低溫井式電阻爐設(shè)計說明

1、材料加熱爐基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)老師：志學(xué)作者：袁 勃 學(xué)號： 080303123 專業(yè)：金屬材料工程 日期： 目錄1、原始資料收集和爐型的選2 、爐膛 尺 寸的確疋23、爐子砌磚體的設(shè)計3 .1 爐 襯 材 料 的 選擇 43 .2爐墻設(shè)計43 .3爐底設(shè)計53.4爐頂設(shè)計53.5爐門設(shè)計 64、爐子功率計算和分配4 .1有 效 熱Q 件 計算 84 .2 輔助構(gòu)件熱損失 Q 輔計算 84 .3 爐 襯 熱 損 失 Q散 84.4Q輻計算94.5 爐 門 溢 氣 熱 損 失 Q溢1 04.6 其 它 熱 損 失 Q它4.7 爐 子 安 裝 功 率 計算1048 爐 子 熱 效 率 計算 104.9

2、爐 子 空 載 功率4.10 爐 子 升 溫 時 間 計算4.11功率配 1 15、電熱元件的設(shè)計5 .1 電 熱 元 件 材 料 的 選擇5 .2 元件單位表面功率的確疋 1 15.3 元 件 直 徑 及長 度 的 確疋 1 25.4電熱元件重量的計算1 25 .5 電 熱 元 件 在 爐 膛 的 布置 1 26 、爐溫 儀 表的 選擇137 、 爐 子 技 術(shù) 指 標 （標牌）138 、參考資料 1、原始資料收集和爐型的選擇：綜合所設(shè)計爐子的工作條件：（1）爐子的生產(chǎn)任務(wù)：60 kg/h （2） 作業(yè)制度：一般制生產(chǎn)；（3）加熱工件的材料、形狀、尺寸和重量： ?30X 1000的軸類、桿件

3、和長管類工件的回火加熱；（4）工件的熱處 理規(guī)程和質(zhì)量要求；等方面的容，確定加熱爐為：低溫井式電阻爐。我國生產(chǎn)的低溫井式電阻爐最高工作溫度為650C。2、爐膛尺寸的確定：爐膛尺寸主要根據(jù)工件形狀、尺寸、技術(shù)要求、裝卸料方式、操作方法和生產(chǎn)率等來確定，同時還應(yīng)考慮工件在爐對方方式和運動方 式、傳熱條件與爐溫分布、電熱元件及爐構(gòu)件的維修等問題，包括爐 膛空間尺寸和有效加熱區(qū)尺寸。本次所設(shè)計電阻爐，工作對象為？3OX 1000的軸類、桿件和長管 類低碳鋼、低合金鋼工件的回火加熱。對于工件加熱周期和裝爐量不 明確的情況下，如通用爐設(shè)計，此時常采用加熱能力指標法進行設(shè)計， 求出B、L后，與標準系列爐尺寸

4、進行比較后確定實際爐底尺寸，以 便選用標準尺寸爐底板：假設(shè)：1）爐底單位面積生產(chǎn)率為 P。（單位時間單位爐底面積所 能加熱金屬重量）；2）爐底有效面積為Fi，總面積為 F,且Fi=（0.7-0.85 ） F; 3）爐子生產(chǎn)率為 P, Fi=p/po;貝心L, B=（丄2 ） L P o 一般在80120 kg /川.h2' 2 323取 P° = 100 kk/ Itf. h,由已知 P=60kk/h ,代入，求得：L=10291309mmB=514.5654.5mm 根據(jù)國家標準，取爐膛高度為H=1200mm直徑為D=650mm爐膛高度與寬度之 比多數(shù)在0.5-0.9之間，

5、一般取0.8左右。低溫爐以對流為主，爐膛 應(yīng)低些，以提高熱效率。）同時，一般在裝料上、下方應(yīng)保持200-300mm 的空間，工件距加熱元件100200mm標準擱磚每層高度67mm（包 括灰縫）。3、爐子砌磚體的設(shè)計：3.1爐襯材料的選擇：爐襯由耐火材料與保溫材料砌筑成耐火層 和保溫層，其直接受爐高溫影響，因此其應(yīng)耐高溫，同時，耐火材料 的結(jié)構(gòu)強度決定了耐火層的強度，保溫層其隔熱保溫作用。在低溫熱 處理爐中常用的耐火材料為粘土磚、高鋁磚、少量碳化硅制品等等。目前在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，一般都用輕質(zhì)磚，其比重輕、導(dǎo)熱系 數(shù)小、高溫強度滿足要求等優(yōu)點。3.2爐墻設(shè)計：爐墻主要為砌體，外部包爐殼鋼板。

6、低溫爐爐墻 一般分兩層，層耐火層常用輕質(zhì)粘土磚砌筑，外層為保溫層，由保溫 材料構(gòu)成。因此爐膛尺寸應(yīng)為標準磚尺寸(230X 113X 65mr)i加磚縫 尺寸(一般2mrjn的倍數(shù)。1:鐵板；2 :保溫層；3 :耐火層參考材料加熱爐基礎(chǔ)P140爐墻，在爐溫400650C，爐子 功率60KW寸，耐火層厚度為113mm保溫層厚度150200mm再綜 合標準砌筑時的標準尺寸，課確定本低溫井式爐輕質(zhì)耐火粘土磚厚 113mm保溫層為輕質(zhì)硅藻磚，厚170mm同時，為防止爐墻反復(fù)熱脹冷縮，發(fā)生開裂，在此爐墻黏土層， 每米長度應(yīng)留56mm的膨脹縫，個層間的膨脹縫應(yīng)錯開，縫填入馬 糞紙或不完全灰漿。3.3爐底設(shè)計

7、：爐底起保持爐熱量和承載工件的作用，通常電阻爐爐底結(jié)構(gòu)是在爐底外殼鋼板上用保溫磚（硅藻磚）砌成方格子狀， 在格子填充保溫材料散料（蛭石粉），再在上面平鋪1-2層保溫磚, 接著鋪一層輕質(zhì)粘土磚，上面安置支撐爐底板或?qū)к壍闹刭|(zhì)粘土磚和 電熱元件擱磚。其厚度可參考爐墻的厚度來決定，故兩層厚度取 300mm爐底砌筑如下：上半部分為格子形式，下半部分為平鋪實砌3.4爐頂設(shè)計：爐頂結(jié)構(gòu)有平頂和拱頂兩種，一般簡單的熱處理 爐大都采用拱頂，標準拱角60o,拱頂質(zhì)量及其受熱時產(chǎn)生的膨脹力 形成的側(cè)推力作用在拱角上。因此，拱角常用輕質(zhì)楔形磚砌筑，上砌 筑輕質(zhì)保溫制品，而拱角則用重質(zhì)磚砌筑，以承受較大的側(cè)推力，厚

8、度115mm的輕質(zhì)耐火磚和230mnt勺蛭石粉，拱頂?shù)钠鲋椒ㄓ绣e砌和 環(huán)砌兩種，錯砌用于爐各處工作溫度一致，不須經(jīng)常拆修的熱處理爐 及煙道的拱頂；環(huán)砌用于各段溫度不一致的連續(xù)作業(yè)爐的拱頂或工作 溫度比較高、損壞快、要經(jīng)常修理的設(shè)計，因此，本次設(shè)計爐采用錯 砌，其結(jié)構(gòu)如下：1.拱頂2.拱頂磚3.拱頂磚厚4拱頂矢高h=R- (1-sin 180) - (1-sin 180 一 )2 22si n 2R為拱頂半徑；B為爐膛寬度mm =60o R=B/23.5爐門設(shè)計：爐門部分包括爐門洞口、爐門框和爐門。爐門洞口截面尺寸要保證裝出料方便和爐子安裝電熱元件和維修的需要，通常應(yīng)小于爐膛截面尺寸，以減少熱

9、損失和保護電熱元件。高溫爐的爐 門洞口長度應(yīng)較大，以減少爐門洞口的輻射熱損失。爐門洞口的砌體 常受工件摩擦碰撞，應(yīng)采用重質(zhì)磚或其它較堅固的耐火磚砌筑。爐門應(yīng)保證爐子操作方便，爐口密封好(特別是可控氣氛)和減少熱 損失。其基本結(jié)構(gòu)特點是：要有足夠厚的保溫層，爐門邊緣與爐門框 要重疊65130mm爐門要壓緊爐門框，爐門下緣常楔入工作臺上的 砂槽，爐門與爐門框間加密封墊圈，并考慮減輕爐門重量等。最常用 的爐門壓緊方法是在爐門側(cè)面設(shè)置楔鐵或滾輪，當爐門落下時，楔鐵或滾輪滑入爐門框上的楔形滑槽或滑道，爐門越向下，爐門將越壓緊爐門框。一般靠自重使楔鐵滑入楔形槽，有時在爐門下設(shè)一氣缸，靠氣缸的活塞桿作用把爐

10、門拉下，使?jié)L輪或楔鐵與滑道或楔形槽配合更 緊密，將爐門緊壓在爐門框上。4、爐子功率計算（平衡法）和分配一般爐子的能量消耗項包括加熱工件吸收的能量Q件（有效熱）、通過爐壁的散熱損失Q散（空載時主要能量消耗項，無效熱損失）、砌 體畜熱量Q畜（周期作業(yè)爐主要能量消耗項，無效熱損失）、爐氣體外 溢和對外輻射熱損失Q溢和Q輻（與爐子溫度和操作狀態(tài)有關(guān)，對高溫 爐應(yīng)特別注意該兩項能量損失，對敞開爐門的爐子，此項熱損失有時 成為能量消耗的重要項目）、可控氣體的熱損失Q控（決定于氣體消耗 量，采用密封式自動裝卸料的爐子，其氣體消耗量和熱能損失可大為 降低）、爐金屬構(gòu)件直接伸出爐外的短路損失 Q短（在機械化作業(yè)

11、爐子 上較為嚴重，對于一般爐子應(yīng)盡量避免）、料盤和夾具等反復(fù)加熱和 冷卻帶來的輔助構(gòu)件熱損失 Q輔（有時也占較大比例，在可能的情況 下應(yīng)盡可能減少輔助構(gòu)件或不使輔助構(gòu)件反復(fù)拉出爐外）、供電設(shè)備 和導(dǎo)線引起的電能消耗 Q供（對直接從電網(wǎng)供電的爐子一般較小，僅 占總損失的1%,但對經(jīng)變壓器降壓、低壓大電流供電的爐子，此項 電能消耗也很可觀），此外，爐子能量消耗還有許多項目難于計算， 設(shè)計時歸入其它熱損失 Q它項目中。4.1有效熱Q件計算：0件=P件（C2t2-ct）,式中P件為爐子的生產(chǎn)率（kg/h ）, 11和t2 為工件加熱的初始和終了溫度（C）, ci和C2為工件在ti和t2時的比熱容（KJ

12、/kg C）,其中 P件=60kg/h , ti = 20C , t2= 650C ;對中碳 鋼和低合金鋼而言，其 20 C和650 C溫度時的比熱為0.486KJ/kg C 和 0.605KJ/kg C,貝卩 0件=P件(C2t2-citi)= 23011.8KJ/h如以加熱階段作為熱平衡計算時間單位，貝卩：Q#= G裝 ( C2t 2-cit i) / t加，式中G裝為一次裝爐料重量(kg), t加為加熱階段時間(h)。4.2輔助構(gòu)件熱損失Q輔(包括料筐、工夾具、支承架、爐底板 及料盤等)0輔=P輔(C2t 2-c it 1),式中P輔為每小時加熱輔助構(gòu)件的重量 (kg/h) , ti和1

13、2為輔助構(gòu)件加熱的初始和終了溫度(C), ci和C2為輔助構(gòu)件在ti和12時的比熱容(KJ/kg C),其值大小主要由加熱輔 助構(gòu)件來決定，應(yīng)在使用環(huán)境中合理計算，一般也可取爐襯散熱的 5% i0%在本低溫井式爐中去上限 0輔=i0% Q> = 292KJ/h4.3爐襯熱損失Q散在爐體處于穩(wěn)態(tài)傳熱時，通過雙層爐襯的散熱損失為：Q 散 =字學(xué)，對于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，Sii i iFit墻=530C, t殼=60C,則耐火層的平均溫度為11=( 650+530)/2=590 C, 保溫層平均溫度為t2= (530+60) /2=295 C,耐火層、保溫層的熱導(dǎo) 率分別

14、為：入 i=0.29+0.256 x i0-3 x ti=0.44iW/mC入 2=0.i3i + 0.23 x i0-3 x 12=0.i988W/mC貝S q=tl?tnA =650-20=566.87 W/mM n 豈 ii3 i700.44i0.i988校驗界面上的溫度t墻和t殼：t 墻=650-q § =650-566.87 X 0.113 - 0.441=504.76 °C ; 1530-504.76530100% =4.7%<5%滿足設(shè)計需要，不需要重算;t 殼二 t 墻-q S2 =504.76-566.87 X 0.17 - 0.1988=20.01

15、 C，很2顯然滿足設(shè)計需要，不需要重算則爐墻的輻射散熱為：Q 散=qF=566.87X（ 2n D+DH =566.87 X（ 2X 3.1416 X 0.65+0.65 X1.2） =2757.3KJ/h4.4 Q輻（開啟爐門或爐壁縫隙的輻射熱損失）Q® = 3.6（T °A3 E-Ta4），式中A為爐門開啟面積或縫隙面 積（川）；3.6為時間系數(shù)；為爐口遮蔽輻射系數(shù)（見圖）；"為爐 門開啟率，對常開爐門和爐壁縫隙而言，3 i = 1。設(shè)每次裝出料所需 時間為t=6分鐘，則開啟率為3 i=0.1貝心Tg = 650+273=923KTa= 20+273=293K

16、爐門開啟面積為F=n R2=0.3318 m2Q輻=3.6 X 5.675 X 0.3318 X 3 i X t X4923100 -4293=2921.9KJ/h1004.5開啟爐門溢氣熱損失Q溢：根據(jù)材料加熱爐基礎(chǔ)P74式4.32g可知，開啟爐門溢氣熱為:Q溢=5.675 x x Fx100100X S i其中，根據(jù)圖4.11可查得圓形路口輻射換熱的遮蔽系數(shù)為0.65,則經(jīng)計算得:0溢=879.37 KJ/h4.6其它熱損失Q它：般對電阻爐，其它熱損失約為上述熱損失的10%- 20%故:Q它=（Q件+ Q輔 + Q散 + Q輻 + Q溢）X 20%=5972.5 KJ/h熱量總支出為Q總:

17、其中0短=0,由下式得：0總=Q 件 + Q 輔 + Q 散+ Q 輻 + Q溢+ Q 它 + Q 短=35834.9 KJ/h4.7爐子安裝功率計算P安=空 其中K為功率儲備系數(shù)為1.31.5,本設(shè)計爐為 3600間歇式周期作業(yè)爐，取K=1.5,則：P安=14.9KW,與標準爐子比，取P安=16KW.4.8爐子熱效率計算：?= 5件 = 23011.8 = 64.22%Q總35834.94.9爐子空載功率：P空=5散一Q = 2757.3_5972.5 = 2 42KW 360036004.10爐子升溫時間計算：加熱爐的空爐升溫時間:t空二 亠 =23011.8 =0.39h3600F安 3

18、600 16加熱爐的裝爐升溫時間為:Q 件 Qs =23011.83600P安5972.5 2923600 162757.3=0.56h4.11功率分配:16KW功率均勻分布在爐壁和爐底，接線按單相串聯(lián)接法n+,供電可采用普通220V或車間動力380V.在低溫井式爐中，爐膛壁表面 的功率密度約為：15KW加,貝卩16KW功率均勻分布在爐壁和爐底， 其密度為16KWM,在路門口，均可適當加大功率；采用車間動力380V 電壓接法。接線方法如圖：/VVW5、電熱元件的設(shè)計5.1電熱元件材料的選擇:由最高使用溫度為650C,選用線狀0Cr25AI5合金電熱元件, 接線方式選擇單相接法n+。5.2元件單

19、位表面功率的確定：查材料加熱爐基礎(chǔ) P166圖9.1可得，在650 C條件下，0Cr25Al5合金電熱元件的表面允許功率為 5.2W/ cm2，貝卩0Cr25Al5 電熱合金的表面允許功率負荷取 Wi =1.5W/cm2。5.3元件直徑及長度的確定：由以上知，電阻爐總功率為P安=16KVy選用電熱體根數(shù)n=1,則單根電熱體的設(shè)計功率為 P=16KW/同時采用380V單相接法，其端電壓為U=380V由附表查20C時0Cr25AI5的電阻率為20 =1.40 Q mm/m ,爐溫為650C時電熱元件溫度1100 C,在此溫度下，電熱元件的電阻率為 1100= 20 (1+at) =1.40 x( 1+4X 10-5 x 1100) =1.46 Q mm/m。則，線狀電熱元件的直徑d可由下式求得：p2d=34.3 x=4.11mm U Wai線狀電熱元件的總長度L可由下式求得： 2L=3 10PU =94.34m 41100Wal5.4電熱元件重量的計算：查附表得到0Cr25AI5電熱元件的比重為丫 =7.1g/cm 3，則長度為L的電熱元件的重量為：G耳 l 10-3=8.9Kg5.5電熱元件在爐