热处理电阻炉设计计算举例ppt课件

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1、2020 6 9 1 热处理电阻炉课程设计 2020 6 9 2 电阻炉是最主要的 应用最广的热处理设备优点 1 控温精度和自动化程度很高 准确度可达1 5 2 炉温均匀性好 波动范围小 可控制在3 5 3 热效率高 可达45 80 煤气炉 25 4 便于采用可控气氛 5 结构简单紧凑 体积小 便于组成流水线生产 6 其生产和热处理工艺的机械化 自动化 生产效率和生产质量高 劳动条件好 对环境污染较小 2020 6 9 3 箱式电阻炉 2020 6 9 4 箱式电阻炉a 高温箱式电阻炉 最高温度1300 SiC棒作电热元件 特点 电热元件直接布置在炉膛两侧 且不遮蔽 极少布置于炉顶和炉底 工件

2、加热依靠热辐射 砌筑材料要求高 高铝砖或SiC制品 2020 6 9 5 2020 6 9 6 b 中温箱式电阻炉 额定温度950 合金电热元件Ni Cr 特点 1 电热元件布置在炉子侧壁和炉顶 依靠辐射加热工件 2 炉衬采用密度不超过1 0g cm3的轻质耐火粘土砖砌成 保温层采用珍珠岩保温砖并填以蛭石粉 膨胀珍珠岩颗粒等材料 2020 6 9 7 b 中温箱式电阻炉 额定温度950 合金电热元件Ni Cr 特点 3 在耐火层和保温层间夹以硅酸铝耐火纤维作为炉衬 作用 炉衬变薄 重量减轻 炉衬蓄热量减少 热损失减少 降低炉子空载功率并缩短升温时间 4 较大的炉子采用温度分区控制 增进温度均匀

3、性 还可设置风扇 以加快传热速度 5 炉底电热元件上方敷盖耐热钢制炉底板 其材料以铬锰氮居多 2020 6 9 8 2020 6 9 9 c 低温箱式电阻炉 650 有强制气流循环和远红外辐射加热炉 前者靠对流传热 2020 6 9 10 热处理电阻炉的设计是一项综合性的技术工作 所需知识 炉子知识 热处理工艺 机械设计 电工及温度控制等有关内容 设计原则 密切结合生产实际 综合运用有关知识 设计准备 详尽收集有关原始资料 包括 生产任务 公斤或件 小时或年 及作业制度 一 二班或连续生产 加热工件的材料 形状 尺寸和重量 工件的热处理工艺规程和质量要求 电源及车间厂房等条件 炉子的制造维修能

4、力和投资金额等 2020 6 9 11 热处理电阻炉的设计内容 1 炉型的选择 2 炉膛尺寸的确定 3 炉体结构设计 包括炉衬 构架 炉门等 4 电阻炉功率的计算及功率分配 5 电热元件材料的选择 6 电热元件材料的设计计算 7 炉用机械设备和电气 控温仪表的设计与选用 8 技术经济指标的核算 9 绘制炉子总图 砌体图 零部件图 安装图和编制电炉使用说明书等随机技术文件 热处理电阻炉设计计算举例 一 设计任务 为某厂设计一台热处理电阻炉 其技术条件为 1 用途 中碳钢 低合金钢毛坯或零件的淬火 正火及调质处理 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 160kg

5、h 3 工作温度 最高使用温度 950 4 生产特点 周期式成批装料 长时间连续生产 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面积 只能用加热能力指标法 已知生产率p为160kg h 按表5 1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg m2 h 故可求得炉底有效面积 二 炉型的选择 根据设计任务给出的生产特点 拟选用箱式热处理电阻加热炉 不通保护气氛 三 确定炉体结构和尺寸 2020 6 9 15 有效面积与炉底总面积存在关系式F1 F 0 75 0 85 取系数上限 得炉底实际面积 根据标准砖尺寸 为便于砌砖 取L 1 741m B 0 869m 由于热处

6、理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便 取L B 2 1 而F L B 0 5L2 因此 可求得 2 炉底长度和宽度的确定 3 炉膛高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 5 0 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 640m 因此 确定炉膛尺寸如下 炉底支撑砖厚度 拱角砖矮边高度 炉底搁砖宽度 砖缝 长度 砖长 为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞 应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间 确定工作室有效尺寸为 L效 1500mm B效 700mm H效 500mm 4 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

7、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 113mrnB级硅藻土砖 炉顶采用113mmQN 1 0轻质粘土砖十80mm密度为250kg m3的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩 炉底采用三层QN 1 0轻质粘土砖 67 3 mm 50mm密度为250kg m3的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬 炉门用65mmQN 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 注 67 65 2 2是砖缝的宽度 2020 6 9 2

8、1 四 砌体平均表面积计算 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 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十2BH 2H L十B 2 0 640 1 741 0 869 3 341m2F墙外 2H外 L外 B外 2 1 566 2 360 1 490 12 058m2 炉顶平均面积 2 炉墙平均面积 五 计算炉子功率1 根据经验公式法计算炉子功率由式 5 14 2020 6 9 25 式中 空炉升温时间 h F 炉膛内壁面积 m2 t 炉温 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

9、为 kw h0 5 m1 8 1 55 这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉 使用时需注意使用条件并参考有关文献 取式中系数C 30 kW h0 5 m1 8 C1 55 空炉升温时间假定为 升 4h 炉温t 950 炉膛内壁面积F壁 由经验公式法计算得P安 75 kW 1 加热工件所需的热量Q件由附表6得 工件在950 及20 时比热容分别为C件2 0 63kJ kg C件1 0 486kJ kg 根据式 5 1 Q件 P C件2t1 C件1to 160 0 63 950 0 486 20 95117kJ h p每小时装炉量 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

10、数据处理 为简化计算 将炉门包括在前墙内 2 根据热平衡计算炉子功率 耐火层S1的平均温度ts1均 950 780 2 865 硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均 780 485 2 632 5 硅藻土砖层S3的平均温度ts3均 485 60 2 272 5 S1 S3层炉衬的热导率由附表3得 1 0 29 0 256 10 3ts1均 0 29 0 256 10 3 865 0 511W m 3 0 131 0 23 10 3ts3均 0 131 0 23 10 3 272 5 0 194W 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

11、由tS2均 632 5 得 2 0 129W m 当炉壳温度为60 室温为20 时 由附表2经近似计算得 12 17W m2 综合传热系数 求热流 验算交界面上的温度t2墙 t3墙 满足一般热处理电阻炉表面温升 50 的要求 室温20 验算炉壳温度t4墙 计算炉墙散热损失Q墙散 q墙 F墙均 730 4 6 25 4562 5W同理可以求得t2顶 844 39 t3顶 562 6 t4顶 53 q顶 485 4W m2 t2底 782 2 t3底568 54 t4底 53 7 q底 572 2W m2炉顶通过炉衬散热Q顶散 q顶 F顶均 485 4 2 29 1111 6W炉底通过护衬散热Q底

12、散 q底 F底均 572 2 2 23 1276W 整个炉体散热损失Q散 Q墙散 Q顶散十Q底散 4562 5 1111 6 1276 6950 1w 因为1W 3 6kJ h 所以Q散 3 6 6950 1 25020 4kJ h 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 根据式 5 6 式中 C 黑体辐射系数 F 炉门开启面积或缝隙面积 m 3 6 系数 炉口遮蔽系数 t 炉门开启率 即平均1小时内开启的时间 对常开炉门或炉壁缝隙而言 t 1 由于炉门开启后 辐射口为矩形 且H 2与B之比为0 32 0 869 0 37 可看出此为一拉长的矩形 炉门开启高度与炉墙厚度之比为H

13、 S 0 32 0 28 1 14 由图1 14第1条线查得 0 7 故 0 28 0 113 0 002 0 113 0 002 0 05 m 4 开启炉门溢气热损失溢气热损失由式 5 7Q吸 得Q溢 qV C t g t t其中 qV 由式 5 8qva 1997BH 得 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 13 Q件 Q散 Q辐 Q溢 0 13 95117 25020 4 8877 75 33713 23346 1kJ h 6 热量总支出其中Q辅 0 Q控 0 由式 5 l0 得Q总 Q件 Q辅 Q控 Q散 Q辐 Q溢 Q它 95117 25020 4 8

14、877 75 33713 23346 1 202931 2kJ h 与标准炉子相比较 取炉子功率为75kW 7 炉子安装功率 1 正常工作时的效率由式 5 12 2 在保温阶段 关闭炉门时的效率 六 炉子热效率计算 七 炉子空载功率计算 八 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 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 1 炉墙及炉顶蓄热 由式 5 9 得 蓄 V1 1 C1 t1 C1t0 V2 2 C2 t2 C2t0 kJ 5 9 炉底蓄热计算 查附表3得 3 炉底板蓄热根

15、据附表6查得950 和20 时高合金钢的比热容分别为C板2 0 670kJ kg 和C板1 0 473kJ kg 经计算炉底板重量G 242kg 所以有 Q蓄板 G C板2t1 C板1t0 242 636 5 9 46 151743 6kJ 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 由式 5 13 得空炉升温时间 Q蓄 Q蓄1 Q蓄底 Q蓄板 1032238 389880 15174 36 1573861 6kJ 75kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底 组成Y 或YY 接线 供电电压

16、为车间动力电网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 25kw m2之间 表面负荷在20 25kW m2常用的范围之内 故符合设计要求 九 功率的分配与接线 1 图表法由附表15查得0Cr25A15电热元件75kW箱式炉YY接线 直径d 5mm时 其表面负荷为1 58W cm2 每组元件长度L组 50 5m 总长度L总 303 0m 元件总重量G总 42 3kg 2 理论计算法 1 求950 时电热元件的电阻率 t当炉温为950 时 电热元件温度取1100 由附表12查得0Cr25A15在20 时电阻率 20 1 40 mm2 m 由最高使用温度950 选用线状0Cr25Al5合金作电热元件 接线方式采用YY 十 电热元件材料选择及计算 2020 6 9 52 2020 6 9 53 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 故每组电热元件端电压即为每相电压 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 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