年產(chǎn)三萬噸紫銅加熱爐設(shè)計(jì)

1、 學(xué) 號(hào)0910121100 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)課 題 年產(chǎn)三萬噸紫銅加熱爐設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 張 明 系 別 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí) 09材料成型及控制工程 指導(dǎo)教師 汪 勁 松 二0 一三年 五 月目 錄第一章 綜 述- 1 -1.1銅材加工的生產(chǎn)現(xiàn)狀- 1 -1.2燃料處理爐的種類和特點(diǎn)- 1 -1.3電加熱爐的種類和特點(diǎn)- 1 -1.4設(shè)計(jì)方案和理由- 2 -第二章 紫銅加熱爐的工藝設(shè)計(jì)- 4 -2.1紫銅(T2)的特性及化學(xué)成分- 4 -2.2熱處理爐的分類和選擇- 5 -2.3感應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)中的幾個(gè)原則- 6 -2.4車間設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)- 7 -第三章 主要設(shè)備的計(jì)算和選擇- 9 -3.1計(jì)

2、算的已知條件- 9 -3.2電流穿透深度與電流頻率f- 9 -3.3坯料加熱的有效功率P21（kW）- 10 -3.4坯料加熱的輻射熱損失P22（kw）與傳導(dǎo)熱損失P23（kW）- 10 -3.5坯料加熱時(shí)間TS- 12 -3.6感應(yīng)加熱爐的主要尺寸確定- 15 -3.7磁場強(qiáng)度H0的計(jì)算- 15 -3.8磁通的計(jì)算- 16 -3.9感應(yīng)線圈匝數(shù)W的計(jì)算- 17 -3.10感應(yīng)線圈上電流的計(jì)算- 18 -3.11線圈導(dǎo)體截面積S的計(jì)算- 18 -3.12導(dǎo)磁體截面積的計(jì)算- 19 -3.13感應(yīng)加熱爐的電效率- 20 -3.14感應(yīng)加熱爐的總效率與功率- 21 -3.15感應(yīng)加熱爐的功率因數(shù)-

3、 21 -3.16補(bǔ)償電容的容量- 22 -第四章 車間勞動(dòng)定員- 23 -4.1工作制度- 23 -4.2車間勞動(dòng)定員- 23 -4.3具體勞動(dòng)定員方案- 24 -第五章 車間組成和平面布置- 26 -5.1加熱車間的組成- 26 -5.2車間平面布置- 26 -第六章 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)- 28 -6.1投資概算- 28 -6.2流動(dòng)資金定額的概算- 28 -6.3產(chǎn)品成本- 28 -第七章 設(shè)計(jì)中遺留的問題- 30 -參考文獻(xiàn)- 31 -致 謝- 32 -年產(chǎn)三萬噸紫銅加熱爐設(shè)計(jì)摘 要本次設(shè)計(jì)的課題為年產(chǎn)三萬噸紫銅加熱爐，由于三萬噸的產(chǎn)量不大且為了響應(yīng)國家節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的號(hào)召，最終選擇

4、為臥式、全長、周期式的工頻感應(yīng)加熱爐。在整體設(shè)計(jì)過程中，首先依據(jù)產(chǎn)量、坯料的形狀、金屬加熱新趨勢等方面研究說明了選擇爐型的原因。其次通過大量的理論計(jì)算，分別得出了加熱爐的各項(xiàng)尺寸、電參數(shù)以及各部分配件的材料選擇。最后，根據(jù)車間設(shè)計(jì)的理論和要求，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的加熱爐車間進(jìn)行了定性的分析和安排。在經(jīng)過數(shù)月的設(shè)計(jì)之后，得到了一份包括前期理論研究、中期數(shù)據(jù)計(jì)算、后期車間安排的設(shè)計(jì)任務(wù)書。在對(duì)于工頻感應(yīng)加熱爐的設(shè)計(jì)過程中，不難發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱爐的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見的燃料加熱爐，并且易于拆卸搬遷。但是由于感應(yīng)線圈需要根據(jù)坯料的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以一個(gè)感應(yīng)加熱爐只能對(duì)形狀相似相近的坯料進(jìn)行加熱，對(duì)于不同形狀的坯料

5、無法通過同一個(gè)感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，同時(shí)其產(chǎn)量沒有燃料加熱爐大。但是在對(duì)于產(chǎn)品品種數(shù)量不大，形狀相對(duì)統(tǒng)一的工廠，使用感應(yīng)加熱爐不僅節(jié)能環(huán)保，且能夠降低生產(chǎn)成本。在選擇加熱爐爐型的過程中，通過大量的閱讀了相關(guān)的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)的金屬加熱行業(yè)仍然大量的使用各種各樣的燃料加熱爐，不僅對(duì)環(huán)境造成了巨大污染，同時(shí)工作環(huán)境非常惡劣，對(duì)工人的身體危害非常巨大。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境的重視程度的日益提高，工人整體素質(zhì)水品、培養(yǎng)成本的增加。制造行業(yè)對(duì)于自身制造生產(chǎn)條件必須逐步提高，而對(duì)于本次設(shè)計(jì)中的金屬坯料加熱方面，感應(yīng)加熱爐的應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞：紫銅；感應(yīng)加熱爐；工頻加熱爐；車間設(shè)計(jì)Abstra

6、ctThe topic of this design is copper heating furnace with an annual output of thirty thousands tons.Because of the output of thirty thousand tons is not large and in order to response to the national call of energy conservation,emissions reduction and environment protection,the final choice is horiz

7、ontal full-length and periodic power frequency induction heating furnace.During the whole design,first,I explained the reason of choosing the model of furnace according to researching the output ,shapes of blanks and new tendency of metal heating and so on.Then,on the basis of a mass of theory calcu

8、lation,I acquired all the sizes of heating furnace ,electrical parameter and meterical selections of all the sections of parts. Last,I analysed and arranged the heating furnace workshop in this design according to the theories and requirements of workshop design.After months of design,I acquired a d

9、esign specification containing prophase theory research ,metaphase data calculation and anaphase workshop arrangement.In the design process of the power frequency induction heating furnace,it was not difficult to find that the efficiency of induction heating furnace was much larger than the common f

10、uel heating furnace and it was easy to dismantle and remove.On the one hand ,because the induction coil needs to be designed according to the shape of the blank,an induction heating furnace can only heat blanks which are similar to the shape but different shapes of blanks can not be heated by an ind

11、uction heating furnace.At the same time,the yield is smaller than fuel heating furnace.On the other hand,if the varieties of products is small quantities and the blank is similar,the use of induction heating furnace not only is energy saving and environmental protection but also can reduce the produ

12、ction cost.In the process of choosing heating furnace.I read a lot of literatures related to my design and found that the metal heating domestic industy still use a lots of various fuel heating fuenace at present.It not only pollute the environment seriously but also is harm to workers bodies becaus

13、e of the bad working conditions.With the development of society,peoples degree of attention to enviroment is incresing and the overall professionalism level of workers and educational cost are also incresing.The production conditions of manufacturing industy must be incresed gradually.So induction h

14、eating furnace has impotant application prospects in heating metal blank.Keywords:copper ;induction heating furnace;power frequency heating furnace;workshop design銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 綜 述1.1銅材加工的生產(chǎn)現(xiàn)狀 紫銅，是目前國內(nèi)外均高度重視的有色金屬。由于其廣泛的通途，是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)材料。而我國目前正處于工業(yè)化高速發(fā)展的階段，年均銅消耗量非常龐大。縱觀近幾十年我國銅加工的歷史。我們不難發(fā)現(xiàn)，我們的消費(fèi)量要大于生產(chǎn)

15、量。由于我國在加工方面的技術(shù)局限，很多技術(shù)要求高的銅產(chǎn)品不得不依靠進(jìn)口。所以作為銅材加工行業(yè)的一員，如何提高自身的加工技術(shù)水品，提高產(chǎn)品質(zhì)量是我們不得不面對(duì)的問題。在我國目前的有色金屬加工行業(yè)中，有不少仍然使用的是燃料加熱爐。燃料加熱爐不但熱效率低，即使在燃料加熱爐中熱效率較高的兩段式連續(xù)加熱爐的鋼坯加熱的有效熱也僅僅占30%。同時(shí)由于燃料的大量燃燒，所產(chǎn)生煙氣和煙塵，對(duì)于環(huán)境的破壞時(shí)非常巨大的。同時(shí)，我國的基本國策之一便是節(jié)約資源，無論是對(duì)燃料的消耗還是對(duì)加工坯料的燒損等，火焰爐已經(jīng)越來越不能滿足我們的要求。現(xiàn)今，燃料爐已經(jīng)逐步向電加熱爐發(fā)展。根據(jù)電能轉(zhuǎn)換成熱能的方式不同，電加熱爐分為感應(yīng)加

16、熱爐與電阻加熱爐。對(duì)于電阻加熱爐，是將電源直接與導(dǎo)體相連接，受到導(dǎo)體中的電阻作用而產(chǎn)生熱能，從而加熱坯料。感應(yīng)加熱爐則是將加熱的坯料至于感應(yīng)線圈之中。當(dāng)將交變電流接入感應(yīng)器之后，在磁場的作用下，因交變電流而產(chǎn)生的熱能便可以將金屬坯料加熱。1.2燃料處理爐的種類和特點(diǎn)加熱爐的燃料一般分為固體、液體、氣體燃料。常見的固體燃料有煤和煤粉，常見的液體燃料有重油和輕油，常見的氣體燃料有高爐煤氣、混合煤氣等。在固體和液體燃料中的主要成分是碳，氣體燃料是多種可燃?xì)怏w與O2、CO2等的混合。加熱爐一般由爐膛，燃料系統(tǒng)，供風(fēng)系統(tǒng)，排煙系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，余熱利用裝置等幾部分組成。爐膛由爐強(qiáng)、爐頂、爐底等組成，是加熱

17、金屬的地方。冷卻系統(tǒng)由安裝在加熱爐爐底冷卻水管已經(jīng)其他冷卻構(gòu)建組成，冷卻方式可以分為水冷卻以及氣化冷卻。余熱利用設(shè)備最大限度的利用由加熱爐排除的高溫廢氣，是為了提高加熱效率，節(jié)約燃料資源。供風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)根據(jù)加熱爐的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高燃料的燃燒程度，降低廢氣中灰分等成分對(duì)于環(huán)境的污染。1.3電加熱爐的種類和特點(diǎn)1.3.1電阻加熱爐電阻加熱爐是由兩個(gè)半圓形的爐體對(duì)稱組成。爐體輕便，方便搬運(yùn)、吊裝、拆卸。整體堅(jiān)固耐用，爐體保溫性能好。電阻絲在布置上要注意均勻合理以保證發(fā)熱的均勻。在種類上分為以輻射為主的電阻爐、以對(duì)流產(chǎn)熱為主的電阻爐、以傳導(dǎo)傳熱為主的電阻爐、電阻直接加熱爐。1.3.2感應(yīng)加熱

18、爐感應(yīng)加熱設(shè)備包括感應(yīng)加熱爐、水冷系統(tǒng)、電源及裝卸料的機(jī)械等。但是設(shè)計(jì)之中最主要的是設(shè)計(jì)一個(gè)加熱效率高、耗電量少并工作穩(wěn)定的感應(yīng)器。感應(yīng)加熱爐的爐型按照電源頻率的不同，可以分為高頻（10000Hz以上）、中頻（15010000Hz）、工頻（5060Hz）。由于銅、鋁等有色金屬的電阻率較低，所以大多采用工頻感應(yīng)加熱爐。與高、中頻感應(yīng)加熱爐相比較，工頻感應(yīng)加熱爐的結(jié)構(gòu)簡單、制造費(fèi)用低、電流透入深度大，可以對(duì)坯錠進(jìn)行深層加熱，能夠縮短加熱時(shí)間。感應(yīng)加熱爐根據(jù)不同的加熱規(guī)范可以分為周期式、步進(jìn)式和連續(xù)式。周期式的感應(yīng)加熱爐，在感應(yīng)器內(nèi)只放入一件坯料進(jìn)行加熱，達(dá)到要求后停止供電，取出已經(jīng)加熱的坯料再放入

19、一件冷的坯料。步進(jìn)式的感應(yīng)加熱爐，即在感應(yīng)器中同時(shí)放入幾件坯料，每從進(jìn)料端放進(jìn)一件冷坯料，從出了斷就取出一件已經(jīng)達(dá)到加熱要求的熱坯料，感應(yīng)器不斷電。連續(xù)式的感應(yīng)加熱爐，就是長的坯料連續(xù)不斷的通過感應(yīng)器，由出料端不斷的出料。感應(yīng)器不斷電。感應(yīng)加熱爐根據(jù)坯料的分類，爐型可以分為臥式、全長、周期式的感應(yīng)加熱爐，立式、全長、周期式的感應(yīng)加熱爐，臥式、連續(xù)式感應(yīng)加熱爐等共計(jì)13種，根據(jù)坯料的具體性質(zhì)、尺寸、加熱要求已經(jīng)場地情況等可以選擇最合適的感應(yīng)加熱爐。1.2.3浴爐 浴爐廣泛應(yīng)用于熱處理行業(yè)，其種類很多。按照熔體介質(zhì)的不同，可以分為鉛浴爐、鹽浴爐、油浴爐等。按照加熱方式的不同，可以分為內(nèi)熱式與外熱式

20、。按照結(jié)構(gòu)不同，可以分為插入式和埋入式等。浴爐具有加熱速度快、加熱溫度均勻、可以無氧化加熱等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)有熔體飛濺或爆炸、有揮發(fā)性物質(zhì)、清理工件麻煩、輻射熱損失大及不利于機(jī)械化和連續(xù)作業(yè)等。1.4設(shè)計(jì)方案和理由1.4.1選題名稱年產(chǎn)3萬噸紫銅加熱爐設(shè)計(jì)。本文根據(jù)實(shí)際情況，選定加熱工件的材質(zhì)T2紫銅。加熱終溫選定為920。加熱徑向溫差：50。加熱工件外形尺寸：280mm900mm.1.4.2 感應(yīng)加熱方式與爐型加熱爐根據(jù)加熱原理不同可以分為燃料加熱爐以及電加熱爐。電加熱爐分為電阻加熱爐以及感應(yīng)加熱爐。具體分類參見圖1-1.加熱爐燃料加熱爐電加熱爐電阻加熱爐感應(yīng)加熱爐間接加熱爐直接加熱爐圖 1-1燃

21、料加熱爐由于對(duì)于能源的消耗比較大、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重、熱效率不高等原因，現(xiàn)在已經(jīng)逐步向電加熱發(fā)展。且本次設(shè)計(jì)的年常量為3萬噸的紫銅加熱爐，要求年產(chǎn)量不高，所以對(duì)于年產(chǎn)量較高的燃料加熱爐并不適合。在電加熱爐之中，感應(yīng)加熱爐的效率較好，雖然其對(duì)于不同種類、尺寸差異較大的工件加熱效果不好。但是本次設(shè)計(jì)之中坯錠尺寸為280900的銅坯料加熱，其形狀簡單且規(guī)則，而且對(duì)于銅、鋁等非磁性材料，在加熱過程中的相對(duì)磁導(dǎo)率是不變的，只有電阻率隨著溫度的升高而升高，不需要考慮居里點(diǎn)以前與距離點(diǎn)以后加熱的變化，綜合以上情況，本次設(shè)計(jì)的加熱爐非常適合感應(yīng)加熱爐的要求，故最終選定的加熱爐種類為感應(yīng)加熱爐。圖1-1 臥式周期式

22、感應(yīng)加熱爐示意圖在爐型的選擇上，常見的爐型共計(jì)13種可供選擇。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，最終選擇為臥式、全長、周期式的感應(yīng)加熱爐。這種加熱爐是將整個(gè)坯料裝在加熱爐內(nèi)，為了卸料方便，在感應(yīng)爐的進(jìn)料端有推料裝置，以便于快速的裝料、卸料。當(dāng)坯料達(dá)到加熱所需的加熱溫度，感應(yīng)爐停止工作，進(jìn)料端推進(jìn)一件冷坯料，同時(shí)將熱的坯料推出。如圖1-1.1.4.3頻率的選擇感應(yīng)加熱爐的設(shè)計(jì)必須要求具有較高的總效率?？傂实扔跓嵝逝c電效率的乘積，即。銅坯在感應(yīng)加熱時(shí)，其總效率的高低基本取決于電流頻率的正確選擇。坯料在感應(yīng)加熱時(shí)，對(duì)于圓柱形的坯料。當(dāng)直徑d與電流穿透深度h的比例在35的范圍內(nèi)時(shí)，感應(yīng)加熱的效率達(dá)到最大值。在實(shí)

23、際生產(chǎn)過程中?？梢匀/h=2.55.5。對(duì)于有色金屬來說，由于電阻率比較小，所以電流穿透深度不大。但是由于有色金屬具有良好的導(dǎo)熱性，對(duì)于絕大多數(shù)坯料來說，直徑在125mm300mm之間的坯料，都可以使用50Hz的工頻電流進(jìn)行加熱。本次設(shè)計(jì)中的加熱對(duì)象為直徑280mm的圓柱形坯料，故選擇頻率為50Hz的工頻感應(yīng)加熱爐最為合適。1.4.4設(shè)計(jì)方案及主要參數(shù)綜合以上數(shù)點(diǎn)。最終選擇的加熱爐為臥式、全長、周期式的工頻感應(yīng)加熱爐。爐長：1300mm耐熱層厚度：20mm隔熱層厚度：20mm第二章 紫銅加熱爐的工藝設(shè)計(jì)2.1紫銅(T2)的特性及化學(xué)成分2.1.1紫銅的化學(xué)成分銅在元素周期表中的原子序數(shù)是29

24、，密度為8.92g/cm2.銅的硬度和耐磨度都較高，性質(zhì)比較穩(wěn)定，具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。由于純凈的銅是紫紅色的金屬，所欲俗稱“紫銅”。紫銅是比較純凈的一種銅?？梢越普J(rèn)為是純銅。紫銅的延展性和導(dǎo)電性都非常好，在常見的金屬之中僅次于銀。但是相對(duì)于銀銅卻便宜得多，所以紫銅的應(yīng)用非常的廣。本次設(shè)計(jì)中所選用的是T2紫銅。T2紫銅的化學(xué)成分如表2-1.T2紫銅含有降低導(dǎo)熱、導(dǎo)電性的雜質(zhì)比較少，在加工過程中微量的氧對(duì)導(dǎo)電、導(dǎo)熱和加工性能影響不大。表2-1 T2紫銅的化學(xué)成分元素符號(hào)Cu+AgBiSbAsFePbS占有比例（%）99.900.0010.0020.0020.0050.0050.005 紫銅中

25、所含有的微量雜質(zhì)對(duì)于銅的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能有比較嚴(yán)重的影響。其中鈦、磷、鐵、硅等會(huì)使電導(dǎo)率降低，而鋅、鎘等元素的影響非常小。2.1.2紫銅的導(dǎo)電能力T2紫銅具有良好的導(dǎo)電性。金屬導(dǎo)電性的強(qiáng)弱取決于金屬電阻率的高低。電阻率即某種材料制成長為1m、橫截面積為1mm2在20常溫下導(dǎo)線的電阻。常用單位是歐姆米（m）和歐姆點(diǎn)毫米（mm）。電阻率越小導(dǎo)電性能越好。表2-1為常見的金屬的電阻率，從表中可以看出只有銀的導(dǎo)電能力高于銅。但是由于銀的成本較高，所以在工業(yè)及生活中，紫銅由于其良好的導(dǎo)電性在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。銀銅金鋁鎢鐵1.65 10-81.75 10-82.4010-82.83 10-85.48

26、 10-89.78 10-8鉑錳銅汞康銅鎳鉻合金鐵鉻鋁合金2.22 10-74.4 10-79.6 10-75.0 10-71.0 10-61.4 10-6表2-2 常見金屬的電阻率 單位：m2.1.3紫銅的導(dǎo)熱能力紫銅還具有良好的導(dǎo)熱性，金屬的導(dǎo)熱性的高低取決于導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定的傳熱條件下，將材料制成1m厚，將兩側(cè)的表面溫差設(shè)置為1,在1s的時(shí)間內(nèi)內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，單位為瓦/（米度）。表2-1為常見金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，從表中可以看出，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)僅次于銀達(dá)到401W/mK，在常見金屬中處于前列，在給純銅進(jìn)行加熱的過程中，銅良好的導(dǎo)熱性將使熱量從坯料表面快速的傳遞到坯料內(nèi)

27、部，可以有效的減弱感應(yīng)加熱中肌膚效應(yīng)的影響，有利于加熱的進(jìn)行。材料名稱金銀純鋁純銅純鋅純鈦純錫純鉛純鎳導(dǎo)熱系數(shù) W/mK31742923740111214.63643590表2-3 常見金屬的導(dǎo)熱系數(shù)2.1.4紫銅感應(yīng)加熱流程圖圖2-1 加熱流程圖臥式、全長、周期式工頻感應(yīng)加熱爐由液壓推料裝置從加熱爐入料口送入280mm900mm紫銅坯料擠壓設(shè)備從加熱爐出料口送出，由導(dǎo)致送至擠壓設(shè)備 根據(jù)本次設(shè)計(jì)所定的280mm900mm紫銅坯料，數(shù)個(gè)坯料同時(shí)放在感應(yīng)爐中，坯料在水冷導(dǎo)軌上，由推料裝置將冷的坯料按照一定的間隔時(shí)間送入一件坯料，同時(shí)在出料端被推出一件已經(jīng)加熱到所要求溫度的坯料。推送式的進(jìn)料方式，

28、常見的方法有機(jī)械、氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)的方式推動(dòng)坯料。現(xiàn)如今使用液壓傳動(dòng)的比較多，因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)可以實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，這是其他傳動(dòng)方式所不能比擬的。同時(shí)，在相同的功率下，液壓傳動(dòng)裝置的體積較小且結(jié)構(gòu)緊湊，和同樣體積小結(jié)構(gòu)緊湊的感應(yīng)加熱爐配合使用效果較好。不過，液壓裝置的造價(jià)相對(duì)于其他方式要偏高。2.2熱處理爐的分類和選擇2.2.1加熱爐的種類熱處理爐的分類方法、種類很多。在不同的工業(yè)部門中所使用的爐型均不相同。冶金部門常用的有臺(tái)車式爐、輥底式爐、罩式爐等。機(jī)械制造部門常使用的有箱式爐、鹽浴爐、井式爐等。綜合現(xiàn)在常用的爐型以及分類方法，可以按照表2-4進(jìn)行分類。分類方法常見爐型熱能來源電熱爐、燃料爐工

29、作溫度低溫爐（650）、中溫爐（6501000）、高溫爐（大于1000）爐膛介質(zhì)自然介質(zhì)爐、浴爐、可控氣氛爐、真空爐作業(yè)規(guī)程周期作業(yè)爐、步進(jìn)式作業(yè)爐、連續(xù)作業(yè)爐生產(chǎn)用途退火爐、淬火爐、回火爐、正火爐、滲碳爐、氮化爐電源頻率工頻爐、中頻爐、高頻爐表2-4 常見加熱爐分類2.2.2加熱爐的選擇。（1）能源的選擇（2）工作溫度的選擇（3）爐膛介質(zhì)的選擇（4）作業(yè)規(guī)程的選擇（5）電源頻率的選擇2.3感應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)中的幾個(gè)原則2.3.1頻率和電壓的選擇坯料再感應(yīng)加熱時(shí)，經(jīng)過計(jì)算同一坯料直徑可以選擇的電流頻率不止一種，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該選擇低的電流頻率，因?yàn)殡娏黝l率越高，電源費(fèi)用越高，使用較低的頻率可以降低

30、成本投入。感應(yīng)加熱爐的端電壓盡量選用額定電壓，可以充分利用電源的容量。特別是對(duì)于工頻感應(yīng)加熱爐，如果電源的端電壓高于感應(yīng)爐的端電壓，需要增加更多的電容器來提高功率因數(shù)，大大增加了電源的費(fèi)用。同時(shí)要注意的是，由于很多電源的電壓并不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致感應(yīng)爐的加熱效果不穩(wěn)定，從而影響坯料的加熱質(zhì)量。所以還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)壓設(shè)備，以確保得到合格的加熱件。2.3.2控制單位面積的功率以及電阻率的選擇坯料在進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，為了降低坯料表面與中心的溫差，以及滿足加熱時(shí)間的要求，在設(shè)計(jì)感應(yīng)爐時(shí)選用坯料的單位面積功率為0.2-0.05kW/cm2.當(dāng)坯料采用連續(xù)式和步進(jìn)式感應(yīng)加熱時(shí)，在感應(yīng)爐中坯料的加熱溫度嚴(yán)重軸向

31、由低到高不斷變化，在感應(yīng)加熱爐甲酸的時(shí)候應(yīng)該找到低于加熱溫度100200選擇坯料的電阻率，這樣的計(jì)算結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。2.3.3工頻感應(yīng)加熱爐相數(shù)的選擇工頻感應(yīng)加熱爐可以設(shè)計(jì)為單相、二相以及三相。由于三相的工頻感應(yīng)加熱爐的電磁力比較大，對(duì)坯料施加的力可能會(huì)把坯料直接從感應(yīng)爐中退出來。單相工頻感應(yīng)加熱爐的加熱效果比較好，其加熱效率和功率因素都要比兩相和三相的好，所以一般都希望使用單相感應(yīng)器。當(dāng)單相感應(yīng)加熱爐的功率比較大時(shí)，如果直接接在三相電源上，會(huì)導(dǎo)致三相電源嚴(yán)重不平衡。所以需要在供電系統(tǒng)增設(shè)三相平衡器。即在其他兩相上分別附加一個(gè)平衡電抗器和一組平衡電容器，以獲得完全平衡的三相負(fù)載。2.3.4感應(yīng)

32、爐計(jì)算方法的選擇 在計(jì)算過程中需要注意的是，由于感應(yīng)加熱爐的結(jié)構(gòu)不同，在中頻感應(yīng)加熱爐中一般是不設(shè)置導(dǎo)磁體的，但是在工頻感應(yīng)加熱爐中都需要設(shè)置導(dǎo)磁體。所以在計(jì)算過程中，認(rèn)為沒有導(dǎo)磁體的感應(yīng)加熱爐應(yīng)該采用電感計(jì)算法。有導(dǎo)磁體的工頻感應(yīng)加熱爐應(yīng)該采用磁路計(jì)算法，這樣獲得的結(jié)果比較準(zhǔn)確。2.3.5節(jié)能減排目前，我國經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展的階段，工業(yè)的發(fā)展對(duì)于環(huán)境的壓力十分巨大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意對(duì)于能源的節(jié)約以及降低對(duì)環(huán)境的污染。對(duì)于感應(yīng)加熱爐來說，冷卻水并沒有受到污染，現(xiàn)在多數(shù)的廠家都是對(duì)冷卻水循環(huán)利用，當(dāng)冷卻水高于額定溫度就加常溫水降溫，但是并沒有利用冷卻水中的溫度。為了降低對(duì)能源的消耗，可以將

33、冷卻感應(yīng)加熱爐后的熱水重復(fù)使用，例如直接引入生產(chǎn)車間的生活用水，用于工人洗澡等其他方面，這在衛(wèi)生安全方面都是完全可以的。2.4車間設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)由于本次設(shè)計(jì)的主體為加熱爐的設(shè)計(jì)，所以本次設(shè)計(jì)僅對(duì)與加熱爐相關(guān)的部分項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于土建、供氣等不相關(guān)項(xiàng)目在此不做敘述。2.4.1車間設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)車間設(shè)計(jì)的目的就是為了建設(shè)新的企業(yè)、擴(kuò)建或改建老企業(yè)。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為新建一條年產(chǎn)3萬噸的紫銅加熱爐生產(chǎn)線，目的是為了擠壓提供坯料。主要設(shè)計(jì)任務(wù)有以下幾點(diǎn)：（1）加熱爐種類的確定和具體參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 本次設(shè)計(jì)選的的加熱爐種類為臥式、全長、周期式的工頻感應(yīng)加熱爐。在設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)計(jì)算感應(yīng)加熱爐的功

34、率、感應(yīng)線圈匝數(shù)、電源電壓與頻率、加熱爐尺寸等數(shù)個(gè)方面。力求做到設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)率高，投資小。（2）原材料、供水、供電等供應(yīng)情況和運(yùn)輸情況 本次設(shè)計(jì)已經(jīng)確定原材料為280mm900mm紫銅坯錠，需要設(shè)計(jì)其必要的運(yùn)輸方式。同時(shí)感應(yīng)加熱爐相對(duì)于燃料加熱爐沒有燃料等方面的設(shè)計(jì)要求。但是作用冷卻加熱爐的冷卻水以及電力的供應(yīng)情況依舊是不可缺少的。需要設(shè)計(jì)合理的冷卻機(jī)制以及為加熱爐設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的電能供應(yīng)。（3）需要達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)水平為了工廠可以長期高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計(jì)之初就必須確保本次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線可以處于盈利的狀態(tài)。必須在綜合考慮原材料價(jià)格、生產(chǎn)成本、運(yùn)輸成本、工人工資等各方面因素之后，確?？梢垣@得

35、一個(gè)較高的利潤。同時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量也必須達(dá)到要求，在生產(chǎn)過程中需要達(dá)到的技術(shù)水平需要提前進(jìn)行規(guī)劃，力求生長出高性價(jià)比、具有競爭力的產(chǎn)品。（4）投資以及勞動(dòng)定員的控制數(shù)字在前期的設(shè)計(jì)之中，必須全盤規(guī)劃廠房的費(fèi)用、機(jī)器的費(fèi)用、安裝的費(fèi)用等一系列一次性投入費(fèi)用以及后期需要追加的費(fèi)用，確保不因?yàn)橥顿Y問題而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。根據(jù)產(chǎn)品方案和生產(chǎn)規(guī)模，規(guī)定必須配備具有一定質(zhì)量（或等級(jí)）的各類人員的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)。要求在保證生產(chǎn)需要的前提下，合理使用勞動(dòng)力。（5）環(huán)保情況處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中的現(xiàn)代中國，環(huán)境壓力日益增大。相對(duì)于燃料加熱爐，感應(yīng)加熱爐對(duì)于環(huán)境的污染幾乎沒有，同時(shí)車間的工作環(huán)境也更加優(yōu)越。在設(shè)計(jì)過程中要注意對(duì)于

36、環(huán)境的保護(hù)以及提高車間工人工作環(huán)境的水平。第三章 主要設(shè)備的計(jì)算和選擇3.1計(jì)算的已知條件坯料材質(zhì)：T2紫銅坯料尺寸：280mm900mm坯料質(zhì)量： (3.1)式中 坯料的密度；坯料的直徑；m坯料的長度；m生產(chǎn)率G：由于本次設(shè)計(jì)為年產(chǎn)三萬噸紫銅加熱爐設(shè)計(jì)，故生產(chǎn)率為： (3.2)加熱溫度：920毛坯表面與中心溫差：3.2電流穿透深度與電流頻率f電流穿透深度可由下式計(jì)算得出。 (3.3)表3-1 不同溫度下紫銅的電流穿透深度 單位：cm溫度/電阻率在50Hz時(shí)的電流穿透深度8001187.7510001227.8512501288.00從表3-1中可以看出，在920時(shí)，銅的電阻率約為12010-

37、6，當(dāng)頻率為50Hz時(shí)可計(jì)算得出其電流穿透深度為：可以看出，紫銅的電流穿透深度并不小。對(duì)于有色金屬（銅、鋁、鎂等），由于其電阻率較小，所以電流穿透深度不大。但是由于有色金屬擁有較好的導(dǎo)熱性，故對(duì)于直徑在125mm300mm之間的銅坯料，可以使用50Hz的工頻電流進(jìn)行加熱。如表3-1所示。表3-2 用于有色金屬的典型電流頻率坯料直徑/mm電流頻率/Hz012450103122510103和3103257510375503.3坯料加熱的有效功率P21（kW） 紫銅的比熱容是即，生產(chǎn)率G為，加熱后的溫度t2=920，加熱前的溫度定為室溫t1=20。則有效功率可按下式計(jì)算： (3.4)式中 金屬的比熱

38、容；G生產(chǎn)率；t1坯料加熱前的溫度；t2坯料加熱后的溫度；3.4坯料加熱的輻射熱損失P22（kw）與傳導(dǎo)熱損失P23（kW）坯料在感應(yīng)加熱時(shí)的熱損失，包括輻射熱損失和傳導(dǎo)熱損失，可以按照輻射熱損失和傳導(dǎo)熱損失的計(jì)算公式計(jì)算。圓柱形感應(yīng)器截面圖如3-1.圖3-1 感應(yīng)器截面圖輻射熱損失可由式3.5計(jì)算： (3.5)取坯料即熱時(shí)的黑度，由于坯料的加熱溫度較高，遠(yuǎn)大于，所以可以忽略不計(jì)，則輻射熱為：輻射熱損失可由式3.6計(jì)算 (3.6)式中 坯料的輻射面積；cm2由于坯料為臥式加熱，則輻射熱損失為 當(dāng)通過耐熱層和隔熱層的熱流穩(wěn)定時(shí)，通過圓柱形耐熱層與隔熱層的傳導(dǎo)熱損失P23可按下式計(jì)算： (3.7)

39、式中 t2耐熱層的內(nèi)側(cè)溫度； tw純銅管內(nèi)水的溫度； R1耐熱層熱阻； R2隔熱層熱阻R3感應(yīng)線圈純銅管內(nèi)熱阻 R4感應(yīng)線圈純銅管對(duì)水的熱阻其中， L1感應(yīng)線圈長度；m d1耐熱層內(nèi)徑；m d2耐熱層外徑；m d3隔熱層外徑；m d4d3+2；m 純銅管的壁厚；m 各層材料的熱導(dǎo)率 as純銅管對(duì)水的放熱系數(shù) 在實(shí)際計(jì)算中，由于R3、R4的數(shù)值可以忽略不計(jì)，則式3.7可以簡化為： (3.8)式中 t1隔熱層的外側(cè)溫度；在感應(yīng)線圈內(nèi)的耐熱層，設(shè)計(jì)使用材料為密度1.8的耐火粘土磚。其導(dǎo)熱率為0.698+0.6410-3920=1.29=1.2910-2。表3-3 幾種耐火材料的物理性能隔熱層設(shè)計(jì)使用

40、材料為堆密度為168的硅酸鋁纖維，其在920的熱導(dǎo)率約為0.1210-2表3-4 硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率耐熱層與隔熱層的厚度均設(shè)計(jì)為2cm，耐熱層內(nèi)徑為30cm。隔熱層的外側(cè)溫度近似等于緊貼的線圈銅管溫度，一般取t1=60。則傳導(dǎo)熱損失為：坯料加熱時(shí)的熱損失為：3.5坯料加熱時(shí)間TS圓柱形坯料的感應(yīng)加熱時(shí)間TS(s)可由下式計(jì)算： (3.9)式中 D2坯料的外徑；cm 坯料材質(zhì)的熱擴(kuò)散率，可由式3.10計(jì)算；cm2/s (3.10) 熱導(dǎo)率； 比熱容； 毛坯的密度；g/cm3令F0=為傅里葉數(shù)，根據(jù)坯料加熱的表面溫度920和中心溫度870。則：0.4R=0.414cm=5.6cm，=0.6查圖3-

41、2得，。圖3-2 輔助函數(shù)S（，1）與S（，0）則傅里葉數(shù)F0的值為：F0=2.439紫銅的熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率如表3.5所示，在920是的熱導(dǎo)率3.40。表3-5 紫銅的熱導(dǎo)率溫度/201002004006008001083熱導(dǎo)率/（）3.993.873.793.743.633.533.21則坯料在920的熱擴(kuò)散率由式3.10計(jì)算為：cm2/s =0.967cm2/s則由式3.9坯料的加熱時(shí)間為：s=494s=8.28min根據(jù)年生產(chǎn)率3萬噸的要求。每年共計(jì)需要生產(chǎn)坯料根數(shù)為：平均每根可占用時(shí)間為：完全符合實(shí)際生產(chǎn)的要求。坯料加熱到t2所需的表面功率密度P0（W/cm2）可由下式計(jì)算： (3.11

42、)式中 tp R2坯料的半徑；cm 金屬的熱導(dǎo)率； 則根據(jù)是3.11，將數(shù)據(jù)代入，可得：=43.75坯料所需的功率、可由下式計(jì)算： (3.12) (3.13)代入所需數(shù)據(jù)，可得：kW=346.36kW3.6感應(yīng)加熱爐的主要尺寸確定 感應(yīng)加熱爐的主要尺寸是感應(yīng)線圈的內(nèi)徑和長度。為了使坯料在整體上加熱均勻。可以按照經(jīng)驗(yàn)公式3.14來確定線圈長度L1（cm）: (3.14) 本次設(shè)計(jì)取表3-6列出了感應(yīng)線圈與坯料之間間隙的經(jīng)驗(yàn)尺寸，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表3-6 感應(yīng)線圈與坯料之間間隙的經(jīng)驗(yàn)尺寸耐熱層與隔熱層的厚度均設(shè)計(jì)為2cm，耐熱層內(nèi)徑為30cm。感應(yīng)線圈的長度L1=30cm+8cm=38cm.間隙尺

43、寸10cm，基本符合經(jīng)驗(yàn)尺寸的要求。3.7磁場強(qiáng)度H0的計(jì)算 坯料感應(yīng)加熱在螺旋形線圈中時(shí)，在一定的磁場強(qiáng)度H0作用下坯料所能產(chǎn)生的熱能可以按下式計(jì)算：則 (3.15)式中 P2坯料加熱所需的功率；kW f電流頻率；Hz H0坯料表面的磁場強(qiáng)度值；A/cm L2坯料加熱部分的長度；cm 坯料的相對(duì)磁導(dǎo)率； F2坯料的截面積；cm2 A無因次磁通函數(shù)。實(shí)心圓柱形坯料的A值見圖3-3.圖3-3 圓柱體的A與B函數(shù)坯料加熱所需功率為有效功率P21、輻射熱損失P22與傳導(dǎo)熱損失P23，即：坯料直徑D為28cm，電流穿透深度為7.79cm。則： 從圖3-3可以查得A=0.37，B=0.6。則由式3.15

44、可計(jì)算出加熱爐的磁場強(qiáng)度。3.8磁通的計(jì)算當(dāng)坯料再單層螺旋線圈中感應(yīng)加熱時(shí)，其總磁通是空氣隙中的磁通、坯料中的磁通與線圈沖的磁通的總和。式中 H0坯料表面的磁場強(qiáng)度值；A/cm Fg空氣隙的截面積；cm2 F2坯料的截面積；cm2 坯料磁導(dǎo)率；H/ 真空磁導(dǎo)率； 線圈電阻的校正系數(shù)，一般為11.5,1.15為常用數(shù)值。 線圈的內(nèi)徑；cm 線圈上電流的穿透深度 (3.16)感應(yīng)線圈用水冷卻，純銅管的溫度為5060，電阻率，則電流穿透深度可用式3.3計(jì)算：則可根據(jù)式3.16計(jì)算出其磁通：3.9感應(yīng)線圈匝數(shù)W的計(jì)算在感應(yīng)加熱時(shí)，為了建立相應(yīng)的磁場強(qiáng)度H0所需要的線圈端電壓E（V）為：E=4.44 (

45、3.17)由于供電線路本身也存在電阻，所以并不是所有的外施電壓都分配在感應(yīng)線圈上，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮線路自身電阻的影響，則：式中 U供電電壓；V供電線路的電壓降；V R供電線路的電阻； I供電線路上的電流；I在設(shè)計(jì)過程中，供電線路上的電壓降可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定為5%10%，則可知感應(yīng)線圈匝數(shù)的計(jì)算公式為：W=感應(yīng)器為單相，供電系統(tǒng)選用額定電壓為525V，考慮到供電線路本身電阻的影響，則可計(jì)算感應(yīng)線圈的匝數(shù)：W=故設(shè)計(jì)在感應(yīng)線圈的匝數(shù)為58匝。3.10感應(yīng)線圈上電流的計(jì)算感應(yīng)線圈建立的總磁式為WI，其中的一部分消耗在感應(yīng)線圈的內(nèi)部，另一部分消耗在線圈外部。由于工頻感應(yīng)加熱爐在線圈的外部還設(shè)置有導(dǎo)磁體，

46、所以： (3.18)式中 W感應(yīng)線圈的匝數(shù)；匝 H0坯料表面磁場強(qiáng)度的值； HM導(dǎo)磁體內(nèi)的磁場強(qiáng)度； LM導(dǎo)磁體的中心線長度；cm L坯料被加熱部分的長度與坯料和導(dǎo)磁體磁極間距離的和。由于使用硅鋼片制成的導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率很少，故可以省略，則感應(yīng)電流I的計(jì)算公式可以簡化為：3.11線圈導(dǎo)體截面積S的計(jì)算 線圈導(dǎo)體的截面積S（mm2）的大小是根據(jù)截面上所允許的電流密度選擇的，可以用下式計(jì)算： (3.19)式中 I線圈上感應(yīng)電流；A 導(dǎo)體上允許的電流密度；A/mm2線圈導(dǎo)體選用3015/112的圓孔偏心純銅管如圖3-4，有效導(dǎo)電面積為1715mm2=225mm2，則導(dǎo)體上的電流密度可按下式計(jì)算： 將感

47、應(yīng)線圈的圓孔偏心純銅管經(jīng)絕緣帶包裹后，感應(yīng)線圈的長度為：L1=（15+1）（58+1）=944mm表3-7 圓孔偏心管的規(guī)格3.12導(dǎo)磁體截面積的計(jì)算考慮到由于存在漏磁現(xiàn)象，所以感應(yīng)線圈中磁通不能全部通過導(dǎo)磁體，而只有（0.80.9），故導(dǎo)磁體的截面積可用下式計(jì)算： (3.20)式中 B導(dǎo)磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，一般情況下取0.81.2T。在設(shè)計(jì)中將磁感應(yīng)強(qiáng)度B取為1T，則導(dǎo)磁體的截面積為：導(dǎo)磁體分為8組均勻的分布在感應(yīng)線圈周圍，其布置如圖3-4。圖3-4 導(dǎo)磁體在感應(yīng)線圈周圍的分布由于導(dǎo)磁體是由硅鋼片組合制作的，在硅鋼片之間需要進(jìn)行絕緣處理，而且在硅鋼片的裝配時(shí)也不可能做到完全緊密，故實(shí)際的導(dǎo)磁體

48、截面積可由下式計(jì)算： (3.21)每一組導(dǎo)磁體的截面積為： 可以取每一組導(dǎo)磁體截面的長90mm，寬為50mm。如圖3-5.圖3-5 導(dǎo)磁體的形狀和尺寸導(dǎo)磁體每1m2側(cè)表面散熱量可用下式計(jì)算。 (3.22)式中 SM導(dǎo)磁體的側(cè)面面積；m2 PM導(dǎo)磁體的功率損失；WPM=qGM q在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下每公斤硅鋼片的功率損失； GM導(dǎo)磁體的硅鋼片質(zhì)量；kg每一組導(dǎo)磁體的質(zhì)量為：GM=（130+3.62）957.810-30.9kg=43.34kg導(dǎo)磁體選用D310-0.35的硅鋼片制成，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為1T時(shí)，其單位消耗為q=1W/kg，則每一組導(dǎo)磁體的損耗為PM=143.34W/組=43.34W/

49、組每一組導(dǎo)磁體的側(cè)表面散熱面積S1為：SM=（1.3+0.0362）0.052m2+1.30.09=0.2542m2則導(dǎo)磁體每1m2側(cè)表面散熱量為：由于小于750，所以在導(dǎo)磁體工作時(shí)，導(dǎo)磁體溫度的升高量不會(huì)超過周圍空氣溫度50。3.13感應(yīng)加熱爐的電效率在計(jì)算感應(yīng)加熱爐的電效率時(shí)，主要考慮到在加熱時(shí)線圈引起的功率損失與導(dǎo)磁體引起的功率損失。由于導(dǎo)磁體的功率損失一般都是不大的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略不計(jì)，感應(yīng)加熱爐電效率的高低，主要取決于感應(yīng)線圈上的功率損失。感應(yīng)加熱爐的電效率可用下式計(jì)算： (3.23)加熱時(shí)線圈引起的功率損失的數(shù)值可用下式計(jì)算： (3.24)式中 I感應(yīng)線圈上的電流；A Rt溫

50、度為t時(shí)純銅導(dǎo)體的電阻； D1線圈的平均直徑；cm W線圈的匝數(shù)；閘 K考慮線圈的進(jìn)頭與出頭的系數(shù)，一般取1.051.10； S感應(yīng)線圈的截面積；cm2在計(jì)算交流電時(shí)，由于電流在截面上的分布不均勻，其功率損失相對(duì)于直流電大，故需考慮校正系數(shù)KC，一般取11.5.則感應(yīng)線圈通過4999A時(shí)的功率損失為：校正系數(shù)KC取1.25，則：導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的功率損失為：感應(yīng)加熱爐的電效率用公式3.23計(jì)算：=0.653.14感應(yīng)加熱爐的總效率與功率感應(yīng)加熱爐的熱效率：感應(yīng)加熱爐的總效率：感應(yīng)加熱爐的功率：3.15感應(yīng)加熱爐的功率因數(shù)感應(yīng)加熱爐的功率因數(shù)可由下式計(jì)算： (3.25)式中 Pg感應(yīng)加熱爐的功率，包括加熱所