外熱式鹽浴爐課程設(shè)計書-童帥

1、 熱處理爐課程設(shè)計 爐型：外熱式中溫鹽浴爐 學(xué) 院 材料與冶金學(xué)院 專 業(yè) 2009級金屬材料工程02班 學(xué) 號 200912137011 _ 學(xué)生姓名 童帥 _ 指導(dǎo)教師 沈冬冬 _ 日 期 2012年5月 目錄 目錄1 前言2一、 設(shè)計任務(wù)書3二、 爐型選擇4三、 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸4四、 爐子功率計算5五、空爐升溫時間計算7六、功率分配與接線9七、電熱元件材料選擇及計算9八、 爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）10 設(shè)計小結(jié)11 參考文獻11 前言金屬熱處理是將固態(tài)金屬通過特定的加熱和冷卻方法，使之獲得工程技術(shù)上所需性能的一種工藝過程的總稱。熱處理之所以能獲得這樣的效果，是因為固態(tài)金屬在溫度（也包括壓

2、力）改變時，其組織和結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。熱處理設(shè)備是對工件進行退火、回火、淬火、加熱等熱處理工藝操作的設(shè)備。熱處理爐的種類很多，不同工業(yè)部門所使用的爐型不同。冶金部門常用的爐型有臺車式爐、罩式爐、輥底式爐等，機械制造部門常用的爐型有箱式爐、井式爐、鹽浴爐、氣體滲碳爐等。為了便于分析比較，常按如下特征進行分類。1、 按熱能來源分：電阻爐、燃料爐。2、按工作溫度分：低溫爐、中溫爐、高溫爐。3、按爐膛介

3、質(zhì)分：自然介質(zhì)爐、浴爐、可控氣氛爐、真空爐。4、按作業(yè)規(guī)程分：周期作業(yè)爐、連續(xù)作業(yè)爐。5、按生產(chǎn)用途分：退火爐、淬火爐、回火爐、正火爐、滲碳爐、氮化爐。 6、按電源頻率分：工頻爐、中頻爐、高頻爐。熱處理設(shè)備是對工件進行退火、回火、淬火、加熱等熱處理工藝操作的設(shè)備.鹽浴爐指用熔融鹽液作為加熱介質(zhì)、將工件浸入鹽液內(nèi)加熱的工業(yè)爐。根據(jù)爐子的工作溫度，通常選用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、氰化鈉、氰化鉀、硝酸鈉、硝酸鉀等鹽類作為加熱介質(zhì)。鹽浴爐的加熱速度快，溫度均勻。工件始終處于鹽液內(nèi)加熱，工件出爐時表面又附有一層鹽膜，所以能防止工件表面氧化和脫碳。鹽浴爐可用于碳鋼、合金鋼、工具鋼、模具鋼和鋁合金等的淬火、

4、退火、回火、 氰化、 時效等熱處理加熱，也可用于鋼材精密鍛造時少氧化加熱。鹽浴爐加熱介質(zhì)的蒸氣對人體有害，使用時必須通風(fēng)。鹽浴爐分內(nèi)熱式和外熱式兩大類。外熱式鹽浴爐有以下特點：其優(yōu)點：1.不需昂貴的變壓器； 2.啟動操作方便。當(dāng)然外熱式中溫鹽浴爐也有其不足之處：1.必須使用坩堝加熱，熱惰性大； 2.坩堝內(nèi)外溫差大（100150C）； 3.使用溫度不能太高，一般在900C以下，限制了使用范圍。 一、任務(wù)設(shè)計書 學(xué)號：200912137011 材料與冶金學(xué)院 專業(yè)班級：金屬材料工程0902班 姓名：童帥一、基本條件1.外熱式中溫鹽浴爐2.用途：金屬零件在鹽浴中作淬火加熱、液體碳氮共滲、等溫淬火冷卻

5、、回火等熱處理3.用最高工作溫度：900C4.爐壁外殼溫度60C5.坩堝有效尺寸：3004006.空爐升溫時間：3小時7.電源：單相，220V二、設(shè)計要求 設(shè)計分工1 砌體部分 2坩堝、電熱元件及接線部分、爐殼構(gòu)架、排煙罩3. 標(biāo)定主要技術(shù)數(shù)據(jù)（1）額定功率 （2）額定電壓 （3）額定溫度 （4）電源相數(shù)（5）爐膛有效尺寸 （6）爐膛尺寸 （7）外形尺寸 （8）空爐升溫時間 （9）設(shè)計用鹽 （10）抽風(fēng)罩 （11）接線方法三、提交資料（1）紙質(zhì)和電子版本的設(shè)計計算說明書，規(guī)格：A4（2）紙質(zhì)和電子版本的爐子總圖(Auto CAD繪制)，幅面：A1二、 爐型選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，選擇外熱式鹽浴

6、爐，不通保護氣氛。三、 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸1、坩堝尺寸及鹽的確定根據(jù)任務(wù)書要求，坩堝有效尺寸：300400，為防止鹽浴爐在工作中鹽溢出，設(shè)定上溢距離為100mm，則坩堝尺寸即定為300500。由于任務(wù)書要求額定溫度為900C，故坩堝材質(zhì)選擇耐熱鋼，厚度定為20mm。查【1】P189附表14，選擇100%NaCl作為熱處理鹽，其熔點為810C，使用溫度為8501100C，可以滿足熱處理要求。2.砌體尺寸的確定由于坩堝為圓柱狀，故可設(shè)計爐體為圓柱狀，從而減少熱量散失。考慮到坩堝和耐火磚之間需要安裝加熱元件，為避免坩堝碰到加熱元件，同時綜合考慮扇形磚標(biāo)準(zhǔn)，將爐體耐火磚層內(nèi)徑定為420mm。此時坩堝外

7、壁與耐火磚距離為90mm。參考【1】P191附表18，根據(jù)任務(wù)書要求額定溫度，確定耐火層和保溫層厚度：耐火層選擇輕質(zhì)耐火粘土磚(QN-0.4)，其厚度定為90mm保溫層選擇膨脹珍珠巖，其厚度定為195mm或普通硅酸鹽，密度為350kg/m 由此即可確定爐體尺寸：耐火層：內(nèi)徑D磚內(nèi)=420mm，外徑D磚外=420+290=600mm保溫層：內(nèi)徑D珍內(nèi)=D磚外=600mm，D珍外=600+2195=990mm 根據(jù)坩堝深度和扇形耐火磚尺寸標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮到加熱元件的合理安裝，確定爐側(cè)墻耐火層高度：h側(cè)磚=10(65+2)=670mmh側(cè)珍=670+2(65+2)=804mmh底磚=2(65+2)=1

8、34mmh底珍=150mmh蓋硅=220mm爐體外殼用5mm厚鋼板封裝。四、 爐子功率計算1、通過爐襯的散熱損失 爐襯散熱損失計算公式【1】P8式(1-15)和P9式（1-19） （1） 任務(wù)書要求爐殼溫度不超過60C，故可設(shè)為t3=60C，環(huán)境溫度為20，查【1】P180附表2可得=12.17 W/(mC) 由任務(wù)書要求最高溫度為900C慮到鹽浴爐坩堝內(nèi)外溫度相差比較大，可設(shè)定跟過外溫度為t1=900C 由前面設(shè)計可知,s1=0.09m，s2=0.195m 由【1】P6公式(1-7)可知 為了計算，先設(shè)t2=750C， 查【1】P181附表3，可知: 輕質(zhì)粘土磚（QN-0.4） 1=0.08

9、+0.2210-3t W/(mC) 膨脹珍珠巖 2=0.04+0.2210-3t W/(mC) 分別代入(1-7)式得： 1=0.08+0.2210-3(900+750)/2=0.262 W/(mC) 2=0.04+0.2210-3(750+60)/2=0.129 W/(mC) 由q=(t1-t4)/(s1/1+s2/2+1/) =(900-20)/(0.090/0.262+0.195/0.129+1/12.17)=454.238W/m t2=900-454.2380.090/0.262=744.0C t2的設(shè)定值與計算值誤差百分率： (750-744.0)/750100%=0.8%5% 合格

10、， 說明所設(shè)t2=750C合適。 驗算爐殼溫度： t3=t2-qs2/2=744.0-454.2380.195/0.129=57.4C60C計算結(jié)果：q墻=454.238W/m2，t2=744.0C，t3=57.4C (2)由前面設(shè)計過程可得到t1=900C，t4=20C， 設(shè)定t3=60C，s1=134mm，s2=150mm。 由【1】P6公式(1-7) 可知 為了計算，先設(shè)t2=650C，查【1】P181附表3，可知: 輕質(zhì)粘土磚（QN-0.4） 1=0.08+0.2210-3t W/(mC) 膨脹珍珠巖 2=0.04+0.2210-3t W/(mC) 分別代入(1-7)式得： 1=0.0

11、8+0.2210-3(900+650)/2=0.251 W/(mC) 2=0.04+0.2210-3(650+20)/2=0.114 W/(mC) q=(t1-t4)/(s1/1+s2/2+1/) =(900-20)/(0.134/0.251+0.150/0.114+1/12.17)=455.528W/m t2=900-455.5280.134/0.251=656.8C t2的設(shè)定值與計算值誤差百分率：(656.8-650)/650100%=1.05%5% 合格， 說明所設(shè)t2=650C合適。 驗算爐殼溫度： t3=t2-qs2/2=656.8-455.5280.150/0.114=57.4C

12、60C 計算結(jié)果：q=455.528W/m t2=656.8C t3=57.4C (3)通過爐蓋熱量散失： 由前面設(shè)計過程可得到t1=900C，t3=20，s=210mm。 為了計算，查【1】P181附表4，可知: 當(dāng)=350kg/m時，700C的=0.121 W/(mC) 1000C的 =0.122 W/(mC)用(700-900)/(0.121-)=(900-1000)/(-0.122)求得900C時的值約為=0.122 W/(mC) 由q=(t1-t3)/(s/+1/) =(900-20)/(0.220/0.122+1/12.17)=466.733 W/m t2=t1-qs/=900-4

13、66.7330.220/0.122=58.4C60C 合格 計算結(jié)果：q頂=466.733 W/m，t2=58.4C2、功率計算： 由【1】P101式（7-5） P=P0vt P為鹽浴爐功率，P0為單位容積功率，vt為熔鹽工作溫度下體積 Vt=r+rh=2/33.140.15+3.140.150.4=35.325dm 由【1】P101表7-3 取P0=0.6kW/dm 即 P=P0vt=35.3250.6=21.195kW 與標(biāo)準(zhǔn)爐相比較，取爐子功率為25kW。五、 空爐升溫時間計算1、爐襯蓄熱計算： 查【1】P181附表3 磚=0.4g/cm C磚=0.84+0.2610-3t kJ/(kg

14、C) 膨脹珍珠巖取珍=0.2g/cm，C珍太小可以忽略不計 (1)爐墻體積： =(0.3-0.21)0.670=0.0966m=(0.495-0.3)0.670+2(0.065+0.002)=0.391m (2)爐底體積：=rh=3.140.30.134=0.038m=rh=3.140.4950.15=0.115m (3)爐墻及爐底蓄熱： 由于膨脹珍珠巖的比熱容太小，以致其蓄熱量小可以忽略不計。 Q蓄1=0.09660.4100.84+0.2610-3(900+744.0)/2(900- 744.0)+0.0380.4100.84+0.2610-3(900 +656.8)/2 (900-656

15、.8)=10204.97kJ2、鹽吸熱： V0=r+rh=2/33.140.15+3.140.15(0.4-0.15)=0.025m 查【1】P100表7-1及P189附表14 工作=1600kg/m C固=0.837kJ/(kgC) C液=1.089kJ/(kgC) 熔=669.9kJ/kg t熔點=810C Q鹽=m(Ct-Ct0)+熔 =工作V0C液(t1- t熔)+C固(t熔-t3)+熔 =16000.0251.089(900-810)+0.837(810-20)+669.9 =57165.6kJ3、坩堝吸熱：查【1】P183附表6可得耐熱鋼比熱容50100C時為0.410 kJ/(k

16、gC)850900C時為0.737 kJ/(kgC)坩堝的質(zhì)量：m=V=(r外-r內(nèi))+h(r外-r內(nèi)) =7.810(3.14(0.17-0.15)+3.14(0.400-0.150)(0.17-0.15) =64.30kgQ坩=m(Ctt-C0t0)=64.30(0.737900-0.41020)=42122.93kJ4、總蓄熱量 Q蓄=Q蓄1+Q鹽+Q坩=10204.97+57165.6+42122.93=109493.5kJ5、空爐升溫時間： 由【1】P58式（5-13） s=Q蓄/3600/Pa=109493.5/3600/25=1.22h任務(wù)書要求空爐升溫時間小于3h，故該設(shè)計合理

17、。六、功率分配與接線25kW功率均勻分布在爐膛周圍，供電電壓為單相220V電壓。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之間，常用2025kW之間。 W=P安/F電=25/0.8348=29.9kW/m 表面負(fù)荷在1535kW/m之間，故符合設(shè)計要求。七、電熱元件材料選擇及計算電熱元件的工作溫度一般比爐溫高100200C，由于額定使用溫度為900C，故設(shè)電熱元件工作溫度為1100C，由【1】P188附表12，選取0Cr25Al5作為電熱材料。1、 用圖表法： 由【1】P190附表15查得0Cr25Al5的電熱元件25kW單相接線，有 d=8.0mm，表面

18、負(fù)荷w=1.52W/cm，元件總長度為64.8m，元件總質(zhì)量為G總=23.1kg 2、電熱元件在爐膛內(nèi)的布置 將電熱元件每組分為6折，布置在爐墻周圍。則有 L折=64.8/6=10.8m 布置電熱元件的爐墻長度 絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000C時，由【1】P65表5-5查得，螺旋節(jié)徑D=(46)d 取D=6d=6X8=48mm 螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為 N=L折/D=10.8/3.14/40X1072圈 h=L/N=1320/72=18.32 h/d=18.32/8=2.29 按規(guī)定，h/d在24范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求。 根據(jù)計算，采用d=8mm所用電熱元件重量最小，成本最低。

19、電熱元件節(jié)距h在安裝時適當(dāng)調(diào)整。 電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti，=12mm，l=320mm。八、 爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）額定功率：25kW 額定電壓：220V額定溫度：900 電源相數(shù)：1坩堝有效尺寸：300400 坩堝尺寸：300500外形尺寸：10001200 空爐升溫時間：2.04h設(shè)計用鹽：100%NaCl小結(jié) 剛開始學(xué)習(xí)熱處理爐的時候覺得這門課非常簡單，只要懂得原理就能設(shè)計出爐子。等到真正開始設(shè)計的時候發(fā)現(xiàn)自己的想法太幼稚了。設(shè)計不僅僅是把書上的公式往上面套，更是要思考各種合理的材料，然后找到最優(yōu)解。開始的設(shè)計的時候由于沒有樣板之類的供參考，不知道從哪里下手，后來在老師的指導(dǎo)下才逐漸摸索出一些思路，隨著設(shè)計然后一步一步完善，思路也漸漸清晰。當(dāng)然設(shè)計的過程中偶爾會遇到一些難題，但是與同學(xué)討論后，最終都解決了。本次設(shè)計是一個艱難的過程，不僅需要大量的時間精力，還需要防止各種各樣的錯誤，這個版本是經(jīng)過三次修改后的最終版本，之