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1、热处理设备课程设计 目录 1 设计任务设计任务1 2 炉型的选择炉型的选择1 3 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸1 3.1 炉底面积的确定1 3.2 炉底长度和宽度的确定2 3.3 炉膛高度的确定2 3.4 炉衬材料及厚度的确定3 4 砌体平均表面积计算砌体平均表面积计算3 4.1 砌体外廓尺寸3 4.2 炉底的平均面积4 4.3 炉墙平均面积4 4.4 炉底平均面积4 5 计算炉子功率计算炉子功率4 5.1 根据经验公式计算炉子功率1 .4 5.2 根据热平衡计算炉子功率5 5.2.1 加热工件所需的热量 Q 件5 5.2.2 通过炉衬的散热损失 Q 散5 5.1 炉墙结构示意图6 5
2、.2.3 开启炉门的辐射热损失.8 5.2.4 开启炉门溢气热损失.9 5.2.5 其他热损失.9 5.2.6 热量总支出.9 5.2.7 炉子安装功率.9 5.2.8 炉子热效率计算.10 5.2.9 炉子空载功率计算.10 6 空炉升温时间的计算空炉升温时间的计算10 6.1 炉墙及炉顶蓄热10 6.2 炉底蓄热计算11 6.3 炉底板蓄热12 6.4 升温时间12 7 电热元件的选用与功率计算电热元件的选用与功率计算13 7.1 功率计算13 7.2 电热元件材料选择及计算13 7.3 理论计算法13 7.3.1 求950时电热元件的电阻率t13 7.3.2 确定电热元件表面功率.14
3、7.3.3 每组电热元件功率.14 热处理设备课程设计 I 7.3.4 每组电热元件端电压.14 7.3.5 电热元件直径.14 7.3.6 每组电热元件长度和重量.15 7.3.7 电热元件的总长度和总重量.15 7.3.8 校核电热元件表面负荷.15 7.3.9 电热元件在炉膛内的布置.15 热处理设备课程设计 0 热处理箱式电阻炉课程设计 1 设计任务设计任务 设计一台箱式电阻热处理炉。其技术条件: 用途:处理对象为 20CrMnMo 齿轮轴热处理淬火处理; 生产率:180 kg/h; 工作温度:最高使用温度950C; 特点:长时间连续生产; 批量:每次 5 件 2 炉型的选择炉型的选择
4、 根据设计任务给出的生产特点,拟选用箱式热处理电阻炉,不通保护气氛。 3 确定炉体结构和尺寸确定炉体结构和尺寸 3.1 炉底面积的确定 因无定型产品,故不能用实际排料法确定炉底底面积,用按加热能力指标法,已 知生产率 P 为 180kg/h,从表 1 查得单位面积生产率 PO 为 120kg/(m2h),故可求得 炉底有效面积 F1=P/P0=180/120=1.5m2 热处理设备课程设计 1 表 1 各种热处理炉的单位炉底面积生产率 PO kg/(m2*h) 炉型 工艺类别 箱式台车式坑式罩式井式推杆式 淬火 正火 一般锻件 正火 铸件正火 合金钢淬 火 100-120 110-120 80
5、-140 80- 100 90-140 120-150 100-160 100-12080- 20 150-180 150-200 120-180 120-140 由于有效面积与炉底面积存在关系式 F1/F=0.750.85,取 0.85,得炉实际面积: F=F1/0.85=1.67/0.85=1.76m2 3.2 炉底长度和宽度的确定 由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便,取 L/B=2:1,因此,可求得 L=1.876m 5 . 0/F5 . 0/76 . 1 B=L/2=1.876/2=0.938m 根据标准砖尺寸,为便于砌砖,取 L=1.856m,B=0.936m。 3.3 炉膛高
6、度的确定 按统计资料,炉膛高度 H 与宽度 B 之比 H/B 通常在 0.50.9 之间,根据炉子工作 条件,取 H/B=0.7 左右,根据标准砖尺寸,选定炉膛高度 H=0.707m。 因此,确定炉膛尺寸如下: 长 L=(230+2)8=1856mm 宽 B=(120+2)4+(65+2)2+(40+2)2+(114+2)2=936mm 高 H=(65+2)10+37=707mm 为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相撞,应使工件与炉膛内壁之间有一定的空 热处理设备课程设计 2 间,确定工件室的有效尺寸为: L 效=1600mm; B 效=700mm; H 效=500mm。 3.4 炉衬材料及厚度
7、的确定 由于侧墙,前墙及后墙的工件条件相似,采用相同炉衬结构,即 230mm(QN-0.8 轻质粘土砖)+114mm(B 级硅藻土砖)+80mm 密度为 250kg/m3 的普 通硅酸铝纤维毡 炉顶采用 114mm(QN-1.0 轻质粘土砖)+116mm(膨胀珍珠岩)+80mm 密度 为 250kg/m3 的普通硅酸铝纤维毡 炉底采用 4 层轻质粘土砖(674)mm+80mm 密度为 250kg/m3 的普通硅酸铝 纤维毡 +183mm(A 级硅藻土砖+B 级硅藻土砖复合炉衬)。 炉门用 67mm(QN-1.0 轻质粘土砖)+80mm 密度为 250kg/m3 的普通硅酸铝 纤维毡 +65mm
8、(A 级硅藻土砖)。 炉底搁砖采用粘土砖,电热元件搁砖选用重质高铝砖。 炉底板料选用 Cr-Cu-N 耐热钢,根据炉底实际尺寸给出,分四块,厚度 20mm。 4 砌体平均表面积计算砌体平均表面积计算 4.1 砌体外廓尺寸 L 外=L+2(116+80+116)=2480mm; B 外=B+2(116+80+116)=1560mm; H 外=H+f+(116+80+116)+674+50+183=707+135+307+268+50+183=1645mm。 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=R(1-cos30)求得 f936(1-cos30)=125。 再
9、在炉外廓外面加一层厚为 5mm 的钢板来保护炉子,但其尺寸不包括在计算数据 热处理设备课程设计 3 之内。 4.2 炉底的平均面积 F 顶内=(2R/6)L=(23.140.936)/6 1.856=1.818; F 顶外=B 外L 外=1.562.48=3.8688; F 顶均=2.652。 顶外顶内FF8688.3*818.1 4.3 炉墙平均面积 炉墙平均面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前端墙内。 F 墙内=2HL+2BH=2H(L+B)=20.707(1.856+0.936)=3.948m2; F 墙外=2H 外(L 外+B 外)=21.644(2.48+1.56)=13.
10、284m2 F 墙均= = =7.242m2。 墙外墙内FF284.13*948 . 3 4.4 炉底平均面积 F 底内=BL=0.9361.856=1.737 F 底外=B 外L 外=1.562.48=3.869; F 底均=2.592。 底外底内FF869. 3*737 . 1 5 计算炉子功率计算炉子功率 5.1 根据经验公式计算炉子功率1 P 安=C0.5 升 F0.9(t/1000)1.55 其中 C=30,空炉升温时间假定为 为 4 小时,炉温为 950 度。C系数,热损失 大的炉子,C=30-35;热损失小的炉子,C=20-25。单位为(kwh0.5)/(m1.81.55)这 种
11、方法适用于周期作业封闭式电阻炉。 热处理设备课程设计 4 炉膛内壁面积=2(LH)(BH)+LB+2B60/360L=7.503 所以 P 安=C0.5 升 F0.9(t/1000)1.55 =156.13350.9236=84.97KW 由经验公式计算法的 P 安85kw 5.2 根据热平衡计算炉子功率 5.2.1 加热工件所需的热量加热工件所需的热量 Q 件件 查表 5.1 得,工件在 950及 20时比热容分别为 C 件 2=0.636KJ/(kg),C 件 1=0.486KJ/(kg)。 表 5.1 低合金钢的平均比热容 Q 件=P(C 件 2t1-C 件 1t2)=180(0.636
12、950-0.48620)=107006.4KJ/h 5.2.2 通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失 Q 散散 由于炉子侧壁和前后炉衬结构相似,故作统一数据处理,简化计算,将炉门包括 在前墙内, Q 散=(t1-tn+1)/ (si/iFi)3 对于炉墙散热,如图,首先假定界面上的温度及炉壳温度, t2 墙=825,t3 墙 =560,而知 t4 墙=60,则: 化学成分 重量分数(%) 在不同温度下的平均比热容(kjkg-1-1) CMnNiCr50100 250300 550600 650700 750800 850900 0.231.510.4770.5440.7410.8370.821
13、0.536 0.340.693.530.780.4860.5570.7701.0510.6360.636 0.320.690.4940.5520.7410.8370.9340.574 热处理设备课程设计 5 耐火 纤维 硅藻土砖 轻质耐火砖 5.1 炉墙结构示意图 耐火层 s1 的平均温度 ts1 均=(950+825)/2=887.5;硅藻土砖层 s2 的平均温度 ts2 均=(820+560)/2=692.5;硅酸铝纤维层 s3 的平均温度 ts3 均=(560+60)/2=310。 s1,s2 层炉衬的热导率由 表 5.2 查得 表 5.2 热处理炉常用耐火材料和保温材料 材 料 和 牌
14、 号 耐火度 荷 重 软 化 耐 压 强 度 kgcm-2 密 密度 gcm-3 热导率(Wm-1-1) 最 高 使 用 温 度 轻 质 粘土砖 QN1 16701650301.00.29+(0.256/1000)t1300 硅藻砖 B 级 5.50.131+0.23/1000)t900 膨胀珍 珠岩 0.310.04+(0.22/1000)t1000 1=0.29+(0.256/1000)ts1 均=0.29+(0.256/1000)*887.5=0.482 W/m; 2=0.131+(0.23/1000)ts3 均=0.131+(0.23/1000)692.5=0.290W/m; 普通硅酸
15、铝纤维的热导率由表 5.3 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 ts2 均=310,得 3=0.084 W/m。 热处理设备课程设计 6 表 5.3 普通硅酸铝纤维的热导率(W/m) 温 度 密 度 1004007001000 1000.0580.1160.210,337 2500.0640.0930.140.209 3500.0700.0810.1210.122 当炉壳温度为 60,室温为 20时,由表 5.4 经近似计算达 =12.17W/(.) 。 表 5.4 炉墙外表面对车间的综合传热系数表 W/(m2)(车间温度 20) 侧墙综合传热系数表 W/(
16、m2) 炉墙外表面温度() 钢板或涂灰漆表面铝板或涂铝粉漆表面 4010.598.27 6012.179.59 求热流: q 墙=(tg-ta)/(s1/1+s2/2+s3/3+1/) =(950-20)/(0.116/0.482+0.116/0.29+0.080/0.084+1/12.17) =556W/。 验算交界面上的温度 t2 墙,t3 墙: t2 墙=t1-q 墙 s1/1=950-5560.2407=816.2。 =(t2 墙-t2 墙)/t2 墙=(816.2-825)/825=1.1% 5%。满足设计要求。 t3 墙= t2 墙- q 墙 s2/2=816.2-(0.116/0
17、.290) 556=583.8 =(t3 墙-t3 墙)/t3 墙=(583.8-560)/560=4.2% 5%也满足设计要求。 验算炉壳温度 t4 墙 t4 墙= t3 墙- q 墙 s3/3=583.8-(0.080/0.084) 556=54.370 满足一般热处理电阻炉表面温升70的要求。4 计算炉墙散热损失 Q 墙散 =q 墙*F 墙均=5567.242=4026.5W. 同理可求得: t2 顶=817.5,t3 顶=568,t4 顶=53.5,q 顶=548.3W/; t2 底=695,t3 底=566,t4 底=50.8,q 顶=440W/ 炉顶通过炉衬散热 热处理设备课程设计
18、 7 Q 顶散=q 顶 F 顶均 =548.32.652=1454.1W; 炉底通过炉衬散热 Q 底散=q 底 F 底均=4402.592=1140.48W; 整个炉体散热损失 Q 散= Q 墙散 +Q 顶散 + Q 底散 =4026.5+1454.1+1140.48 =6621.08W =23835.9KJ/h 5.2.3 开启炉门的辐射热损失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,根据 Q 辐=3.65.675Ft(Tg/100)4-(Ta/100)4 因为 Tg=950+273=1223K,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
19、: 炉门开启面积: F=BH/2=0.331; 炉门开启率: t=6/60=0.1。 由于炉门开启后,辐射口为矩形,且 H/2 与 B 之比为 0.354/0.936=0.38,炉门开启 高度与炉墙厚度之比为 0.354/2/0.312=1.13,由图 5.2 第一条线查得 =0.7, 热处理设备课程设计 8 图 5.2 孔口的遮蔽系数 Q 辅=5.6753.6Ft(Tg/100)4-(Ta/1004 =5.6753.60.3310.10.7(1223/100)4-(293/100)4=10556KJ/h。 5.2.4 开启炉门溢气热损失开启炉门溢气热损失 溢气热损失: Q 溢qvaaca(t
20、g-ta)t1 其中:qva=1997BH/2H1/2/2=19970.9360.3540.3541/2=393.7m3/h,冷空气密度 a=1.29kg/ m3,查表 5.5 得:Ca=1.342KJ/ (m3)1 表 5.5 空气和某些气体平均比热容KJ/(m3) 温度() 0100200300400500600700800 氧气1.30951.31261.33521.35611.37751.39801.41681.43451.4499 氮气1.29871.30041.30381.31091.32051.33221.34521.35861.3717 干空气1.30091.30511.309
21、71.31811.33021.34401.35831.37251.3821 ta=20;tg:为溢出温度,近似为 tg=ta+2/3(tg-ta)=20+2/3(950-20)=640 Q 溢=qvaaCa(tg-ta)t=393.71.291.3426200.1=42257.1KJ/h 5.2.5 其他热损失其他热损失 其他热损失约上诉损失之和的 10%20%,故取 12%, Q 它=0.14(Q 件+Q 散+Q 辐+Q 溢) =0.14(107006.4+23835.9+10556+42257.1) 热处理设备课程设计 9 =25711.8KJ/h。 5.2.6 热量总支出热量总支出 其中
22、 Q 辅=0,Q 控=0,则: Q 总= Q 件+Q 散+Q 辐+Q 溢+Q 辅+ Q 控+ Q 它 =107006.4+23835.9+10556+42257.1+25711.8 =209367.2KJ/h 5.2.7 炉子安装功率炉子安装功率 P 安=KQ 总/3600,其中功率储备系数取 1.4。 P 安=KQ 总/3600=(1.4209367.2)/3600=81.4KW 与标准炉子相比较,取炉子功率为 85KW。 5.2.8 炉子热效率计算炉子热效率计算 正常工作时的效率:=Q 件/Q 总=107006.4/209367.2=51.1% 在保温阶段,关闭炉门时的效率: =Q 件/Q
23、 总-(Q 辐+Q 溢) =107006.4/209367.2-(10556+42257.1)=68.4% 5.2.9 炉子空载功率计算炉子空载功率计算 P 空=(Q 散+Q 它)/3600=(23835.9+25711.8)/3600=13.8KW 6 空炉升温时间的计算空炉升温时间的计算 由于所设计的耐火层结构相似,而保温层蓄热较少,为简化计算,将炉子侧墙、 前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。 热处理设备课程设计 10 6.1 炉墙及炉顶蓄热 3 3 3 3 V2 1.856 (0.067 120.135) 0.1160
24、.379m V2 (0.9360.116 2) (16 0.0670.135) 0.1160.327m V0.97 (1.8560.276) 0.1160.240m V2 1.8560.11612 0.0670.1350.0800.296m V2 (0. 侧 黏 前后 黏 顶 黏 侧 纤 前后 纤 ()() 3 3 3 9360.116 2) (16 0.0670.135) 0.0800.226m V1.0711.8560.2760.080.183m V2 (12 0.0670.135) (1.8560.116) 0.1160.430m 顶 珍 侧 硅 () 3 3 V2 1.56 (0.13
25、50.067 16) 0.1160.437m V2.480 1.56 0.1160.449m 前后 硅 顶 纤 根据公式得 )()()( 硅钙硅钙硅钙硅钙硅藻硅藻硅藻硅藻黏黏黏黏蓄000 ttcVttcVttcVQ 因为 12 tt950816.2 t883.1 22 墙 黏 查表得KJ/(kg) 33 c0.840.26 10 t0.840.26 10883.11.07 黏黏 23 tt816.2583.8 t700 22 墙墙 硅藻 查表得KJ/(kg) 33 c0.81 0.26 10 t0.81 0.28 107001.01 纤 324 2 67581 2 tt t 43 墙墙 硅钙
26、查表得 KJ/(kg) 33 c0.840.025 10 t0.840.025 103190.92 硅钙 炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算,炉顶温度均按侧墙近似计算,所以得 100 0 3 3 QVVVcttVVVctt VVVctt (0.3790.3270.24) 0.8 101.07 (883.1 20)(0.2960.2260.183) 0.25 101.01 (70020)(0.4300.4370.44 侧前后顶侧前后顶 蓄黏黏黏黏黏黏硅板硅板硅板硅板硅板硅板 侧前后顶 硅藻硅藻硅藻硅藻硅藻硅藻 ()()()() ()() 3 9) 0.55 100.92 (31920) 1019069
27、.07KJ 热处理设备课程设计 11 6.2 炉底蓄热计算 炉底高铝质电热元件搁砖,近似看成重质黏土砖,炉底的复合炉衬按硅藻土砖计 算。 3 3 3 VVVVV V0.12 0.02 40.065 0.230.04 0.23 20.114 0.23 21.8560.177m V(0114 0.065 40.114 0.065 3) 1.856 (1.560.114 2) (2.480.114) 0.0650.325m V2.48 1.56 0.050.193m V2 底底底底 硅底重黏轻黏纤 底 重黏 底 轻黏 底 纤 底 硅 () 3 .48 1.56 0.1800.696m 由于 12 t
28、t950695 t822.5 22 底底 黏 近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。 查表得 KJ/(kg) 33 c0.880.23 10t0.880.23 10822.51.069 底底 重黏重黏 KJ/(kg) 33 c0.840.26 10t0.840.26 10822.51.05 底底 轻黏轻黏 23 tt695566 t630.5 22 底底底 纤 查表得 KJ/(kg) 33 c0.840.25 10t0.81 0.28 10630.50.99 底底 纤纤 34 tt56650.8 t308.4 22 底底底 硅 查表得 KJ/(kg) 33 c0.840.25 10t0.840
29、.25 10308.40.65 底底 硅板硅板 所以得 33 33 Q0.177 2.1 101.08822.5200.3 1.0 101.07822.520 0.193 0.25 101.0200.696 0.5 100.91820 701344.9KJ 底 蓄 ()() (630. 5)(308. 4) 热处理设备课程设计 12 6.3 炉底板蓄热 查表得 950和 20时高合金钢的比热容分别为 KJ/(kg)和 067 . 0 c 2 板 KJ/(kg),经计算炉底板质量 G=250kg,所以有, 473 . 0 c 1 板 KJ 1021 QGctct242 (635.29.46)15
30、1743.6 板 蓄板板 () KJ 1 QQQQ1019069.07701344.9 151743.61872157.57 底板 蓄蓄蓄蓄 6.4 升温时间 根据公式得空炉升温时间为 对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在 Q1872157.57 6.12h 3600P3600 85 蓄 升 安 38h,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 5h 以内。 7 电热元件的选用与功率计算电热元件的选用与功率计算 7.1 功率计算 85KW 功率均匀分布在炉膛两侧几炉底,组成 YY 连线。供电电压为车间动力电 网 380V。核算炉膛布置电热元件
31、内壁表面负荷,对于周期式作业炉,内壁表面负荷应 在 1535KW/之间,常用 2025KW/之间。 F 电=2F 电侧+ F 电底=21.8560.640+1.856869=3.99; W=P 安/ F 电=85/3.99=21.30KW/, 表面负荷在常用的范围 2025KW/之内,故符合设计要求。 7.2 电热元件材料选择及计算 由最高使用温度 950,选用线状 0Cr25Al5 合金元件接线方式采用 YY。 热处理设备课程设计 13 7.3 理论计算法 7.3.1 求求 950时电热元件的电阻率时电热元件的电阻率 t 当炉温为 950时,电热元件温度取 1100,由表 7.3.1 查得
32、0Cr25Al5 在 20的 电阻率 20=1.40.mm2/m。电阻温度系数 =410-5-1 表 7.3.1 常用金属电热材料性能 工作温度 项目 密度 gcm-3 电阻率 mm2/m正常最高 Cr15Ni608.21.10100010501150 0Cr25A157.11.40105012001300 则 1100下的电热元件电阻率为:t=20(1+t)=1.40(1+410-51100) =1.46.mm2/m 7.3.2 确定电热元件表面功率确定电热元件表面功率 由图 7.3.2,根据本炉子电热元件工作条件取 W 允=1.6W/cm2 图 7.3.2 合金电热元件允许表面负荷 7.3
33、.3 每组电热元件功率每组电热元件功率 由于采用 YY 接法,即三相双星形接法,每组元件功率:组 P=85/n=85/(32) =14.2kw 热处理设备课程设计 14 7.3.4 每组电热元件端电压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 380,故组电热元件端电压即为每组电 压:U 组=380/=220V。 3 7.3.5 电热元件直径电热元件直径 线状电热元件直径: d=34.3P 组 2t/(U 组 2W 充)1/3 =34.314.221.46/(22021.6)1/3 =5.41mm, 故取 d=5.5mm。 7.3.6 每组电热元件长度和重量每组电热元件长度
34、和重量 每组电热元件长度: L 组=0.78510-3U2 组 d2/ P 组 t =(0.78510-3220262)/14.21.46=55.4m 每组电热元件重量: G 组=/4 d2L 组 m 其中:m=7.1g/c。 所以得 :G 组=/4 d2L 组 m=/4 5.5255.4 7.110-5=9.34kg。 7.3.7 电热元件的总长度和总重量电热元件的总长度和总重量 电热元件总长度:L 总=6L 组=655.4=332.4m; 电热元件总重量:G 总=6G 组=69.34=56.04kg。 7.3.8 校核电热元件表面负荷校核电热元件表面负荷 W 实= P 组/dL 组=14.
35、2103/(3.140.555907)=1.58W/c。W 实W 允,结果满 足设计要求。 7.3.9 电热元件在炉膛内的布置电热元件在炉膛内的布置 将 6 组电热元件每组分为 4 折,布置在两侧炉墙及炉底上,则有: 热处理设备课程设计 15 L 折=L 组/4= 55.4/4=13.85m; 布置电热元件的炉壁长度:L=L-50=1856-50=1806mm。 丝状电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于 1000,由表十三可知,螺旋节径 D=(46)d,取 D=6d=66=36mm。 螺旋体圈数 N 和螺距 h 分别为:N=L 折/D= 13.851000/(303.14)=138 圈; h=L/N=1806/138=13.1mm,h/d=13.1/5.5=2.38。规定,在 24 范围内满足设计要求。 根据计算,选用 YY 方式接线,采用 d=5mm 用电热元件重量最小,成本最低,电热元件节 距 h 在安装的适当调整,炉口部分增大功率. 电热元件引出棒材料选用 1Cr18Ni9Ti,=12mm,L=500mm
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