箱式熱處理爐課程設(shè)計

1、<p>　　《熱處理工程基礎(chǔ)課程設(shè)計》</p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前 言1</b></p><p>　　1.1 本設(shè)計的目的1</p><p

2、>　　1.2 本設(shè)計的技術(shù)要求1</p><p><b>　　2 設(shè)計說明2</b></p><p>　　2.1 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸2</p><p>　　2.1.1 爐底面積的確定2</p><p>　　2.1.2 確定爐膛尺寸2</p><p>　　2.1.3 爐襯材料及厚度的

3、確定3</p><p>　　2.2 砌體平均表面積計算3</p><p>　　2.2.1 爐頂平均面積3</p><p>　　2.2.2 爐墻平均面積4</p><p>　　2.2.3 爐底平均面積4</p><p>　　2.3 根據(jù)熱平衡計算爐子功率4</p><p>　　2.3.

4、1 加熱工件所需的熱量Q件4</p><p>　　2.3.2 通過爐襯的散熱損失Q散4</p><p>　　2.3.3 開啟爐門的輻射熱損失6</p><p>　　2.3.4 開啟爐門溢氣熱損失6</p><p>　　2.3.5 其它熱損失6</p><p>　　2.3.6 熱量總支出7</p>

5、<p>　　2.3.7 爐子安裝功率7</p><p>　　2.4 爐子熱效率計算7</p><p>　　2.4.1 正常工作時的效率7</p><p>　　2.4.2 在保溫階段，關(guān)閉時的效率7</p><p>　　2.5 爐子空載功率計算7</p><p>　　2.6 空爐升溫時間計算7&

6、lt;/p><p>　　2.6.1 爐墻及爐頂蓄熱8</p><p>　　2.6.2 爐底蓄熱計算8</p><p>　　2.6.3 爐底板蓄熱9</p><p>　　2.7 功率的分配與接線9</p><p>　　2.8 電熱元件材料選擇及計算10</p><p>　　2.8.1 圖表法

7、10</p><p>　　2.8.2 理論計算法10</p><p>　　2.9 爐子技術(shù)指標（標牌）11</p><p><b>　　一.設(shè)計任務(wù) </b></p><p>　　設(shè)計一臺高溫電阻爐，其技術(shù)條件為：</p><p>　?。?）.用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火、調(diào)

8、質(zhì)處理及回火。</p><p>　　（2）.工件：中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；</p><p>　?。?）.最高工作溫度：750℃；</p><p>　?。?）.生產(chǎn)率：70kg/h；</p><p>　?。?）.生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。</p><p>　　二 確定爐體結(jié)構(gòu)和

9、尺寸</p><p>　　1.確定爐膛有效尺寸</p><p>　　因無定型產(chǎn)品，故不能使用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標法。爐子的生產(chǎn)率為P=70，箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率P0為100kg/(m2·h)。故可求的爐底的有效面積</p><p>　　F1=P/P0=0.7 m2</p><p>　　由于熱處

10、理箱式電阻爐設(shè)計時應(yīng)考慮裝、出料方便取 L/B=2：1 因此，可求的：</p><p>　　L效==1.18 m</p><p>　　B效=L效/2=0.59 m</p><p>　　2..確定爐膛砌體尺寸</p><p>　　按統(tǒng)計資料，爐膛高度H與寬度B之比H/B通常在0.5～0.9之間，根據(jù)爐子的工作條件，取H/B=0.8左右。則H=0

11、.640 m</p><p>　　可以確定爐膛尺寸如下</p><p>　　L=L效+0.218=1.398m</p><p>　　B=B效+0.619=0.928m</p><p>　　H=0.8B=0.067*11=0.737m</p><p>　　三.爐襯材料及厚度的確定</p><p>

12、　　由于側(cè)墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即113mmQN－1.0輕質(zhì)粘土磚＋50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈＋113mmB級硅藻土磚。</p><p>　　爐頂采用113mmQN－1.0輕質(zhì)粘土磚＋80mm密度為250kg/ m3的普通硅酸鋁纖維氈＋115mm膨脹珍珠巖。</p><p>　　爐底采用三層QN－1.0輕質(zhì)粘土磚（67×3）mm＋5

13、0mm的普通硅酸鋁纖維氈＋182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。</p><p>　　爐門用65mm QN－1.0輕質(zhì)粘土磚＋80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈＋65mmA級硅藻土磚。</p><p>　　爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚，電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。</p><p>　　爐底板材料選用Cr－Mn－N耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，分三塊或四

14、塊，厚20mm。</p><p><b>　　砌體平均表面積計算</b></p><p>　　L外＝L+2×(115+80+115)=1958mm</p><p>　　B外＝B+2×(115+80+115)=148mm</p><p>　　H外＝H+f+(115+80+115)+67×3+5

15、0+182</p><p>　　=737+124+310+268+50+182</p><p><b>　　=1604mm</b></p><p>　　式中：f＝——拱頂高度，此爐子采用60°標準拱頂，取拱弧半徑R＝B，則f可由f＝R（1－cos30°）求得。</p><p><b>　　爐

16、頂平均面積</b></p><p>　　F頂內(nèi)＝×L＝=1.358 m2</p><p>　　F頂外＝B外×L外＝=2.914 m2</p><p>　　F頂均＝＝1.989m2</p><p><b>　　爐墻平均面積</b></p><p>　　爐墻面積包括側(cè)墻

17、及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)。</p><p>　　F墻內(nèi)＝2LH＋2BH＝2H（L＋B）=1.3853.429m2</p><p>　　F墻外＝2H外(L外＋B外)=11.055m2</p><p>　　F墻均＝＝6.157m2</p><p><b>　　爐底平均面積</b></p><

18、p>　　F底內(nèi)＝B×L＝1.297m2</p><p>　　F底外＝B外×L外＝2.941m2</p><p>　　F底均＝＝1.944m2</p><p><b>　　四.計算爐子功率</b></p><p>　　1.根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率</p><p><

19、b>　　由經(jīng)驗公式可知：</b></p><p>　　P安=Cτ-0.5升F0.9(t/1000)1.55</p><p>　　取式中系數(shù)C=30〔(kM·h0.5)/(m1.8·℃1.55)〕,空爐生溫時間假定問τ升=4h，爐溫t=750℃。</p><p>　　F壁=2*（1.398*0.737）+2*（0.928*0.73

20、7）+1.398*0.928+2*3.14*0.928*60/360*1.398=6.09 m2</p><p>　　所以 30×4-0.5×6.090.9×（750/1000）1.55= P安</p><p>　　解得，P=48.78kW 暫取P安=50kW</p><p>　　2.根據(jù)熱平衡計算爐子功率<

21、;/p><p>　　（1）加熱工件所需的熱量Q件</p><p>　　查表得，工件在750℃及20℃時比熱容分別為c件2＝0.624kJ/(kg·℃)，c件1＝0.486kJ/(kg·℃)</p><p>　　Q件＝p(c件2t1－c件1t0)＝70×(0.624×750－0.486×20)＝32105kJ/h</

22、p><p>　?。?）通過爐襯的散熱損失Q散</p><p>　　由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計算，將爐</p><p><b>　　包括在前墻內(nèi)。</b></p><p><b>　　根據(jù)式 Q散＝</b></p><p>　　對于爐墻散熱，首先

23、假定界面上的溫度及爐殼溫度，t’2墻＝620℃，t’3墻＝360℃，</p><p><b>　　t’4墻＝60℃則</b></p><p>　　耐火層s1的平均溫度ts1均＝＝685℃，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均＝</p><p>　　＝490℃，硅藻土磚層s3的平均溫度ts3均＝＝210，s1、s3層爐襯</p>&l

24、t;p><b>　　的熱</b></p><p><b>　　導(dǎo)率由附表3得</b></p><p>　　λ1＝0.29+0.256×10-3ts1均＝0.465W/(m·℃)</p><p>　　λ3＝0.131+0.23×10-3ts3均＝0.119W/(m·℃)</

25、p><p>　　普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由附表4查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由ts2均＝490℃，得</p><p>　　λ2＝0.100W/(m·℃)</p><p>　　當爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時，由附表2近似計算得αΣ＝12.17 W/(m·℃)</p><p><b&g

26、t;　　a.求熱流</b></p><p><b>　　q墻＝</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　?。?96.4W/ m2</p><p>　　b.驗算交界面上的溫度t2墻，t3墻</p><p>　　t2墻=t1－q墻＝627.3

27、℃</p><p><b>　　Δ＝＝＝1.16%</b></p><p>　　Δ<5%，滿足設(shè)計要求，不需重算。</p><p>　　t3墻=t2墻－q墻＝379℃</p><p><b>　　Δ＝＝＝4.7%</b></p><p>　　Δ<5%，滿足設(shè)計要求

28、，不需重算。</p><p>　　c.驗算爐殼溫度t4墻</p><p>　　t4墻=t3墻－q墻＝60.7℃<70℃</p><p>　　滿足一般熱處理電阻爐表面升溫<50℃的要求。</p><p>　　d.計算爐墻散熱損失</p><p>　　Q墻散＝q墻·F墻均＝496.4×3.1

29、7＝3056.3W</p><p><b>　　同理可以求得</b></p><p>　　t2頂=646.9℃, t3頂=296.9℃, t4頂=55.63℃, q頂＝419.6 W/ m2</p><p>　　t2底=618.4℃, t3底=446.7℃, t4底=44.3℃, q底＝301.5 W/ m2</p><p&

30、gt;<b>　　爐頂通過爐襯散熱</b></p><p>　　Q頂散＝q頂·F頂均＝834.6 W</p><p><b>　　爐底通過爐襯散熱</b></p><p>　　Q底散＝q底·F底均＝601.2 W</p><p><b>　　整個爐體散熱損失</b

31、></p><p>　　Q散＝Q墻散＋Q頂散＋Q底散</p><p><b>　　＝4492.1 W</b></p><p>　?。?）開啟爐門的輻射熱損失</p><p>　　設(shè)裝出料所需時間為每小時6分鐘</p><p>　　Q輻＝3.6×5.675Fφδt[（）4－（）4]&

32、lt;/p><p>　　因為Tg＝750＋273＝1023K，Ta＝20＋273＝293K，</p><p>　　由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故</p><p>　　爐門開啟面積F＝B×＝0.342 m2</p><p>　　爐門開啟率δt＝＝0.1</p><p>　　由于爐門開啟后，輻射口為

33、矩形，且與B之比為0.40，爐門開啟高度與爐墻厚度之比為</p><p>　?。?.7，由圖1－14第1條線查得φ＝0.6，故</p><p>　　Q輻＝3.6×5.675Fφδt[（）4－（）4]</p><p>　　＝3.6×5.675×0.342×0.1×0.7×[（）4－（）4]</p>

34、<p>　?。?0207.6kJ/h</p><p>　　（4）開啟爐門溢氣熱損失</p><p><b>　　溢氣熱損失由下式得</b></p><p>　　Q溢＝qvaρaca(t’g－ta) δt</p><p>　　其中，qva＝2200B··=457.6 m3/h</p&

35、gt;<p>　　冷空氣密度ρa＝1.29kg/ m3,由附表10得ca＝1.342kJ/( m3·℃),ta=20℃, t’g為溢氣溫度，近似認為t’g＝ta＋(tg-ta) ＝20＋(750-20)=506.7℃</p><p>　　Q溢＝qvaρaca(t’g－ta) δt＝457.6×1.29×1.342×(750－20)×0.1＝38553

36、.1 kJ/h</p><p><b>　　其它熱損失</b></p><p>　　其它熱損失約為上述熱損失之和的10%～20%，故</p><p>　　Q它＝0.14(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=11950.1kJ/h</p><p><b>　　熱量總支出</b></p><p

37、>　　其中Q輔＝0，Q控＝0，由下式得</p><p>　　Q總＝Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+ Q它</p><p>　　=97307.9kJ/h</p><p><b>　　爐子安裝功率</b></p><p><b>　　P安＝</b></p><p>　　

38、其中K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計中K取2，則</p><p><b>　　P安＝54.1kW</b></p><p>　　與標準爐子相比較，取爐子功率為60kW。</p><p>　　五. 爐子熱效率計算</p><p>　　1.正常工作時的效率</p><p><b>　　η＝=33.0

39、%</b></p><p>　　2.在保溫階段，關(guān)閉時的效率</p><p><b>　　η＝＝66.1%</b></p><p>　　六.爐子空載功率計算</p><p>　　P空＝＝4.57kW</p><p>　　七.空爐升溫時間計算</p><p>　　

40、由于所設(shè)計爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計算，將爐子側(cè)墻</p><p>　　和前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計算，爐底由于砌磚方法不同，進行單獨計算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。</p><p><b>　　1.爐墻及爐頂蓄熱</b></p><p>　　V側(cè)粘＝2×[1.398×(11×0.

41、067+0.135)×0.115]=0.280m3</p><p>　　V前·后粘＝2×[(0.928+0.115×2)×(15×0.067+0.135)×0.115]=0.304m3</p><p>　　V頂粘＝0.97×(1.398+0.276)×0.115=0.187m3</p>

42、<p>　　V側(cè)纖＝2×[(1.398+0.115)×(11×0.067+0.135)×0.05]=0.132m3</p><p>　　V前·后纖＝2×[(0.928+0.115×2)×(15×0.067+0.135)×0.05]=0.132m3</p><p>　　V頂纖＝1.0

43、92×(1.398+0.276)×0.08=0.146m3</p><p>　　V側(cè)硅＝2×[ (15×0.067+0.135)×(1.398+0.115)×0.115]=0.397m3</p><p>　　V前·后硅＝2×[1.398×(15×0.067+0.135)×0.115

44、]=0.367m3</p><p>　　V頂硅≈2.3×1.398×0.115=0.370 m3</p><p>　　Q蓄＝V粘ρ粘c粘(t粘－t0)+V纖ρ纖c纖(t纖－t0)+ V硅ρ硅c硅(t硅－t0)</p><p>　　因為t粘＝（t1＋t2墻）/2＝688.65℃</p><p><b>　　查附表3

45、得</b></p><p>　　c粘＝0.84+0.26×10-3t粘＝0.84+0.26×10-3×688.65=1.019 kJ/(kg·℃)</p><p>　　t纖＝（t2墻＋t3墻）/2＝＝503.15℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><

46、p>　　c纖＝0.81+0.28×10-3t纖＝0.84+0.26×10-3×503.15=0.951 kJ/(kg·℃)</p><p>　　t硅＝（t3墻＋t4墻）/2＝＝219.85℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c硅＝0.84+0.25×10

47、-3t硅＝0.84+0.26×10-3×219.85=0.895 kJ/(kg·℃)</p><p><b>　　所以得</b></p><p>　　Q蓄1＝(V側(cè)粘+ V前·后粘+ V頂粘)ρ粘c粘(t粘－t0)</p><p>　　+(V側(cè)纖+ V前·后纖+ V頂纖)ρ纖c纖(t纖－t0)&

48、lt;/p><p>　　+( V側(cè)硅+ V前·后硅+ V頂硅)ρ硅c硅(t硅－t0)</p><p>　?。?73837.33 kJ/h</p><p><b>　　2.爐底蓄熱計算</b></p><p>　　V底粘＝[4×(0.02×0.12+0.113×0.065)+(0.04&

49、#215;2+0.065)×0.113+(0.113×0.120)×2]×1.398+(1.488-0.115×2)×(1.958-0.115)×0.065</p><p><b>　　＝0.288m3</b></p><p>　　V底纖＝1.958×1.488×0.05＝0.1

50、46m3</p><p>　　V底硅＝1.958×1.488×0.182＝0.535m3</p><p>　　由于t底粘＝（t1＋t2底）/2＝(750+618.4)/2＝684.2℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c底粘＝0.84+0.26×10-3t

51、底粘＝1.02 kJ/(kg·℃)</p><p>　　t底纖＝（t2底＋t3底）/2＝(618.4+446.7)/2＝532.55℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c底纖＝0.81+0.28×10-3t底纖＝0.959 kJ/(kg·℃)</p><p&g

52、t;　　t底硅＝（t3底＋t4底）/2＝(446.7+44.3)/2＝245.5℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c底硅＝0.84+0.25×10-3t底硅＝0.901 kJ/(kg·℃)</p><p><b>　　所以得</b></p><p

53、>　　Q底蓄＝0.288×1.0×103×1.02×(684.2-20)+0.146×0.25×103×0.959×(532.55-20)+0.538×0.5×103×0.901×(245.5-20)</p><p>　?。?67710.64 kJ/h</p><p&g

54、t;<b>　　3.爐底板蓄熱</b></p><p>　　根據(jù)附表6查得750℃和20℃時高合金鋼的比熱容分別為c板2＝0.691kJ/(kg·℃)和c板1＝0.473kJ/(kg·℃)。經(jīng)計算爐底板重量G=336kg，所以有</p><p>　　Q板蓄＝G(c板2t1- c板1t0)=336×(0.691×750－9.46)

55、＝170953.44 kJ/h</p><p>　　Q蓄＝Q蓄1＋Q底蓄＋Q板蓄＝1112501.41 kJ/h</p><p><b>　　空爐升溫時間</b></p><p><b>　　τ升＝＝5.15h</b></p><p>　　對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3～8小時內(nèi)均可，故本爐

56、子設(shè)計符合要求。因計算蓄熱時是按穩(wěn)定態(tài)計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應(yīng)在4小時以內(nèi)。</p><p>　　八.功率的分配與接線</p><p>　　30kW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y、Δ或YY、ΔΔ接線。供電電壓為車間動力380V。</p><p>　　核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負荷，</p><p>　　F電＝2F電

57、側(cè)＋F電底＝2×1.398×0.737+1.398×0.928=3.357 m2</p><p>　　W＝P安/F電＝60/3.357＝17.87 kW/ m2 </p><p>　　對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負荷應(yīng)在15～35kW/ m2 之間，故符合設(shè)計要求。</p><p>　　九.電熱元件材料選擇及計算</p>

58、<p>　　由最高使用溫度750℃，選用線狀0Cr25Al15合金電熱元件，接線方式采用YY。</p><p><b>　　1.圖表法</b></p><p>　　由附表15查得0Cr25Al1電熱元件30kW箱式爐YY接線，直徑d＝4.5mm時，其表面負荷為1.39W/ cm2。每組元件長度L組＝50.1m,總長度L總＝300.6m,元件總重量G總＝36

59、.4kg。</p><p><b>　　2.理論計算法</b></p><p>　?。?）、求750℃時電熱元件的電阻率ρt</p><p>　　當爐溫為750℃時，電熱元件溫度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃時電阻率</p><p>　　ρ20＝1.40Ω·mm2/m，電阻溫度系數(shù)α＝4&

60、#215;10-5℃-1,則1100℃下的電熱元件電阻率為</p><p>　　ρt＝ρ20(1+αt)= 1.40×(1+4×10-5×1100)= 1.46Ω·mm2/m</p><p>　　（2）、確定電熱元件表面功率</p><p>　　由圖5－3，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允＝1.6W/ cm2。</p&g

61、t;<p>　?。?）、每組電熱元件功率</p><p>　　由于采用YY接法，即三相雙星形接法，每組元件功率</p><p>　　P組＝60/n=30/(3×2)＝10kW</p><p>　?。?）、每組電熱元件端電壓</p><p>　　由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每項電

62、壓</p><p>　　U組＝380/=220V</p><p>　　（5）、電熱元件直徑</p><p>　　線狀電熱元件直接由下式得</p><p>　　d＝34.3＝4.2mm</p><p><b>　　取d=4.5mm</b></p><p>　?。?）、每組電熱

63、元件長度和重量</p><p>　　每組電熱元件長度由下式得</p><p>　　L組＝0.785×10-3 ＝52.7m</p><p>　　每組電熱元件重量由下式得</p><p>　　G組＝d2 L組ρM</p><p>　　式中，ρM由附表12查得ρM＝7.1g/ cm2</p><

64、;p><b>　　所以得</b></p><p>　　G組＝d2 L組ρM＝5.95kg</p><p>　?。?）、電熱元件的總長度和總重量</p><p><b>　　電熱元件總長度</b></p><p>　　L總＝3L組＝316.2m</p><p><b

65、>　　電熱元件總重量</b></p><p>　　G總＝3G組＝35.7kg</p><p>　　（8）、校核電熱元件表面負荷</p><p>　　W實＝＝1.34W/ cm2</p><p>　　W實< W允，結(jié)果滿足設(shè)計要求。</p><p>　?。?）、電熱元件在爐膛內(nèi)的布置</p&

66、gt;<p>　　將6組電熱元件每組分為5折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則有</p><p>　　L折＝L組/5=52.7/5=10.54m</p><p>　　布置電熱元件繞成螺旋狀，當元件溫度高于1000℃。由表5－5可知，螺旋節(jié)徑D=(4～6)d，</p><p>　　取D=6d＝6×4.5＝27mm</p><p&g

67、t;　　螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為</p><p>　　N＝L折/πD＝10.54/(3.14×27) ×103＝125圈</p><p>　　h＝L’/N＝10.8mm</p><p><b>　　h/d=2.4</b></p><p>　　按規(guī)定，h/d在2～4范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求。</p&g

68、t;<p>　　根據(jù)計算，選用Y方式接線，采用d＝4.5mm所用電熱元件重量最小，成本最低。</p><p>　　電熱元件節(jié)距h在安裝時適當調(diào)整，爐口增大功率。</p><p>　　電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti，φ＝12mm，l＝500mm。</p><p>　　十.爐子技術(shù)指標（標牌）</p><p>　　額定功

69、率：60kW 額定電壓：380V</p><p>　　使用溫度：750℃ 生產(chǎn)率：70 kg/h</p><p>　　相數(shù)：3 接線方法：YY</p><p>　　工作室有效尺寸：1180*590*470 外

70、型尺寸：1958*1488*1604</p><p>　　重量： 出廠日期：</p><p>　　十一.參 考 文 獻</p><p>　　1、熱處理爐 吉澤升編著 哈爾濱工程大學(xué)出版社</p><p>　　2、熱處理工程基礎(chǔ) 陸興主編 機械工業(yè)出版社</p&