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辽宁工业大学课程（说明）书 辽 宁 工 业 大 学 热工过程与设备课程设计（说明书） 题目： 热处理箱式电阻炉的设计 （生产率260kg/h,功率30kw,温度≤600℃） 院（系）： 科学与工程学院 专业班级： 材料科学与工程072班 学 号： 070202042 学生姓名： 何立强 指导教师： 刘秉余 起止时间： 2010.12.28—2011.1.8 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：材料科学与工程学院 　　　　教研室：材料科学与工程 学 号 070202042 学生姓名 何立强 专业班级 材料072 课程设计（论 文）题 目 热处理箱式电阻炉的设计 生产率260kg/h，功率30kw/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260kg/h，功率30kw/h，工作温度≤600℃。 (一) 炉型选择 (二) 确定炉体结构与尺寸 (三) 砌体平均面积设计 (四) 计算炉子功率 (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) 炉子技术指标 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 目录 一、     炉型的选择 4 二、     确定炉体结构和尺寸 4 三、     砌体平均表面积设计 6 四、     计算炉子功率 7 五、     炉子热效率计算 10 六、     炉子空载功率计算 10 七、     空炉升温时间计算 10 八、     功率分配与接线 12 九、     电热元件材料选择与计算 12 十、     电热体元件图 14 十一、  电阻炉装配图 14 十二、  炉子技术指标 14 设计任务： 给某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件如下： (1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯以及零件的淬火、正火及调质处理，处理对象为小中型工件，无定型产品，处理的批量为多品种，小批量； (2)生产率：260 kg/ h； (3)工作温度：最高使用温度低于600℃； (4)生产特点：长时间连续，周期式成批装料生产。 一、炉型的选择 根据设计任务给出的生产特点，选用箱式热处理电阻炉，不通入保护气氛。 二、确定炉体结构和尺寸 1．炉底面积的确定 已知生产率为260kg/h，所选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积的生产率P0为240kg/(m2·h)，所以可以求得炉底有效面积 F=P/P0=260/240=1.08m2 根据有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75～0.85的关系，取系数的下限0.75，得炉底实际面积： F=F/0.75=1.08/0.75=1.44 m2 2．炉底长度和宽度的确定 设计时考虑到热处理箱式电阻炉装料出料的方便，选取L/B=2的关系，又结合其满足F=LB的关系，因此可求得 L=（ ）=（ ）=1.697m B=L/2=1.697/2=0.849m 结合砖尺寸，为方便砌砖，取L=1.624m，B=0.876m。 3．炉膛高度确定 通过查找手册资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.5～0.9之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.73左右，结合标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.642m。因此，确定炉膛尺寸如下 长 L=（230+2）×7=1624mm 宽 B=(120+2)×5+(65+2) ×4 =876 mm 高 H=(65+2)×9+37=640mm 为避免工件与炉内壁和电热元件搁砖相碰撞，在工件与炉膛内壁之间需要留出一定的间隙，所以确定工作室有效尺寸为: L效=1400mm B效=700mm H效=550mm 砌体结构如 图1所示： 图1 砌体结构示意图 4．炉衬材料及厚度的确定 侧墙、前墙及后墙的工作条件相同，采用相同炉衬结构，炉子在600℃以下工作，属于低温炉，其炉衬选用两层，耐火层采用轻质粘土砖加普通硅酸铝纤维毡组成 炉顶，炉底，炉门选择材料和炉墙材料保持一致。 炉底板材料选用高Cr铸铁，根据炉底实际尺寸给出，厚度为20mm。 在这里我们结合各种炉衬材料所能承受的最高温度、各种炉砖的尺寸以及理论计算，最终将耐火层的厚度定为230mm ,保温层的厚度定为140mm。 三、砌体平均表面积计算 砌体外廓尺寸的确定： L外 =L+2×(230+140)=2364mm B外 =B+2×(230+140)=1616mm H外 =H+2×(230+140)+f=1497mm 在上面的公式中，f为拱顶高度，这个炉子采用的是60°标准拱顶，取拱弧半径尺满足R=B=876mm，则f可由通过计算得f=R(1-cos30°)=B（1-cos30°）求得f=117mm。 1.炉顶平均面积 F顶内=（2πR/6）×L=1.489m2 F顶外=B外×L 外=3.820m2 F顶均= =2.385m2 2.炉墙平均面积 我们知道炉墙面积包括了侧墙、前墙和后墙，为了简化计算将炉门包括在前墙内 F墙内=2LH+2BH=3.200m2 F墙外=2H外（L外+B外）= 11.916m2 F墙均= =6.175m2 3.炉底平均面积 F底内=B×L=1.422m2 F底外=B外×L外=3.820m2 F底均= =2.331m2 四、计算炉子功率 1. 加热工件所需的热量Q件 工件在600℃和20℃时比热容分别为 C件1=0.486kJ/(kg·℃)，C件2=0.77 H/(kg·℃) Q件=p(C件2t1-C件lt0) =30×(0.77×600-0.486×20) =452.28kJ/h 2. 通过炉衬的散热损失Q散 首先，计算前墙、后墙及侧墙的散热损失。 在炉墙散热过程的计算过程中，我们首先需要假定界面上的温度及炉壳温度，在这里假定第二层界面温度t 墙=550℃，炉壳的温度t 墙=60℃则。 由轻质粘土砖砌成的耐火层S1的平均温度表示为ts1均= （600+550）/2=575℃ 由普通硅酸铝纤维毡组成的保温层S2的平均温度表示为ts2均= （550+60）/2=305℃ 通过差表格我们可以求出耐热层S1、保温层S2二层炉衬的热导系数分别为 λ1=2.09+0.00186ts1均 =2.09+0.00186×575=3.160W/(m·℃) λ2=0.29+0.00026ts2均=0.29+0.00026×305=0.369W/(m·℃) 当炉壳温度为60℃，室内温度为20℃时，经过近似计算可以得出综合系数： αΣ=12.11W/(m2·℃) (1)求热流 q墙 = =（600-20）/[（0.126/3.16）+（0.320/0.369）+（1/12.11）] =578.27W/m2 (2)计算各个交界面上的温度t2墙、t3墙 通过查找资料可以知道各个界面温度的计算公式， t2墙= =600-578.27×0.126/3.16=576.94℃ △=（t2墙-t 墙）/ t 墙=4.8%<5.0% 满足要求，进行接下来的运算 (3)验算炉壳温度t3墙 T3墙= =550-578.27×0.320/0.369 =48.520℃ 基本上满足一般热处理电阻炉表面温度<60℃的要求，所以我们的假设运算较为成功，可以进行接下来热量损失的计算。 (4)计算炉墙散热损失 Q墙散= q墙·F墙均=578.27×6.175=3570.82W 由于炉墙的热流密度与炉顶、炉底的热流密度存在一定的比例关系，为简便运算，节省时间，我们利用比例关系通过计算可以求得炉顶的热流密度q顶=319.1 W/m2，炉底的热流密度q底=430.4 W/m2。 所以可以求得炉顶和炉底的散热损失分别为 Q顶散= q顶·F顶均=319.10×2.385=761.1W Q底散= q底·F底均=430.40×2.331=1003.3W 综上，可以求出整个炉体散热损失 Q散= Q墙散+Q顶散+ Q底散=10128.82W=5335.22kJ/h 3.计算当开起炉子门的辐射热损失 设装出料每小时需要占用大约6min的时间， Q辐=3.6× 5.675FΦδt[ - ] 因为Tg =600+273=873 K，Ta =20+273=293K， 当箱式电阻炉在正常工作时，炉门开起的高度一般为炉门高度的一半，故 炉门开启面积F=B× =0.876× =0.280 m2 炉门开启率取δt=0.1 由于炉门开启后，辐射口为矩形，且 与B之比为0.32/0.876=0.365，炉门高度与炉墙厚度之比为0.32/0.370=0.86查得Φ=0.45 所以 Q辐=3.6×5.675FΦδt[ - ] =3.6×5.675×0.280×0.45×0.1×（5808.4-73.7） =1476.2KJ/h 4.开启炉门时的溢气热损失的计算 溢气热损失 Q溢=qvaρaCa（t -ta）δt 其中 qva=1997·B· =1997×0.876×0.32×0.57=319.1 m3/h 空气密度ρa=1.29 kg/m3 得Ca=1.358kJ/（m3·℃），又at=20℃ ，t 为溢气温度， t = （t -tg）+ ta = ×（600-20）+20=406.67℃ Q溢=qvaρaCa（t -ta）δt =319.1×1.29×1.358×（406.67-20）0.1 =21615.1kJ/h 5.其它热量损失的计算 其他热量损失通常为上述热损失之总和的10％～20％之间（这里我们选其为其热损失和的12%） 故Q它=0.12（Q件+Q散+Q辐+Q溢） =0.12（452.28+5335.22+1476.2+21615.1） =3465.456kJ/h 6.热量总输出的计算 其中Q辅=0，Q控=0， Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q损+Q溢+Q它 =452.28+0+0+5335.22+1476.2+21615.1+3465.456 =32344.256kJ/h 7.炉子的安装功率的计算 通过查找资料可以知道炉子的安装功率的计算公式为： P安= 其中K为功率的储备系数，该炉子的设计中我们的K取值为1．4，则 P安=（1.4×32344.256）/3600=29.07kw 与标准炉子的安装功率相比较，可以选取炉子功率为30kw。 五、箱式电阻炉热效率的计算 1．工作时的效率的计算 η= =452.28/32344.256=38.7％ 2．在保温状态下，当关闭炉门时的效率 η= Q件/[ Q总-（Q辐+Q溢）] =452.28/[32344.256-（1476.2+21615.1）] =41.2％ 六、炉子空载功率的计算 P空= =3.2kw 七、空炉升温时间的计算 由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，所以我们可以简化计算，将炉子侧墙、前墙、后墙和炉顶取相同数据计算，炉底砌砖方法由于不同，需要进行单独计算，因加热升高温度时炉子的底板也随炉升温，也应该计算在内。 1.炉墙及炉顶蓄热的计算 V侧轻=2×1.624×0.230×0.64=0.478 m3 V前·后轻=2×(0.876 +2×0.120)×0.230×0.64=0.328m3 V顶轻=1.624×0.876 ×0.120=0.171 m3 V侧保=2×(1.624+2×0.230)×0.64=0.644 m3 V前·后保=2×[0.876 +2(0.120+0.230)]×0.64=0.258 m3 V顶保=(1.624+2×0.230)×[0.876+2×(0.120+0.230)] =0.410m3 因为t轻=(t1+t2墙)/2=588.47℃ Q蓄= V轻ρ轻C轻(t轻-to)+Vρ保C保(t保-t0) 得 C轻 =0.649kJ/(kg·℃) t保=(t2墙+t3墙)/2=312.73℃ 得 C保=0.583kJ/(kg·℃) 所以得 Q蓄1= (V侧轻+ V前·后轻+ V顶轻)ρ轻C轻(t轻 -t0) +（V侧保+ V前后保+ V顶保）ρ保C保（t保 -t0） =705724kJ 2.炉底蓄热计算 V底保=（1.624+2×0.120）×（0.876+2×0.120）×0.120=0.249m3 V底轻=（1.624+2×0.120）×（0.876+2×0.120）×0.064=0.133m3 得 C底轻=0.84+0.25×10-3t底轻=0.683kJ/(kg·℃) t底保=417.45℃ 得 C底保= =0.449kJ/(kg·℃) 所以得 Q底蓄= V底保ρ耐C耐（t耐-t0）+ V底耐ρ轻C轻(t轻 -t0)+ V底轻ρ保C保（t保 -t0） =251192.6kJ 3. 炉底板蓄热的计算 在600℃和20℃时高合金钢的比热容通过查表可以知道分别为 C板1=0.473kJ/(kg·℃)和C板2= 0.779kJ/(kg·℃) 通过计算可以求出炉底板重量m=180kg，所以有 Q板蓄=m(C板2t1-C板1t0)=73017.2 kJ Q蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=705724+251192.6+73017.2=1029933.8kJ 得空炉升温时间 τ升=1029933.8/（3600×75）=2.1h 八、功率的分配与接线 在加热的过程中30kW的功率会均匀分布在炉侧墙两侧以及炉底，组成Y接线。供电电压为车间动力电网380V。在布置电热体内壁表面负荷时，对于周期式箱式电阻炉，内壁表面负击应控制在15～35kw/m2的范围内。 F电=2F电侧+F电底=2×1.624×0.64+1.624×0.876=3.15m2 W=P安/F电=30/3.15=9.57kw/m2 九、电热元件材料选择及计算 由最高使用温度600℃，所以选用故可选用线状0Cr15Ni60合金作为电热体元件，采用接线方式Y。 1.求600℃时电热元件的电阻率ρ 当炉子温度升高到600℃时，电热体元件温度应该达到700℃左右，通过查找资料可以知道0Cr15Ni60合金在20℃时电阻率ρ20=1.10Ω·mm2／m，电阻温度系数α=14×10-5℃-1， 则700℃下的电热体元件电阻率为： ρt = ρ20(1+αt)=1.40×(1+4×10-5×700)=1.47Ω·mm2/m 2.确定电热元件表面功率 根据本炉子电热体元件工作条件取W允=1.45W/cm2。 3.每组电热元件功率的计算 由于采用YY接法，即三相星形接法，每组元件功率 P组=30/n=30/3/2=20kw 4.每组电热元件端电压 由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，所以每组电热元件的路端电压为每相电压U组= =220V 5.电热元件直径的计算 线状电热元件直径 d=34.3 =4.21mm 取d=4.2mm 6.每组电热元件长度和重量的计算 每组电热元件长度 L组=0.785×l0-3(U组U组d2/P组ρt)=38.9 m 这里我们取其为39m 每组电热元件重量的计算 G组=（π/4）d2L组ρm ，式中的ρm=8.2g/cm2 所以得 G组=（π/4）d2L组ρm=5.8kg 7.电热元件的总长度和总重量的计算 电热元件总长度 L总=3L组=3×39=117m 电热元件总重量 G总=3G组=6×5.8=17.4kg 8.校核电热元件表面负荷的计算 W实=P组/πdL组=13.1W/cm2，其中W实规定

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