熱處理電阻爐設(shè)計計算舉例

2020/5/18,.,1,熱處理電阻爐課程設(shè)計,2020/5/18,.,2,電阻爐是最主要的、應(yīng)用最廣的熱處理設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：1)控溫精度和自動化程度很高，準(zhǔn)確度可達(dá)15；2)爐溫均勻性好，波動范圍小，可控制在35；3)熱效率高，可達(dá)45%80%(煤氣爐25%)；4)便于采用可控氣氛；5)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，便于組成流水線生產(chǎn)；6)其生產(chǎn)和熱處理工藝的機(jī)械化、自動化、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量高，勞動條件好，對環(huán)境污染較小。,2020/5/18,.,3,箱式電阻爐,2020/5/18,.,4,箱式電阻爐a、高溫箱式電阻爐：最高溫度1300，SiC棒作電熱元件。特點(diǎn)：電熱元件直接布置在爐膛兩側(cè)，且不遮蔽，極少布置于爐頂和爐底，工件加熱依靠熱輻射。砌筑材料要求高，高鋁磚或SiC制品。,2020/5/18,.,5,2020/5/18,.,6,b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950，合金電熱元件Ni-Cr。特點(diǎn)：1）電熱元件布置在爐子側(cè)壁和爐頂，依靠輻射加熱工件。2）爐襯采用密度不超過1.0g/cm3的輕質(zhì)耐火粘土磚砌成，保溫層采用珍珠巖保溫磚并填以蛭石粉、膨脹珍珠巖顆粒等材料。,2020/5/18,.,7,b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950，合金電熱元件Ni-Cr。特點(diǎn)：3）在耐火層和保溫層間夾以硅酸鋁耐火纖維作為爐襯。作用：爐襯變薄、重量減輕、爐襯蓄熱量減少、熱損失減少、降低爐子空載功率并縮短升溫時間。4）較大的爐子采用溫度分區(qū)控制，增進(jìn)溫度均勻性，還可設(shè)置風(fēng)扇，以加快傳熱速度。5）爐底電熱元件上方敷蓋耐熱鋼制爐底板，其材料以鉻錳氮居多。,2020/5/18,.,8,2020/5/18,.,9,c、低溫箱式電阻爐：650有強(qiáng)制氣流循環(huán)和遠(yuǎn)紅外輻射加熱爐，前者靠對流傳熱。,2020/5/18,.,10,熱處理電阻爐的設(shè)計是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作：所需知識：爐子知識；熱處理工藝；機(jī)械設(shè)計；電工及溫度控制等有關(guān)內(nèi)容；設(shè)計原則：密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，綜合運(yùn)用有關(guān)知識。設(shè)計準(zhǔn)備：詳盡收集有關(guān)原始資料：包括：生產(chǎn)任務(wù)(公斤或件/小時或年)及作業(yè)制度(一、二班或連續(xù)生產(chǎn))；加熱工件的材料、形狀、尺寸和重量；工件的熱處理工藝規(guī)程和質(zhì)量要求；電源及車間廠房等條件；爐子的制造維修能力和投資金額等。,2020/5/18,.,11,熱處理電阻爐的設(shè)計內(nèi)容(1)爐型的選擇；(2)爐膛尺寸的確定；(3)爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(包括爐襯、構(gòu)架、爐門等)；(4)電阻爐功率的計算及功率分配；(5)電熱元件材料的選擇；(6)電熱元件材料的設(shè)計計算；(7)爐用機(jī)械設(shè)備和電氣、控溫儀表的設(shè)計與選用；(8)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的核算；(9)繪制爐子總圖、砌體圖、零部件圖、安裝圖和編制電爐使用說明書等隨機(jī)技術(shù)文件。,熱處理電阻爐設(shè)計計算舉例,一、設(shè)計任務(wù),為某廠設(shè)計一臺熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：(1)用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調(diào)質(zhì)處理。處理對象為中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；(2)生產(chǎn)率：160kg/h；(3)工作溫度：最高使用溫度950；(4)生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。,1爐底面積的確定因無定型產(chǎn)品，故不能用實(shí)際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。已知生產(chǎn)率p為160kg/h，按表51選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率p0為120kg/(m2h)，故可求得爐底有效面積,二、爐型的選擇,根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用箱式熱處理電阻加熱爐，不通保護(hù)氣氛。,三、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸,2020/5/18,.,15,有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1/F=0.750.85，取系數(shù)上限，得爐底實(shí)際面積,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.741m，B=0.869m。,由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計時應(yīng)考慮裝出料方便，取L/B=2：1，而F=LB=0.5L2，因此，可求得,2爐底長度和寬度的確定,3爐膛高度的確定按統(tǒng)計資料，爐膛高度H與寬度B之比H/B通常在0.50.9之間，根據(jù)爐子工作條件，取H/B=0.7左右，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，選定爐膛高度H=0.640m。因此，確定爐膛尺寸如下：,爐底支撐磚厚度,拱角磚矮邊高度,爐底擱磚寬度,磚縫,長度,磚長,為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為：L效=1500mm；B效=700mm；H效=500mm,4爐襯材料及厚度的確定由于側(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113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mrnB級硅藻土磚。爐頂采用113mmQN1.0輕質(zhì)粘土磚十80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十115mm膨脹珍珠巖。爐底采用三層QN1.0輕質(zhì)粘土磚(673)mm+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門用65mmQN1.0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。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。（注67=65+2，2是磚縫的寬度。）,2020/5/18,.,21,四、砌體平均表面積計算,爐底板材料選用CrMnN耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。,爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內(nèi)。F墻內(nèi)=2LH十2BH=2H(L十B)=20.640(1.741+0.869)=3.341m2F墻外=2H外(L外+B外)=21.566(2.360+1.490)=12.058m2,爐頂平均面積,2爐墻平均面積,五、計算爐子功率1根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計算爐子功率由式(514),2020/5/18,.,25,式中：空爐升溫時間(h)；F爐膛內(nèi)壁面積(m2)t爐溫()；C系數(shù)，熱損失大的爐子，C3035；熱損失小的爐子，C2025，單位為(kwh0.5)(m1.81.55)。這種方法適用于周期作業(yè)封閉式電阻爐，使用時需注意使用條件并參考有關(guān)文獻(xiàn)。,取式中系數(shù)C=30(kWh0.5)/(m1.8C1.55)，空爐升溫時間假定為升=4h，爐溫t=950，爐膛內(nèi)壁面積F壁,由經(jīng)驗(yàn)公式法計算得P安75(kW),(1)加熱工件所需的熱量Q件由附表6得，工件在950及20時比熱容分別為C件2=0.63kJ/(kg)，C件1=0.486kJ/(kg)，根據(jù)式(51)Q件=P(C件2t1C件1to)=160(0.63950-0.48620)=95117kJ/h（p每小時裝爐量）,(2)通過爐襯的散熱損失Q散由于爐子側(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，將爐門包括在前墻內(nèi)。,2根據(jù)熱平衡計算爐子功率,耐火層S1的平均溫度ts1均=（950+780）/2=865，硅酸鋁纖維層S2的平均溫度ts2均=（780+485）/2=632.5,硅藻土磚層S3的平均溫度ts3均=（485+60）/2=272.5，S1、S3層爐襯的熱導(dǎo)率由附表3得1=0.29+0.25610-3ts1均=0.29+0.25610-3865=0.511W/(m)3=0.131+0.2310-3ts3均=0.131+0.2310-3272.5=0.194W/(m)。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(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由tS2均=632.5，得2=0.129W/(m),當(dāng)爐殼溫度為60，室溫為20時，由附表2經(jīng)近似計算得=12.17W/(m2)（綜合傳熱系數(shù)）求熱流,驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻、t3墻,滿足一般熱處理電阻爐表面溫升50的要求。室溫20,驗(yàn)算爐殼溫度t4墻,計算爐墻散熱損失Q墻散=q墻F墻均=730.46.25=4562.5W同理可以求得t2頂=844.39；t3頂=562.6；t4頂=53；q頂=485.4W/m2,t2底=782.2，t3底568.54，t4底=53.7，q底=572.2W/m2爐頂通過爐襯散熱Q頂散=q頂F頂均=485.42.29=1111.6W爐底通過護(hù)襯散熱Q底散=q底.F底均=572.22.23=1276W,整個爐體散熱損失Q散=Q墻散+Q頂散十Q底散=4562.5+1111.6+1276=6950.1w（因?yàn)?W=3.6kJ/h）所以Q散=3.66950.1=25020.4kJ/h,(3)開啟爐門的輻射熱損失設(shè)裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據(jù)式(56),式中：C黑體輻射系數(shù)；F爐門開啟面積或縫隙面積（m）；3.6系數(shù)；爐口遮蔽系數(shù)；t爐門開啟率(即平均1小時內(nèi)開啟的時間)，對常開爐門或爐壁縫隙而言t=1。,由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.32/0.869=0.37，（可看出此為一拉長的矩形），爐門開啟高度與爐墻厚度之比為H/S=0.32/0.28=1.14，由圖114第1條線查得=0.7，故,0.28=(0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05(m),(4)開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由式(57Q吸)得Q溢=qVC(tgt)t其中，qV由式（58qva=1997BH）得,(5)其它熱損失其它熱損失約為上述熱損失之和的10%20%，故Q它=0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=0.13(95117+25020.4+8877.75+33713)=23346.1kJ/h,(6)熱量總支出其中Q輔=0，Q控=0，由式(5l0)得Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+Q它=95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1=202931.2kJ/h,與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為75kW。,(7)爐子安裝功率,1正常工作時的效率由式(512),2.在保溫階段，關(guān)閉爐門時的效率,六、爐子熱效率計算,七、爐子空載功率計算,八、空爐升溫時間計算,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、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(jìn)行單獨(dú)計算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內(nèi)。,1.爐墻及爐頂蓄熱,由式（59）,得：,蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（kJ）（59）,爐底蓄熱計算,查附表3得,3爐底板蓄熱根據(jù)附表6查得950和20時高合金鋼的比熱容分別為C板2=0.670kJ/(kg)和C板1=0.473kJ/(kg)。經(jīng)計算爐底板重量G=242kg，所以有,Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJ,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(shí)際空爐升溫時間應(yīng)在4小時以內(nèi)。,由式(513)得空爐升溫時間,Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板=1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ,75kW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y、或YY,、接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在1535kw/m2之間，常用為2025kw/m2之間。,表面負(fù)荷在2025kW/m2常用的范圍之內(nèi)，故符合設(shè)計要求。,九、功率的分配與接線,1圖表法由附表15查得0Cr25A15電熱元件75kW箱式爐YY接線，直徑d=5mm時，其表面負(fù)荷為1.58W/cm2。每組元件長度L組=50.5m，總長度L總=303.0m,元件總重量G總=42.3kg,2、理論計算法(1)求950時電熱元件的電阻率t當(dāng)爐溫為950時，電熱元件溫度取1100，由附表12查得0Cr25A15在20時電阻率20=1.40mm2/m，,由最高使用溫度950，選用線狀0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用YY。,十、電熱元件材料選擇及計算,2020/5/18,.,52,2020/5/18,.,53,(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓,(3)每組電熱元件功率由于采用YY接法，即三相雙星形接法，每組元件功率,(2)確定電熱元件表面功率由圖53，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6W/Cm,電阻溫度系數(shù)=410-5-1，則1100下的電熱元件電阻率為t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m,（7)電熱元件的總長度和總重量電熱元件總長度由式(527)得L總=6L組=652.07=312.44m電熱元件總重量由式(528)得G總=6G組=67.26=43.56kg,式中，M由附表12查得M=7.1g/cm2所以得,所需電熱元件總長度和總重量為L總=nL（m）（5-27）G總=nG（kg）（5-28）,2020/5/18,.,57,2020/5/18,.,58,常用元件的表面允許負(fù)荷,(9)電熱元件在爐膛內(nèi)的布置將6組電熱元件每組分為4折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則有,布置電熱元件的爐壁長度L=L50=1741-50=1691mm絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000，由表55可知，螺旋節(jié)徑D=(46)d，取D=6d=65=30mm螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為,h=L/N=1691/138=12.3mmh/d=12.3/5=2.46按規(guī)定，h/d在24范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求。根據(jù)計算，選用YY方式接線，采用d=5mm所用電熱元件重量最小，成本最低。電熱元件節(jié)距h在安裝時適當(dāng)調(diào)整，爐口部