热处理设备设计
说明书
设计题目 学 院 年 级 专 业 学生姓名 学 号 指导教师
750℃80kg/h的箱式电阻炉设计
金属材料工程
目 录
1 前 言 . ............................................................................................................................................................. 1
1.1 本设计的目的 ...................................................................................................................... 1 1.2 本设计的技术要求 .............................................................................................................. 1
2 设计说明 . ......................................................................................................................................................... 2
2.1 确定炉体结构和尺寸 .......................................................................................................... 2 2.1.1 炉底面积的确定 . .......................................................................................................... 2 2.1.2 确定炉膛尺寸 . .............................................................................................................. 2 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定 . .............................................................................................. 3 2.2 砌体平均表面积计算 .......................................................................................................... 3 2.2.1 炉顶平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.2 炉墙平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.3 炉底平均面积 . .............................................................................................................. 4 2.3 根据热平衡计算炉子功率 .................................................................................................. 4 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件 ............................................................................................ 4 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散 ............................................................................................ 4 2.3.3 开启炉门的辐射热损失 . .............................................................................................. 6 2.3.4 开启炉门溢气热损失 . .................................................................................................. 6 2.3.5 其它热损失 . .................................................................................................................. 6 2.3.6 热量总支出 . .................................................................................................................. 7 2.3.7 炉子安装功率 . .............................................................................................................. 7 2.4 炉子热效率计算 .................................................................................................................. 7 2.4.1 正常工作时的效率 . ...................................................................................................... 7 2.4.2 在保温阶段,关闭时的效率 . ...................................................................................... 7 2.5 炉子空载功率计算 .............................................................................................................. 7 2.6 空炉升温时间计算 .............................................................................................................. 7 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热 . .......................................................................................................... 7 2.6.2 炉底蓄热计算 . .............................................................................................................. 8 2.6.3 炉底板蓄热 . .................................................................................................................. 9 2.7 功率的分配与接线 .............................................................................................................. 9 2.8 电热元件材料选择及计算 .................................................................................................. 9 2.8.1 图表法 . .......................................................................................................................... 9 2.8.2 理论计算法 . ................................................................................................................ 10 2.9 炉子技术指标(标牌) .................................................................................................... 11
1 前 言
1.1 本设计的目的
设计750℃80kg/h的箱式电阻炉设计
1.2 本设计的技术要求
设计一台高温电阻炉,其技术条件为:
(1). 用途:中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。 (2). 工件:中小型零件,无定型产品,处理批量为多品种,小批量; (3). 最高工作温度:750; (4). 生产率:80kg/h;
(5). 生产特点:周期式成批装料,长时间连续生产。
2 设计说明
2.1 确定炉体结构和尺寸 2.1.1 炉底面积的确定
因无定型产品,故不能使用实际排料法确定炉底面积,只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=80,箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P 0为120kg/(m2·h) 。故可求的炉底的有效面积
F1=P/P0=2/3 m2
由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.78~0.85,取系数上限,得炉底实际面积
F=F1/0.8=5/6 m2 2.1.2 确定炉膛尺寸
由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取 L/B=2:1 因此,可求的: L=F /0. 5=/3 m B=L/2=
15
m 23
35
m 103
577
180
按统计资料,炉膛高度H 与宽度B 之比H/B通常在0.5~0.9之间,根据炉子的工作条件,取H/B=0.6左右。则H= 因此:
F壁=2×(L×H)+(L×B)+2(B×H)+2×3.14×B ×1/6×L=
由经验公式可知: P安=Cτt=750℃。
所以 30×4-0.5×0.041×800.9×(1200/1000)1.55= P安 解得,P=30.3 KW
则 L=1.291m B=0.646m H=0.387m 根据标准砖尺寸,为便于砌砖,取 L=1.277m B=0.664m H=0.372m
可以确定炉膛尺寸如下
-0.5
升
F 0.9(t/1000)1.55
升
取式中系数C=30〔(kM·h 0.5)/(m1.8·℃1.55) 〕, 空炉生温时间假定问τ=4h,炉温
L=(230+2)×5+(230×0.5+2)=1277mm B=(120+2)×4+(40+2)+(65+2)×2=664mm H=(65+2)×5+37=372mm
确定为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞,应使工件与炉膛内壁之间有一定 空间,确定工作室有效尺寸为 L效=1100 mm B效=500 mm H效=280 mm 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似,采用相同炉衬结构,即113mmQN -1.0轻质粘土砖+50mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB 级硅藻土砖。
炉顶采用113mmQN -1.0轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维毡+115mm 膨胀珍珠岩。
炉底采用三层QN -1.0轻质粘土砖(67×3)mm +50mm 的普通硅酸铝纤维毡+182mmB 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。
炉门用65mm QN-1.0轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA 级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质粘土砖,电热元件搁砖选用重质高铝砖。
炉底板材料选用Cr -Mn -N 耐热钢,根据炉底实际尺寸给出,分三块或四块,厚20mm 。
2.2 砌体平均表面积计算
L 外=L+2×(115+50+115)=1837mm B 外=B+2×(115+50+115)=1224mm H 外=H+f+(115+80+115)+67×4+50+182 =372+89+310+268+50+182 =1271mm
式中:f =——拱顶高度,此炉子采用60°标准拱顶,取拱弧半径R =B ,则f 可由f =
R (1-cos30°)求得。
2.2.1 炉顶平均面积
F 顶内=
2πR 2⨯3. 14⨯0. 664
×L =×1.277=0.887 m2 66
F 顶外=B 外×L 外=1.224×1.837=2.285 m2
F 顶均=F 顶内·F 顶外=0. 887⨯2. 285=1.424 m2
2.2.2 炉墙平均面积
炉墙面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前墙内。 F 墙内=2LH +2BH =2H (L +B )=2×0.372×(1.277+0.664)=1.444m2
F 墙外=2H 外(L外+B 外) =2×1.271×(1.837+1.224)=7.769m2
2
F 墙均=F 墙内·F 墙外=. 444⨯7. 769=3.349m
2.2.3 炉底平均面积
F 底内=B ×L =0.664×1.277=0.848m 2 F 底外=B 外×L 外=1.224×1.837=2.248m2
2F 底均=F 底内· F 底外=0. 848⨯2. 248=1.381m
2.3 根据热平衡计算炉子功率 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件
查表得,工件在750℃及20℃时比热容分别为c 0.486kJ/(kg·℃)
Q 件=p(c件2t 1-c 件1t 0) =80×(0.624×750-0.486×20) =36662.4kJ/h 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散
由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似,故作统一数据处理,为简化计算,将炉 包括在前墙内。 根据式 Q散=
t 1-t n +1
n
s i ∑i =1λi F i
件2
=0.624kJ/(kg·℃) ,c
件1
=
对于炉墙散热,首先假定界面上的温度及炉壳温度,t ’2墙=620℃,t ’3墙=
360℃, t ’4墙=60℃则
耐火层s 1的平均温度t s1均=
750+620
=685℃,硅酸铝纤维层s 2的平均温度t s2均=2
620+360360+60
=490℃,硅藻土砖层s 3的平均温度t s3均==210,s 1、s 3层炉衬的热22
导率由附表3得
λ1=0.29+0.256×10-3t s1均=0.465W/(m·℃) λ3=0.131+0.23×10-3t s3均=0.119W/(m·℃)
普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得,在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系,由t s2均=490℃,得 λ2=0.100W/(m·℃)
当炉壳温度为60℃,室温为20℃时,由附表2近似计算得αΣ=12.17 W/(m·℃) (1)求热流
t g -t a
q 墙=s s 2s 31 1
+++λ1λ2λ3a ∑
=
750-20
0. 1150. 050. 1151
+++
0. 4650. 1000. 17912. 17
=496.4W/ m2 (2)验算交界面上的温度t 2墙,t 3墙
t 2墙=t1-q 墙Δ=
s 1
=627.3℃ λ1
t 2墙-t 2墙' 627. 3-620
==1.16% t 2墙' 627. 3
Δ
t 3墙=t2墙-q 墙 Δ=
s 2
=379℃ λ2
t 3墙-t 3墙' 379-360
==4.7% t 3墙' 379
Δ
t 4墙=t3墙-q 墙
s 3
=60.7℃
满足一般热处理电阻炉表面升温
Q墙散=q 墙·F 墙均=496.4×3.349=1662.4W 同理可以求得
t 2顶=646.9℃, t3顶=296.9℃, t4顶=55.63℃, q顶=419.6 W/ m2 t 2底=618.4℃, t3底=446.7℃, t4底=44.3℃, q底=301.5 W/ m2 炉顶通过炉衬散热
Q顶散=q 顶·F 顶均=597.5 W 炉底通过炉衬散热
Q 底散=q 底·F 底均=624.1 W
整个炉体散热损失
Q散=Q 墙散+Q 顶散+Q 底散
=1662.4+597.5+624.1
=2884 kJ/h
2.3.3 开启炉门的辐射热损失
设装出料所需时间为每小时6分钟 Q 辐=3.6×5.675F φδt[(
Tg 4Ta 4
)-()] 100100
因为Tg =750+273=1023K ,Ta =20+273=293K , 由于正常工作时,炉门开启高度为炉膛高度的一半,故 炉门开启面积F =B ×
0. 372H
=0.664×=0.124 m2
22
炉门开启率δt =
6
=0.1 60
H
与B 之比为0.186/0.664=0.28,炉门开启高度与2
由于炉门开启后,辐射口为矩形,且炉墙厚度之比为
0. 186
=0.664,由图1-14第1条线查得φ=0.6,故 0. 28
Tg 4Ta 4
)-()] 100100
120342934
)-()]
100100
Q辐=3.6×5.675F φδt[(
=3.6×5.675×0.124×0.1×0.6×[( =1654kJ/h 2.3.4 开启炉门溢气热损失
溢气热损失由下式得
Q溢=qv a ρa c a (t’g -t a ) δt 其中,qv a =1997B ·
H H
·=1997×0.664×0.186×. 186=106.4 m3/h 22
冷空气密度ρa =1.29kg/ m3, 由附表10得c a =1.342kJ/( m3·℃),t a=20℃, t’g 为溢气温度,近似认为t ’g =t a +
Q
kJ/h
2.3.5 其它热损失
其它热损失约为上述热损失之和的10%~20%,故 Q 它=0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=7023.1 kJ/h
溢
22
(t’g -t a ) =20+(750-20)=506.7℃ 33
=qv a ρa c a (t’g -t a ) δt =106.4×1.29×1.342×(750-20) ×0.1=8964.9
2.3.6 热量总支出
其中Q 辅=0,Q 控=0,由下式得 Q 总=Q 件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它 =57188.4 kJ/h 2.3.7 炉子安装功率
P 安=
KQ 总
3600
其中K 为功率储备系数,本炉设计中K 取2,则 P安=
2⨯57188. 4
=31.8kW
3600
与标准炉子相比较,取炉子功率为35kW 。
2.4 炉子热效率计算 2.4.1 正常工作时的效率
η=
Q 件
=64.1% Q 总
2.4.2 在保温阶段,关闭时的效率
η=
2.5 炉子空载功率计算
P空=2.6 空炉升温时间计算
由于所设计炉子的耐火层结构相似,而保温层蓄热较少,为简化计算,将炉子侧墙 和前后墙及炉顶按相同数据计算,炉底由于砌砖方法不同,进行单独计算,因升温时炉底板也随炉升温,也要计算在内。 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热
V 粘=2×[1.277×(12×0.067+0.135)×0.115]=0.276m3
V 粘=2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.248m3 V 粘=0.97×(1.277+0.276)×0.115=0.173m3
顶前·后侧
Q 件
=78.7%
Q 总-(Q 辐+Q 溢)
Q 散+Q 它5188. 6+12749. 7
==2.75 kW
36003600
V 纤=2×[(1.277+0.115)×(12×0.067+0.135)×0.05]=0.131m3 V 纤=2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.05]=0.108m3 V 纤=1.071×(1.277+0.276)×0.08=0.108m3
V 硅=2×[ (12×0.067+0.135)×(1.277+0.115)×0.115]=0.301m3 V 硅=2×[1.43×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.397m3 V 硅≈2.3×1.43×0.115=0.378 m3
c 粘(t粘-t 0)+V纤ρ纤c 纤(t纤-t 0)+ V硅ρ
750+627. 3
2因为t 粘=(t1+t2墙)/2==688.65℃
粘
顶前·后侧顶前·后
侧
Q 蓄=V 粘ρ
硅
c 硅(t硅-t 0)
查附表3得
c粘=0.84+0.26×10-3t 粘=0.84+0.26×10-3×688.65=1.014 kJ/(kg·℃) t纤=(t 2墙+t 3墙)/2=查附表3得
c纤=0.81+0.28×10-3t 纤=0.84+0.26×10-3×503.15=0.951 kJ/(kg·℃)
t 硅=(t3墙+t 4墙)/2=查附表3得
c硅=0.84+0.25×10-3t 硅=0.84+0.26×10-3×219.85=0.895 kJ/(kg·℃) 所以得
Q 蓄1=(V粘+ V粘
侧侧侧
前·后
627. 3+379
=503.15℃ 2
379+60. 7
=219.85℃ 2
+ V粘) ρ+ V纤) ρ
顶顶
顶
粘
c 粘(t粘-t 0) c 纤(t纤-t 0)
硅
+(V纤+ V纤
前·后
纤
+( V硅+ V硅
前·后
+ V硅) ρ
c 硅(t硅-t 0)
=604390.29 kJ/h
2.6.2 炉底蓄热计算
V 粘=[4×(0.02×0.12+0.113×0.065)+(0.04×2+0.065)×0.113+(0.113×0.120) ×
2]×1.277+(1.224-0.115×2) ×(1.837-0.115)×0.065 =0.217m 3
V 纤=1.837×1.224×0.05=0.112 m3 V 硅=1.837×1.224×0.182=0.409 m3
由于t 粘=(t 1+t 2底)/2=(750+618.4)/2=684.2℃ 查附表3得
c粘=0.84+0.26×10-3t 粘=1.02 kJ/(kg·℃) t纤=(t 2底+t 3底)/2=(618.4+446.7)/2=532.55℃ 查附表3得
底底
底
底底底底
c纤=0.81+0.28×10-3t 纤=0.959 kJ/(kg·℃)
t硅=(t 3底+t 4底)/2=(446.7+44.3)/2=245.5℃
查附表3得
c硅=0.84+0.25×10-3t 硅=0.901 kJ/(kg·℃)
所以得
Q 蓄=0.217×1.0×103×1.02×(684.2-20)+0.112×0.25×103×0.959×(532.55-
20)+0.409×0.5×103×0.901×(245.5-20)
=212326.4 kJ/h
2.6.3 炉底板蓄热
根据附表6查得750℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c 板2=0.691kJ/(kg·℃)
和c 板1=0.473kJ/(kg·℃) 。经计算炉底板重量G=240kg,所以有
Q蓄=G(c板2t 1- c板1t 0)=242×(0.691×750-9.46) =122109.6 kJ/h
Q 蓄=Q 蓄1+Q 蓄+Q 蓄=604390.29+212326.41+122109.6=938826.3 kJ/h
空炉升温时间
τ升底板板底底底底底底=938826. 3Q 蓄==7.45h 3600P 安3600⨯35
对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在3~8小时内均可,故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的,误差大,时间偏长,实际空炉升温时间应在4小时以内。
2.7 功率的分配与接线
35kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底,组成Y 、Δ或YY 、ΔΔ接线。供电电压为车间动力380V 。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷,对于周期式作业炉,内壁表面负荷应在
15~35kW/ m2 之间,常用为20~25 kW/ m2 之间。
F电=2F 电侧+F 电底=2×1.277×0.372+1.277×0.664=1.798 m2
W =P 安/F电=45/2.09=20.31 kW/ m2
表面负荷在常用范围20~25 kW/ m2 之内,故符合设计要求。
2.8 电热元件材料选择及计算
由最高使用温度750℃,选用线状0Cr25Al5合金电热元件,接线方式采用Y 。
2.8.1 图表法
由附表15查得0Cr25Al5电热元件35kW 箱式炉YY 接线,直径d =4.8mm 时,其表面负荷为1.56 W/ cm2。每组元件长度L 组=49.6 m,总长度L 总=148.8 m,元件总重量G 总
=19.1kg 。
2.8.2 理论计算法
1、求750℃时电热元件的电阻率ρ
时电阻率
ρ20=1.40Ω·mm 2/m,电阻温度系数α=4×10-5℃-1, 则1100℃下的电热元件电阻率
为
ρt =ρ20(1+αt)= 1.40×(1+4×10-5×1100)= 1.46Ω·mm 2/m
2、确定电热元件表面功率
由图5-3,根据本炉子电热元件工作条件取W 允=1.6 W/ cm2。
3、每组电热元件功率
由于采用YY 接法,即三相双星形接法,每组元件功率
P组=35/n=35/(3×1) =11.7kW
4、每组电热元件端电压
由于采用YY 接法,车间动力电网电压为380V ,故每组电热元件端电压即为每项电压
U组=380/3=220V
5、电热元件直径
线状电热元件直接由下式得
d=
4.7mm t 当炉温为750℃时,电热元件温度取1100℃,由附表12查得0Cr25Al5在20℃
6、每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度由下式得
L组=0.785×10-3P ρ组
组22 t =0.785×10-3×=51.25mm 11. 7⨯1. 462⨯2
每组电热元件重量由下式得
G 组=π2d L组ρ4M
式中,ρM 由附表12查得ρM =7.1g/ cm2
所以得
G组=π2d L组ρM =6.58kg 4
7、电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L总=3L 组=3×51.25=153.75mm
电热元件总重量
G总=3G 组=19.74kg
8、校核电热元件表面负荷
W 实=11. 7⨯1000P 组==1.51 W/ cm2 πdL 组3. 14⨯0. 48⨯51. 25
W实
9、电热元件在炉膛内的布置
将3组电热元件每组分为6折,布置在两侧炉墙及炉底上,则有
L折=L 组/6=51.25/6=8.54mm
布置电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于1000℃。由表5-5可知,螺旋节径D=(4~6)d ,
取D=6d=6×4.8=28.8mm
螺旋体圈数N 和螺距h 分别为
N=L 折/πD =8.54/(3.14×28.8) ×103=95圈
h=L ’/N=1225/95=12.9mm
h/d=12.9/4.8=2.69
按规定,h/d在2~4范围内满足设计要求。
根据计算,选用Y 方式接线,采用d =4.8mm 所用电热元件重量最小,成本最低。
电热元件节距h 在安装时适当调整,炉口增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti ,φ=12mm ,l =500mm 。
2.9 炉子技术指标(标牌)
额定功率:35kW 额定电压:380V
使用温度:750℃ 生产率:80 kg/h
相数:3 接线方法:Y
工作室有效尺寸:1100×500×280 外型尺寸:
重量: 出厂日期:
参 考 文 献
1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著 哈尔滨工程大学出版社
2、工程制图 大连理工大学出版社组编
3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组
热处理设备设计
说明书
设计题目 学 院 年 级 专 业 学生姓名 学 号 指导教师
750℃80kg/h的箱式电阻炉设计
金属材料工程
目 录
1 前 言 . ............................................................................................................................................................. 1
1.1 本设计的目的 ...................................................................................................................... 1 1.2 本设计的技术要求 .............................................................................................................. 1
2 设计说明 . ......................................................................................................................................................... 2
2.1 确定炉体结构和尺寸 .......................................................................................................... 2 2.1.1 炉底面积的确定 . .......................................................................................................... 2 2.1.2 确定炉膛尺寸 . .............................................................................................................. 2 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定 . .............................................................................................. 3 2.2 砌体平均表面积计算 .......................................................................................................... 3 2.2.1 炉顶平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.2 炉墙平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.3 炉底平均面积 . .............................................................................................................. 4 2.3 根据热平衡计算炉子功率 .................................................................................................. 4 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件 ............................................................................................ 4 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散 ............................................................................................ 4 2.3.3 开启炉门的辐射热损失 . .............................................................................................. 6 2.3.4 开启炉门溢气热损失 . .................................................................................................. 6 2.3.5 其它热损失 . .................................................................................................................. 6 2.3.6 热量总支出 . .................................................................................................................. 7 2.3.7 炉子安装功率 . .............................................................................................................. 7 2.4 炉子热效率计算 .................................................................................................................. 7 2.4.1 正常工作时的效率 . ...................................................................................................... 7 2.4.2 在保温阶段,关闭时的效率 . ...................................................................................... 7 2.5 炉子空载功率计算 .............................................................................................................. 7 2.6 空炉升温时间计算 .............................................................................................................. 7 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热 . .......................................................................................................... 7 2.6.2 炉底蓄热计算 . .............................................................................................................. 8 2.6.3 炉底板蓄热 . .................................................................................................................. 9 2.7 功率的分配与接线 .............................................................................................................. 9 2.8 电热元件材料选择及计算 .................................................................................................. 9 2.8.1 图表法 . .......................................................................................................................... 9 2.8.2 理论计算法 . ................................................................................................................ 10 2.9 炉子技术指标(标牌) .................................................................................................... 11
1 前 言
1.1 本设计的目的
设计750℃80kg/h的箱式电阻炉设计
1.2 本设计的技术要求
设计一台高温电阻炉,其技术条件为:
(1). 用途:中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。 (2). 工件:中小型零件,无定型产品,处理批量为多品种,小批量; (3). 最高工作温度:750; (4). 生产率:80kg/h;
(5). 生产特点:周期式成批装料,长时间连续生产。
2 设计说明
2.1 确定炉体结构和尺寸 2.1.1 炉底面积的确定
因无定型产品,故不能使用实际排料法确定炉底面积,只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=80,箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P 0为120kg/(m2·h) 。故可求的炉底的有效面积
F1=P/P0=2/3 m2
由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.78~0.85,取系数上限,得炉底实际面积
F=F1/0.8=5/6 m2 2.1.2 确定炉膛尺寸
由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取 L/B=2:1 因此,可求的: L=F /0. 5=/3 m B=L/2=
15
m 23
35
m 103
577
180
按统计资料,炉膛高度H 与宽度B 之比H/B通常在0.5~0.9之间,根据炉子的工作条件,取H/B=0.6左右。则H= 因此:
F壁=2×(L×H)+(L×B)+2(B×H)+2×3.14×B ×1/6×L=
由经验公式可知: P安=Cτt=750℃。
所以 30×4-0.5×0.041×800.9×(1200/1000)1.55= P安 解得,P=30.3 KW
则 L=1.291m B=0.646m H=0.387m 根据标准砖尺寸,为便于砌砖,取 L=1.277m B=0.664m H=0.372m
可以确定炉膛尺寸如下
-0.5
升
F 0.9(t/1000)1.55
升
取式中系数C=30〔(kM·h 0.5)/(m1.8·℃1.55) 〕, 空炉生温时间假定问τ=4h,炉温
L=(230+2)×5+(230×0.5+2)=1277mm B=(120+2)×4+(40+2)+(65+2)×2=664mm H=(65+2)×5+37=372mm
确定为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞,应使工件与炉膛内壁之间有一定 空间,确定工作室有效尺寸为 L效=1100 mm B效=500 mm H效=280 mm 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似,采用相同炉衬结构,即113mmQN -1.0轻质粘土砖+50mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB 级硅藻土砖。
炉顶采用113mmQN -1.0轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维毡+115mm 膨胀珍珠岩。
炉底采用三层QN -1.0轻质粘土砖(67×3)mm +50mm 的普通硅酸铝纤维毡+182mmB 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。
炉门用65mm QN-1.0轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA 级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质粘土砖,电热元件搁砖选用重质高铝砖。
炉底板材料选用Cr -Mn -N 耐热钢,根据炉底实际尺寸给出,分三块或四块,厚20mm 。
2.2 砌体平均表面积计算
L 外=L+2×(115+50+115)=1837mm B 外=B+2×(115+50+115)=1224mm H 外=H+f+(115+80+115)+67×4+50+182 =372+89+310+268+50+182 =1271mm
式中:f =——拱顶高度,此炉子采用60°标准拱顶,取拱弧半径R =B ,则f 可由f =
R (1-cos30°)求得。
2.2.1 炉顶平均面积
F 顶内=
2πR 2⨯3. 14⨯0. 664
×L =×1.277=0.887 m2 66
F 顶外=B 外×L 外=1.224×1.837=2.285 m2
F 顶均=F 顶内·F 顶外=0. 887⨯2. 285=1.424 m2
2.2.2 炉墙平均面积
炉墙面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前墙内。 F 墙内=2LH +2BH =2H (L +B )=2×0.372×(1.277+0.664)=1.444m2
F 墙外=2H 外(L外+B 外) =2×1.271×(1.837+1.224)=7.769m2
2
F 墙均=F 墙内·F 墙外=. 444⨯7. 769=3.349m
2.2.3 炉底平均面积
F 底内=B ×L =0.664×1.277=0.848m 2 F 底外=B 外×L 外=1.224×1.837=2.248m2
2F 底均=F 底内· F 底外=0. 848⨯2. 248=1.381m
2.3 根据热平衡计算炉子功率 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件
查表得,工件在750℃及20℃时比热容分别为c 0.486kJ/(kg·℃)
Q 件=p(c件2t 1-c 件1t 0) =80×(0.624×750-0.486×20) =36662.4kJ/h 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散
由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似,故作统一数据处理,为简化计算,将炉 包括在前墙内。 根据式 Q散=
t 1-t n +1
n
s i ∑i =1λi F i
件2
=0.624kJ/(kg·℃) ,c
件1
=
对于炉墙散热,首先假定界面上的温度及炉壳温度,t ’2墙=620℃,t ’3墙=
360℃, t ’4墙=60℃则
耐火层s 1的平均温度t s1均=
750+620
=685℃,硅酸铝纤维层s 2的平均温度t s2均=2
620+360360+60
=490℃,硅藻土砖层s 3的平均温度t s3均==210,s 1、s 3层炉衬的热22
导率由附表3得
λ1=0.29+0.256×10-3t s1均=0.465W/(m·℃) λ3=0.131+0.23×10-3t s3均=0.119W/(m·℃)
普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得,在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系,由t s2均=490℃,得 λ2=0.100W/(m·℃)
当炉壳温度为60℃,室温为20℃时,由附表2近似计算得αΣ=12.17 W/(m·℃) (1)求热流
t g -t a
q 墙=s s 2s 31 1
+++λ1λ2λ3a ∑
=
750-20
0. 1150. 050. 1151
+++
0. 4650. 1000. 17912. 17
=496.4W/ m2 (2)验算交界面上的温度t 2墙,t 3墙
t 2墙=t1-q 墙Δ=
s 1
=627.3℃ λ1
t 2墙-t 2墙' 627. 3-620
==1.16% t 2墙' 627. 3
Δ
t 3墙=t2墙-q 墙 Δ=
s 2
=379℃ λ2
t 3墙-t 3墙' 379-360
==4.7% t 3墙' 379
Δ
t 4墙=t3墙-q 墙
s 3
=60.7℃
满足一般热处理电阻炉表面升温
Q墙散=q 墙·F 墙均=496.4×3.349=1662.4W 同理可以求得
t 2顶=646.9℃, t3顶=296.9℃, t4顶=55.63℃, q顶=419.6 W/ m2 t 2底=618.4℃, t3底=446.7℃, t4底=44.3℃, q底=301.5 W/ m2 炉顶通过炉衬散热
Q顶散=q 顶·F 顶均=597.5 W 炉底通过炉衬散热
Q 底散=q 底·F 底均=624.1 W
整个炉体散热损失
Q散=Q 墙散+Q 顶散+Q 底散
=1662.4+597.5+624.1
=2884 kJ/h
2.3.3 开启炉门的辐射热损失
设装出料所需时间为每小时6分钟 Q 辐=3.6×5.675F φδt[(
Tg 4Ta 4
)-()] 100100
因为Tg =750+273=1023K ,Ta =20+273=293K , 由于正常工作时,炉门开启高度为炉膛高度的一半,故 炉门开启面积F =B ×
0. 372H
=0.664×=0.124 m2
22
炉门开启率δt =
6
=0.1 60
H
与B 之比为0.186/0.664=0.28,炉门开启高度与2
由于炉门开启后,辐射口为矩形,且炉墙厚度之比为
0. 186
=0.664,由图1-14第1条线查得φ=0.6,故 0. 28
Tg 4Ta 4
)-()] 100100
120342934
)-()]
100100
Q辐=3.6×5.675F φδt[(
=3.6×5.675×0.124×0.1×0.6×[( =1654kJ/h 2.3.4 开启炉门溢气热损失
溢气热损失由下式得
Q溢=qv a ρa c a (t’g -t a ) δt 其中,qv a =1997B ·
H H
·=1997×0.664×0.186×. 186=106.4 m3/h 22
冷空气密度ρa =1.29kg/ m3, 由附表10得c a =1.342kJ/( m3·℃),t a=20℃, t’g 为溢气温度,近似认为t ’g =t a +
Q
kJ/h
2.3.5 其它热损失
其它热损失约为上述热损失之和的10%~20%,故 Q 它=0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=7023.1 kJ/h
溢
22
(t’g -t a ) =20+(750-20)=506.7℃ 33
=qv a ρa c a (t’g -t a ) δt =106.4×1.29×1.342×(750-20) ×0.1=8964.9
2.3.6 热量总支出
其中Q 辅=0,Q 控=0,由下式得 Q 总=Q 件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它 =57188.4 kJ/h 2.3.7 炉子安装功率
P 安=
KQ 总
3600
其中K 为功率储备系数,本炉设计中K 取2,则 P安=
2⨯57188. 4
=31.8kW
3600
与标准炉子相比较,取炉子功率为35kW 。
2.4 炉子热效率计算 2.4.1 正常工作时的效率
η=
Q 件
=64.1% Q 总
2.4.2 在保温阶段,关闭时的效率
η=
2.5 炉子空载功率计算
P空=2.6 空炉升温时间计算
由于所设计炉子的耐火层结构相似,而保温层蓄热较少,为简化计算,将炉子侧墙 和前后墙及炉顶按相同数据计算,炉底由于砌砖方法不同,进行单独计算,因升温时炉底板也随炉升温,也要计算在内。 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热
V 粘=2×[1.277×(12×0.067+0.135)×0.115]=0.276m3
V 粘=2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.248m3 V 粘=0.97×(1.277+0.276)×0.115=0.173m3
顶前·后侧
Q 件
=78.7%
Q 总-(Q 辐+Q 溢)
Q 散+Q 它5188. 6+12749. 7
==2.75 kW
36003600
V 纤=2×[(1.277+0.115)×(12×0.067+0.135)×0.05]=0.131m3 V 纤=2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.05]=0.108m3 V 纤=1.071×(1.277+0.276)×0.08=0.108m3
V 硅=2×[ (12×0.067+0.135)×(1.277+0.115)×0.115]=0.301m3 V 硅=2×[1.43×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.397m3 V 硅≈2.3×1.43×0.115=0.378 m3
c 粘(t粘-t 0)+V纤ρ纤c 纤(t纤-t 0)+ V硅ρ
750+627. 3
2因为t 粘=(t1+t2墙)/2==688.65℃
粘
顶前·后侧顶前·后
侧
Q 蓄=V 粘ρ
硅
c 硅(t硅-t 0)
查附表3得
c粘=0.84+0.26×10-3t 粘=0.84+0.26×10-3×688.65=1.014 kJ/(kg·℃) t纤=(t 2墙+t 3墙)/2=查附表3得
c纤=0.81+0.28×10-3t 纤=0.84+0.26×10-3×503.15=0.951 kJ/(kg·℃)
t 硅=(t3墙+t 4墙)/2=查附表3得
c硅=0.84+0.25×10-3t 硅=0.84+0.26×10-3×219.85=0.895 kJ/(kg·℃) 所以得
Q 蓄1=(V粘+ V粘
侧侧侧
前·后
627. 3+379
=503.15℃ 2
379+60. 7
=219.85℃ 2
+ V粘) ρ+ V纤) ρ
顶顶
顶
粘
c 粘(t粘-t 0) c 纤(t纤-t 0)
硅
+(V纤+ V纤
前·后
纤
+( V硅+ V硅
前·后
+ V硅) ρ
c 硅(t硅-t 0)
=604390.29 kJ/h
2.6.2 炉底蓄热计算
V 粘=[4×(0.02×0.12+0.113×0.065)+(0.04×2+0.065)×0.113+(0.113×0.120) ×
2]×1.277+(1.224-0.115×2) ×(1.837-0.115)×0.065 =0.217m 3
V 纤=1.837×1.224×0.05=0.112 m3 V 硅=1.837×1.224×0.182=0.409 m3
由于t 粘=(t 1+t 2底)/2=(750+618.4)/2=684.2℃ 查附表3得
c粘=0.84+0.26×10-3t 粘=1.02 kJ/(kg·℃) t纤=(t 2底+t 3底)/2=(618.4+446.7)/2=532.55℃ 查附表3得
底底
底
底底底底
c纤=0.81+0.28×10-3t 纤=0.959 kJ/(kg·℃)
t硅=(t 3底+t 4底)/2=(446.7+44.3)/2=245.5℃
查附表3得
c硅=0.84+0.25×10-3t 硅=0.901 kJ/(kg·℃)
所以得
Q 蓄=0.217×1.0×103×1.02×(684.2-20)+0.112×0.25×103×0.959×(532.55-
20)+0.409×0.5×103×0.901×(245.5-20)
=212326.4 kJ/h
2.6.3 炉底板蓄热
根据附表6查得750℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c 板2=0.691kJ/(kg·℃)
和c 板1=0.473kJ/(kg·℃) 。经计算炉底板重量G=240kg,所以有
Q蓄=G(c板2t 1- c板1t 0)=242×(0.691×750-9.46) =122109.6 kJ/h
Q 蓄=Q 蓄1+Q 蓄+Q 蓄=604390.29+212326.41+122109.6=938826.3 kJ/h
空炉升温时间
τ升底板板底底底底底底=938826. 3Q 蓄==7.45h 3600P 安3600⨯35
对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在3~8小时内均可,故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的,误差大,时间偏长,实际空炉升温时间应在4小时以内。
2.7 功率的分配与接线
35kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底,组成Y 、Δ或YY 、ΔΔ接线。供电电压为车间动力380V 。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷,对于周期式作业炉,内壁表面负荷应在
15~35kW/ m2 之间,常用为20~25 kW/ m2 之间。
F电=2F 电侧+F 电底=2×1.277×0.372+1.277×0.664=1.798 m2
W =P 安/F电=45/2.09=20.31 kW/ m2
表面负荷在常用范围20~25 kW/ m2 之内,故符合设计要求。
2.8 电热元件材料选择及计算
由最高使用温度750℃,选用线状0Cr25Al5合金电热元件,接线方式采用Y 。
2.8.1 图表法
由附表15查得0Cr25Al5电热元件35kW 箱式炉YY 接线,直径d =4.8mm 时,其表面负荷为1.56 W/ cm2。每组元件长度L 组=49.6 m,总长度L 总=148.8 m,元件总重量G 总
=19.1kg 。
2.8.2 理论计算法
1、求750℃时电热元件的电阻率ρ
时电阻率
ρ20=1.40Ω·mm 2/m,电阻温度系数α=4×10-5℃-1, 则1100℃下的电热元件电阻率
为
ρt =ρ20(1+αt)= 1.40×(1+4×10-5×1100)= 1.46Ω·mm 2/m
2、确定电热元件表面功率
由图5-3,根据本炉子电热元件工作条件取W 允=1.6 W/ cm2。
3、每组电热元件功率
由于采用YY 接法,即三相双星形接法,每组元件功率
P组=35/n=35/(3×1) =11.7kW
4、每组电热元件端电压
由于采用YY 接法,车间动力电网电压为380V ,故每组电热元件端电压即为每项电压
U组=380/3=220V
5、电热元件直径
线状电热元件直接由下式得
d=
4.7mm t 当炉温为750℃时,电热元件温度取1100℃,由附表12查得0Cr25Al5在20℃
6、每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度由下式得
L组=0.785×10-3P ρ组
组22 t =0.785×10-3×=51.25mm 11. 7⨯1. 462⨯2
每组电热元件重量由下式得
G 组=π2d L组ρ4M
式中,ρM 由附表12查得ρM =7.1g/ cm2
所以得
G组=π2d L组ρM =6.58kg 4
7、电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L总=3L 组=3×51.25=153.75mm
电热元件总重量
G总=3G 组=19.74kg
8、校核电热元件表面负荷
W 实=11. 7⨯1000P 组==1.51 W/ cm2 πdL 组3. 14⨯0. 48⨯51. 25
W实
9、电热元件在炉膛内的布置
将3组电热元件每组分为6折,布置在两侧炉墙及炉底上,则有
L折=L 组/6=51.25/6=8.54mm
布置电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于1000℃。由表5-5可知,螺旋节径D=(4~6)d ,
取D=6d=6×4.8=28.8mm
螺旋体圈数N 和螺距h 分别为
N=L 折/πD =8.54/(3.14×28.8) ×103=95圈
h=L ’/N=1225/95=12.9mm
h/d=12.9/4.8=2.69
按规定,h/d在2~4范围内满足设计要求。
根据计算,选用Y 方式接线,采用d =4.8mm 所用电热元件重量最小,成本最低。
电热元件节距h 在安装时适当调整,炉口增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti ,φ=12mm ,l =500mm 。
2.9 炉子技术指标(标牌)
额定功率:35kW 额定电压:380V
使用温度:750℃ 生产率:80 kg/h
相数:3 接线方法:Y
工作室有效尺寸:1100×500×280 外型尺寸:
重量: 出厂日期:
参 考 文 献
1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著 哈尔滨工程大学出版社
2、工程制图 大连理工大学出版社组编
3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组