶金工业出版社,1959.12. 附图2 图1螺旋状电热体结构 图2丝状电热体在炉墙上的安装图3丝状电热体在炉底的安装 附图2 图4箱式炉结构示意图 1电热体2炉壳3炉门4炉底搁砖5轻质粘土砖 附图3 图5低温电阻炉结构图
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