熱處理爐課程方案設(shè)計書

1、熱處理電阻爐設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)(見教材80頁)二、爐型選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)特點，選用中溫(6501000C)箱式熱處理電阻爐， 爐膛不通保護氣氛，為空氣介質(zhì)。三、確定爐膛尺寸1.理論確定爐膛尺寸(1) 確定爐底總面積爐底總面積的確定方法有兩種：實際排料法和加熱能力指標(biāo)法。本設(shè)計用加 熱能力指標(biāo)法來確定爐底面積。已知爐子生產(chǎn)率 P = 60kg h，按教材表5-1選 擇適用于淬火、正火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產(chǎn)率po = 120kg. (m2 h)。 因此，爐子的爐底有效面積(可以擺放工件的面積)F1可按下式計算：F1P060120二 0.5m2通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在 0

2、.750.85之間選擇。爐子小取小值;爐子大取大值。本設(shè)計取中值 0.8，則爐底總面積F為,F10.52F -0.625m20.80 0.80(2) 確定爐膛的長度和寬度爐底長度和寬度之比丄在3/22之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的B°.625 = 1.118m;方便，本設(shè)計取|=2，則爐子爐底長度和寬度分別為：. 0.5' 0.5c L 1.118B0.559m2 2(3) 確定爐膛高度H爐膛高度和寬度之比H在0.50.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大B值。本設(shè)計取中值0.7，則爐膛高度為：H =0.7B =0.7 0.559 =0.391m2. 實際確定爐膛尺寸為

3、方便砌筑爐子，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸(230X 113X 65mm,并考慮砌縫寬度(砌磚時兩塊磚之間的寬度，2mm、上、下磚體應(yīng)互相錯開以及在爐底方便布置電熱元件等要求，進一步確定爐膛尺寸。依據(jù)理論計算的爐膛長度、寬度和高度，進一步確定爐膛尺寸如下：L =(2302) 5 =1160mm =1.16m ;B =(552) 2(113 2) 3 (38 2) 2 =57 2115 340 2 = 539mm = 0.539mH =(652) 6 = 402mm 二 0.402m注意：實際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。3. 確定爐膛有效尺寸為避免熱處理工件與爐膛內(nèi)壁、電熱元件和放置電熱

4、元件的擱磚發(fā)生碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁保持一定的距離。工件應(yīng)放置的爐膛的有效尺寸內(nèi)。爐膛有效尺寸確定如下：L效=950mmB效二 450mmH 效二 350mm四、爐襯材料的選擇及其厚度的確定爐襯材料的選擇及其厚度的計算應(yīng)滿足在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，爐殼溫度小于60C。由于爐子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱為 綜合傳熱系數(shù)：-爐殼包括爐墻、爐頂和爐 底。這三部分外壁對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)不同(見教材附表2)，所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進行計算。1. 爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算爐子的兩邊側(cè)墻和前后墻可采用相同的爐襯結(jié)

5、構(gòu)，同時為簡化計算，將爐門看作前墻的一部分。設(shè)爐墻的爐襯結(jié)構(gòu)如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN 0.8）， 保溫層是60mm厚、密度為350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和 230mm厚的A 級硅藻土磚（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4）。這種爐襯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿足爐墻外壁溫度小于60°C，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計算進行驗證。在爐墻內(nèi)壁溫度950C、爐殼周圍空氣溫度20C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐 墻向周圍空氣散熱的熱流密度為：950 -201）S,S2,S3的確定Si,S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的厚度（m）若考慮

6、它們之間2mm的砌縫寬度，則S,S2,S3的厚度為：Si =113 2 = 115mm ; S2 = 60mm ; S3 = 230 2 = 232mm2）'1, 2, '3，衛(wèi)”的確定'1, '2, '3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/mc）；八是爐殼對周圍空氣的 綜合傳熱系數(shù)（W/m- c）0要求出1,2 '3和：、，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘 土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t2 =850C，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度t3 = 620C，爐墻外殼溫度t4 =55C <6

7、0C。如圖所示。J求輕質(zhì)粘土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3,可得輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為：1 =0.294 0.212 10”tp （tp為平均溫度）丄仝 t1 +t2丄a 950 +8501 =0.294 0.212 10 （）=0.2940.212 10 （）=0.485 W/m- c求硅酸鹽耐火纖維氈的平均導(dǎo)熱率硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度tp二匕 色二850 620 = 735 C。根據(jù)教材附2 2表4查得，密度為350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈 700C、1000C的熱導(dǎo)率分別為0.121 W/m- c和0.122 W/m- c。在700C 1000C溫度范圍內(nèi)，可近似

8、認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有:1000 -700J求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率0121 二 2 =0.121 W/m- c735 - 700查教材附表3,可得A級硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率為:3 =0.105 0.23 10%/t3 +t4q 620 十 553 =0.105 0.23 10(-)7105 0.23 10()2 2=0.183 W/m c丄求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為55c，周圍空氣為20c時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：八-11.81 W/n2 - c3)求熱流密度將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流

9、密度為:930-2445.8W m 2.086950 -200.115 . 0.06 . 0.23210.4850.1210.18311.814)驗算各界面溫度和爐墻外殼溫度是否滿足設(shè)計要求J輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度 t2為:S10 115t2 二t1 - q 950 -445.8844.3 c打0.485t2 -t2844 3 850相對誤差為= 844.3 850 =0.67% c 5%，滿足設(shè)計要求，不必重算 t2850J硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：t3 =t2 q?2 =844.3445.8 0.060 = 623.2 °C;人20.121滿

10、足設(shè)計要求，不必重算相對誤差為|吐斗=623.2 -62° =0.52% c 5% , t3 |620爐墻外殼溫度為:t4 =t3 -q-3 =623.2 445.8 - -58C< 60C;A30.183因爐墻外殼溫度小于60C，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若 實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。2. 爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐頂?shù)臓t襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是 113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫 層是厚度60mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和厚度 113mm的膨脹 珍珠巖。在爐頂內(nèi)壁溫度950C、爐殼周圍

11、空氣溫度20C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐 頂向周圍空氣散熱的熱流密度為：95020q -1 -2 -1r r r '1' 2 ' 31) S,S2,S3的確定-1,-2,-3分別是輕質(zhì)粘土磚（QN 0.8）、普通硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠 巖的厚度。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1,S2,S3的厚度為：S1 = 115mm ; S2 二 60mm ; S3 = 115mm。2）'1, '2, '3,八 的確定1, '2, '3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率（W/m-c） 7是爐頂外殼對周圍空氣的綜合

12、傳熱系數(shù)（W/m-c）0要求出 匕匕，和：、，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t2 =860C，硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖之間的界面溫度t3 =580C，爐頂外殼溫度t4 =55C <60C門冷的確定口 >,2的確定門 '込的確定4 *的確定3) 熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流密度為:= 502.2W m2950 -209300.1150.060.1151- 1.8520.4860.121 0.110 13.524) 驗算界面溫度和爐頂外殼溫度J輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度 t2為:十

13、950 -502.2 豌"31.0c831.0 -860860= 3.4% ： 5% ,滿足設(shè)計要求，不必重算J硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為:t3 =t2 -q =831.0-502.2 0060 = 582 C;0.121相對誤差為|呼卜|簣卜0.32%<5% ,滿足設(shè)計要求，不必重算J爐頂外殼溫度為:S30 115t4 =t3 -q =582 -502.2 - = 57°Cv 60C;扎 30.110因爐頂外殼溫度小于60C，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若 實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。3. 爐底爐襯

14、材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐底的爐襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是(65+2)x 3=201mm厚的輕質(zhì)粘土磚(QN 0.8)，保溫層是厚度80mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和 (113+2) + (65+2)x 2=249mn厚的 A 級硅藻土磚。在爐底內(nèi)壁溫度950C、爐殼周圍空氣溫度20C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐 底向周圍空氣散熱的熱流密度為：950 - 20S2S31+ + + 2 31) S,S2,S3的確定Si,S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）、普通硅酸鹽耐火纖維氈和 A級硅藻土磚的厚度。若考慮它們之間2mm勺砌縫寬度，則S,S2,S3的厚度為：Si = 201mm ;

15、 S 80mm ; S3 = 249mm。2）M,，2,，3,八 的確定i,Z'3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/mc）送是爐底外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m- c）0要求出i, '2, 3和：、，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t2 =8iOC，硅酸鹽耐火纖維氈和 A級硅藻土磚之間的 界面溫度t3 =560C，爐底外殼溫度t4 =55C <60C。-'i的確定-'2的確定 '迪的確定3）熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流密度為:= 358

16、.5W m2950 - 200.20i0.080.249 i0.48i0.ii90.i78 9.554）驗算界面溫度和爐底外殼溫度J輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度 t2為:t2 = ti - q S = 950 - 358.5 0 = 800.i C人0.48i相對誤差為 A! = 800上810 =1.2% £5%，滿足設(shè)計要求，不必重算 t2810J硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：q.800"358.5 罟®.2°；559.2 -560560-0.1% :：: 5%，滿足設(shè)計要求，不必重算J爐底外殼溫度為:S30 249t4

17、= t3 - q 559.2 -358.557.7°Cv 60 °C;血0.178因爐底外殼溫度小于60C，故爐底爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。五、爐子外形尺寸的確定和砌體平均表面積的計算1. 爐子外形尺寸的確定1）爐子外形長度爐子的外形長度為爐膛長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：L外二 1160 2 （115 60 232） = 1974mm = 1.974m2）爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：B外=539 2 （115 60 232） = 1353mm = 1.353m3

18、）爐子外形高度爐子的外形高度由以下五部分組成（圖 5-8右圖）：爐膛高度、拱頂高度、 爐頂厚度、爐底厚度和爐底預(yù)留安裝電熱元件所需的高度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐頂厚度、爐底厚度已經(jīng)求出。若爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R=B，則拱頂高度可由下式求出：f 二 R（1 -cos30 ） = 539 （1cos30 ） = 72mm;為方便砌筑，預(yù)留安裝電熱組件所需的高度及爐底板厚度可取65+2=67mm。綜合以上五部分的高度，爐子外形高度為：H 外二 402 72 - (115 60 115 (201 80 24967 = 1361mm = 1.361m;2. 砌體平均表面積的

19、計算爐子砌體平均表面積的計算方法有兩種：算術(shù)平均值和幾何平均值。本設(shè)計 采用幾何平均計算法。此方法首先需要算出爐子內(nèi)壁和外壁的面積。1) 爐頂平均表面積的確定爐頂內(nèi)壁是弧面，內(nèi)壁面積為：60： 2 2F頂內(nèi)2 R L 3.14 0.539 1.160 = 0.654m2 ；3606'爐頂外壁是平面，外壁面積為：F頂外二 L外 B外= 1.974 1.353 二 2.67m2則爐頂平均面積為：F頂均二 F頂內(nèi)F頂外二.0.654 2.67 二 1.32m22) 爐墻平均表面積的確定爐墻包括兩側(cè)墻和前、后墻。為簡化計算，將爐門視作前墻，則爐墻平均面 積為：F墻均二F墻內(nèi)F墻外二i 2H(L

20、 B) 2H外匸外 B外)=,2一0.4 0 2(1.1 6 0 0.5 3)9 1.3 6 1 (1.9 7 4 1.3 5)3=3.52m23) 爐底平均表面積的確定爐底平均面積為：F低均二F低內(nèi)F低外二_ (B L) (B外L外) 0.539 1.160 1.353 1.974 = 1.29m2六、用熱平衡計算法計算爐子功率熱平衡計算法是根據(jù)爐子的輸入總功率等于各項能量消耗總和的原則，來確定爐子功率的方法。1. 爐子的主要能量消耗項1)加熱工件所需要的熱量由教材附表6查得，低合金鋼在950 C和20C時的比熱容分別為：C950 = 0.636 kJ/(kg C )和 C20 = 0.48

21、6kJ/(kg C ),熱處理爐的生產(chǎn)率P =60kg.h，則加熱工件所需要的熱量為Q件二 P(C950 950 -C20 20) =60 (0.636 950-0.486 20)=35669kg/h2) 通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分，有:Q散二Q頂Q墻Q底二q頂 F頂均q墻 F墻均 q底 F底均-502.2 1.32 445.8 3.52 358.5 1.29 = 26945則二 9700.52kJ/h3) 開啟爐門的輻射熱損失這部分熱損失可由下式求得：= 3.6CoF譏 t£J00丿式中C0黑體輻射系數(shù);F 爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟

22、高度為爐膛高度的一半，H0 402故 F =B 0.5390.217m2 ；2 2遮蔽系數(shù)。開啟的爐門是拉長的矩形，開啟高度為旦二0402二0.201m，2 2它與爐墻厚度之比為02010.5，查教材圖1-14曲線10.115 + 0.06 +0.232得=0.56;t 爐門開啟率。設(shè)裝、出料所需時間為每小時6分鐘，則爐門開啟率為0.1;Tg 爐氣的熱力學(xué)溫度，為 950+273=1223K;Ta 爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為 20+273=293K，將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得:(1223 V (293 YQ輻二3.6 5.675 0.217 0.56 0.15535.82kJ/hoo 丿 1100

23、 川4) 開啟爐門的溢氣熱損失對于一般的箱式電阻爐，爐門開啟后要吸入冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需要的熱量作為該項熱損失，即有：0溢=qva " aCa ' t 仃g - Ta)式中qva 爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高 度的一半。由教材(58)式得：qva -1997B H . H -1997 0.539 0-402 . 0.402 =97m3/h222 V 2亠 20 C冷空氣的密度，為1.29 kg/m3;Ca 空氣在Ta Tg (即20950C)溫度間的平均比熱容。就本設(shè)計來說，是平均溫度(950+20) /2=485 C的比熱容。查附

24、表10可知，空氣在400C、500C的比熱容分別為 1.3302kJ/ (m3. C)和 1.3440 kJ/(m3. c)?？烧J(rèn)為空氣比熱容在此溫度區(qū)間的變化呈線性關(guān)系，即有：1.3340 -1.3302500 - 400Ca - 1.3302485 - 400Ca 二 1.342 kJ/ (m3. c)t 爐門開啟率。0.1。22T,溢氣溫度，近似為 -(Tg Ta)+Ta = (950 20) + 20 = 640 C3 3將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為：Q溢 =97 1.29 1.342 0.1 (640-20) 10411.32kJ h5) 其它熱損失此項熱損失包括未考

25、慮的各種熱損失和一些不易精確計算的各種熱損失。 就 箱式電阻爐來說，該項熱損失可取以上各項熱損失之和的 10%20%。本設(shè)計取 15%，該項熱損失為：Q其它二0.15( Q件 Q散 Q輻 Q溢)=0.15 (35668.8 9700.52 5535.82 10411.32) 二 9197.47 kJ h2. 爐子的理論輸入功率根據(jù)熱平衡計算法，在理論上爐子的輸入功率應(yīng)為上述各項能量消耗的總和，即：Q總二Q件-Q散 Q輻-Q溢-Q其它=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93（kJ/h）3. 爐子的安裝功率上面計算的爐子輸入功率（即各項能

26、量消耗總和）是維持爐子正常工作必不 可少的熱量支出。但在實際生產(chǎn)中還需考慮一些具體情況，如爐子長期使用后爐襯局部損壞會引起熱損失增加，電壓波動、電熱組件老化會引起爐子功率下降， 有時工藝制度變更要求提高爐子功率。這些具體情況要求爐子功率應(yīng)有一定的儲 備，爐子的實際功率應(yīng)比理論計算功率大，因此爐子的安裝功率為：KQ總P安=3600式中K 功率儲備系數(shù)，對周期作業(yè)爐，K =1.3 1.5。本設(shè)計可取1.4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得：1.4 70513.933600二 27.42kW取爐子的安裝功率為30kW七、爐子熱效率的計算1.正常工作時的熱效率由教材5-12式得，爐子正常工作時的熱效率為:1

27、00%35668.870513.93100% =50.6%一般電阻爐的熱效率在 30% 80%之間。本設(shè)計的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè) 計合理。2.保溫時關(guān)閉爐門的熱效率保溫關(guān)閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為:100%35668.870513.93 -5535.82 -10411.32100% =65.2%3. 爐子空載功率的計算爐子空載時，能量消耗項只有兩項：通過爐襯的散熱損失和其它熱損失， 此 時爐子的功率為：0散 Q其它36009700.52 9197.473600二 5.23kW八、功率的分配和接線方法爐子的安裝功率為30kW。電熱元件采用三相星形接法，也稱“丫”接

28、法（如 圖所示）。即將電熱元件分為3組，每組10 kW，爐墻兩側(cè)各布置1組電熱元件， 爐底布置1組電熱元件。九、校核爐膛內(nèi)壁表面負(fù)荷（選做）十、電熱元件材料的選擇和理論計算1. 電熱元件材料的選擇爐子的最高使用溫度為950r，可選用0Cr25AI5合金絲材，繞制成螺旋管 狀作為電熱元件。2. 爐膛950 r時電熱元件的電阻率爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高 1oor 2oor。當(dāng)爐膛 溫度為950r，電熱元件的溫度取1100C。由教材附表12得，0Cr25AI合金20E 時的電阻率?20 =1.40門mm2/m，電阻溫度系數(shù):=4 10 r '，則1100C時 電熱元件的電阻率為：1100 =20（1 t） = 1.40 （14 10° 1100） = 1.46" mm2/m3. 確定電熱元件的允許表面負(fù)荷由教材圖5-3 （a）,根據(jù)設(shè)計的爐子的工作條件，取電熱元件的允許表面負(fù)荷W允=1.6W/cm2。4. 每組電熱元件的功率和端電壓由于采用三相星形即“ Y”接法，電熱元件可分為三組。每組電熱元件的功率為:-=10kW。采用“丫”接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為 380V,故每組電熱元件的端電壓為,U組220/5. 電熱元件的絲材直徑電熱元件的絲材直徑可由教材5