箱式热处理炉课程设计docWord文档下载推荐.docx
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中小型零件,无定型产品,处理批量为多品种,小批量;
(3).最高工作温度:
750℃;
(4).生产率:
70kg/h;
(5).生产特点:
周期式成批装料,长时间连续生产。
二确定炉体结构和尺寸
1.确定炉膛有效尺寸
因无定型产品,故不能使用实际排料法确定炉底面积,只能用加热能力指标法。
炉子的生产率为P=70,箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为100kg/(m2·
h)。
故可求的炉底的有效面积
F1=P/P0=0.7m2
由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取L/B=2:
1因此,可求的:
L效=
=1.18m
B效=L效/2=0.59m
2..确定炉膛砌体尺寸
按统计资料,炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.5~0.9之间,根据炉子的工作条件,取H/B=0.8左右。
则H=0.640m
可以确定炉膛尺寸如下
L=L效+0.218=1.398m
B=B效+0.619=0.928m
H=0.8B=0.067*11=0.737m
三.炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似,采用相同炉衬结构,即113mmQN-1.0轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mmB级硅藻土砖。
炉顶采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+115mm膨胀珍珠岩。
炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖(67×
3)mm+50mm的普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。
炉门用65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质粘土砖,电热元件搁砖选用重质高铝砖。
炉底板材料选用Cr-Mn-N耐热钢,根据炉底实际尺寸给出,分三块或四块,厚20mm。
砌体平均表面积计算
L外=L+2×
(115+80+115)=1958mm
B外=B+2×
(115+80+115)=148mm
H外=H+f+(115+80+115)+67×
3+50+182
=737+124+310+268+50+182
=1604mm
式中:
f=——拱顶高度,此炉子采用60°
标准拱顶,取拱弧半径R=B,则f可由f=R(1-cos30°
)求得。
炉顶平均面积
F顶内=
×
L==1.358m2
F顶外=B外×
L外==2.914m2
F顶均=
=1.989m2
炉墙平均面积
炉墙面积包括侧墙及前后墙,为简化计算将炉门包括在前墙内。
F墙内=2LH+2BH=2H(L+B)=1.3853.429m2
F墙外=2H外(L外+B外)=11.055m2
F墙均=
=6.157m2
炉底平均面积
F底内=B×
L=1.297m2
F底外=B外×
L外=2.941m2
F底均=
=1.944m2
四.计算炉子功率
1.根据经验公式法计算炉子功率
由经验公式可知:
P安=Cτ-0.5升F0.9(t/1000)1.55
取式中系数C=30〔(kM·
h0.5)/(m1.8·
℃1.55)〕,空炉生温时间假定问τ升=4h,炉温t=750℃。
F壁=2*(1.398*0.737)+2*(0.928*0.737)+1.398*0.928+2*3.14*0.928*60/360*1.398=6.09m2
所以30×
4-0.5×
6.090.9×
(750/1000)1.55=P安
解得,P=48.78kW暂取P安=50kW
2.根据热平衡计算炉子功率
(1)加热工件所需的热量Q件
查表得,工件在750℃及20℃时比热容分别为c件2=0.624kJ/(kg·
℃),c件1=0.486kJ/(kg·
℃)
Q件=p(c件2t1-c件1t0)=70×
(0.624×
750-0.486×
20)=32105kJ/h
(2)通过炉衬的散热损失Q散
由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似,故作统一数据处理,为简化计算,将炉
包括在前墙内。
根据式Q散=
对于炉墙散热,首先假定界面上的温度及炉壳温度,t’2墙=620℃,t’3墙=360℃,
t’4墙=60℃则
耐火层s1的平均温度ts1均=
=685℃,硅酸铝纤维层s2的平均温度ts2均=
=490℃,硅藻土砖层s3的平均温度ts3均=
=210,s1、s3层炉衬
的热
导率由附表3得
λ1=0.29+0.256×
10-3ts1均=0.465W/(m·
λ3=0.131+0.23×
10-3ts3均=0.119W/(m·
普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得,在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系,由ts2均=490℃,得
λ2=0.100W/(m·
当炉壳温度为60℃,室温为20℃时,由附表2近似计算得αΣ=12.17W/(m·
a.求热流
q墙=
=
=496.4W/m2
b.验算交界面上的温度t2墙,t3墙
t2墙=t1-q墙
=627.3℃
Δ=
=
=1.16%
Δ<
5%,满足设计要求,不需重算。
t3墙=t2墙-q墙
=379℃
Δ=
=4.7%
c.验算炉壳温度t4墙
t4墙=t3墙-q墙
=60.7℃<
70℃
满足一般热处理电阻炉表面升温<
50℃的要求。
d.计算炉墙散热损失
Q墙散=q墙·
F墙均=496.4×
3.17=3056.3W
同理可以求得
t2顶=646.9℃,t3顶=296.9℃,t4顶=55.63℃,q顶=419.6W/m2
t2底=618.4℃,t3底=446.7℃,t4底=44.3℃,q底=301.5W/m2
炉顶通过炉衬散热
Q顶散=q顶·
F顶均=834.6W
炉底通过炉衬散热
Q底散=q底·
F底均=601.2W
整个炉体散热损失
Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散
=4492.1W
(3)开启炉门的辐射热损失
设装出料所需时间为每小时6分钟
Q辐=3.6×
5.675Fφδt[(
)4-(
)4]
因为Tg=750+273=1023K,Ta=20+273=293K,
由于正常工作时,炉门开启高度为炉膛高度的一半,故
炉门开启面积F=B×
=0.342m2
炉门开启率δt=
=0.1
由于炉门开启后,辐射口为矩形,且
与B之比为0.40,炉门开启高度与炉墙厚度之比为
=0.7,由图1-14第1条线查得φ=0.6,故
Q辐=3.6×
=3.6×
5.675×
0.342×
0.1×
0.7×
[(
=10207.6kJ/h
(4)开启炉门溢气热损失
溢气热损失由下式得
Q溢=qvaρaca(t’g-ta)δt
其中,qva=2200B·
·
=457.6m3/h
冷空气密度ρa=1.29kg/m3,由附表10得ca=1.342kJ/(m3·
℃),ta=20℃,t’g为溢气温度,近似认为t’g=ta+
(tg-ta)=20+
(750-20)=506.7℃
Q溢=qvaρaca(t’g-ta)δt=457.6×
1.29×
1.342×
(750-20)×
0.1=38553.1kJ/h
其它热损失
其它热损失约为上述热损失之和的10%~20%,故
Q它=0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=11950.1kJ/h
热量总支出
其中Q辅=0,Q控=0,由下式得
Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它
=97307.9kJ/h
炉子安装功率
P安=
其中K为功率储备系数,本炉设计中K取2,则
P安=54.1kW
与标准炉子相比较,取炉子功率为60kW。
五.炉子热效率计算
1.正常工作时的效率
η=
=33.0%
2.在保温阶段,关闭时的效率
=66.1%
六.炉子空载功率计算
P空=
=4.57kW
七.空炉升温时间计算
由于所设计炉子的耐火层结构相似,而保温层蓄热较少,为简化计算,将炉子侧墙
和前后墙及炉顶按相同数据计算,炉底由于砌砖方法不同,进行单独计算,因升温时炉底板也随炉升温,也要计算在内。
1.炉墙及炉顶蓄热
V侧粘=2×
[1.398×
(11×
0.067+0.135)×
0.115]=0.280m3
V前·
后粘=2×
[(0.928+0.115×
2)×
(15×
0.115]=0.304m3
V顶粘=0.97×
(1.398+0.276)×
0.115=0.187m3
V侧纤=2×
[(1.398+0.115)×
0.05]=0.132m3
后纤=2×
V顶纤=1.092×
0.08=0.146m3
V侧硅=2×
[(15×
(1.398+0.115)×
0.115]=0.397m3
后硅=2×
0.115]=0.367m3
V顶硅≈2.3×
1.398×
0.115=0.370m3
Q蓄=V粘ρ粘c粘(t粘-t0)+V纤ρ纤c纤(t纤-t0)+V硅ρ硅c硅(t硅-t0)
因为t粘=(t1+t2墙)/2=688.65℃
查附表3得
c粘=0.84+0.26×
10-3t粘=0.84+0.26×
10-3×
688.65=1.019kJ/(kg·
t纤=(t2墙+t3墙)/2=
=503.15℃
c纤=0.81+0.28×
10-3t纤=0.84+0.26×
503.15=0.951kJ/(kg·
t硅=(t3墙+t4墙)/2=
=219.85℃
c硅=0.84+0.25×
10-3t硅=0.84+0.26×
219.85=0.895kJ/(kg·
所以得
Q蓄1=(V侧粘+V前·
后粘+V顶粘)ρ粘c粘(t粘-t0)
+(V侧纤+V前·
后纤+V顶纤)ρ纤c纤(t纤-t0)
+(V侧硅+V前·
后硅+V顶硅)ρ硅c硅(t硅-t0)
=673837.33kJ/h
2.炉底蓄热计算
V底粘=[4×
(0.02×
0.12+0.113×
0.065)+(0.04×
2+0.065)×
0.113+(0.113×
0.120)×
2]×
1.398+(1.488-0.115×
(1.958-0.115)×
0.065
=0.288m3
V底纤=1.958×
1.488×
0.05=0.146m3
V底硅=1.958×
0.182=0.535m3
由于t底粘=(t1+t2底)/2=(750+618.4)/2=684.2℃
c底粘=0.84+0.26×
10-3t底粘=1.02kJ/(kg·
t底纤=(t2底+t3底)/2=(618.4+446.7)/2=532.55℃
c底纤=0.81+0.28×
10-3t底纤=0.959kJ/(kg·
t底硅=(t3底+t4底)/2=(446.7+44.3)/2=245.5℃
c底硅=0.84+0.25×
10-3t底硅=0.901kJ/(kg·
Q底蓄=0.288×
1.0×
103×
1.02×
(684.2-20)+0.146×
0.25×
0.959×
(532.55-20)+0.538×
0.5×
0.901×
(245.5-20)
=267710.64kJ/h
3.炉底板蓄热
根据附表6查得750℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板2=0.691kJ/(kg·
℃)和c板1=0.473kJ/(kg·
℃)。
经计算炉底板重量G=336kg,所以有
Q板蓄=G(c板2t1-c板1t0)=336×
(0.691×
750-9.46)=170953.44kJ/h
Q蓄=Q蓄1+Q底蓄+Q板蓄=1112501.41kJ/h
空炉升温时间
τ升=
=5.15h
对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在3~8小时内均可,故本炉子设计符合要求。
因计算蓄热时是按稳定态计算的,误差大,时间偏长,实际空炉升温时间应在4小时以内。
八.功率的分配与接线
30kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底,组成Y、Δ或YY、ΔΔ接线。
供电电压为车间动力380V。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷,
F电=2F电侧+F电底=2×
0.737+1.398×
0.928=3.357m2
W=P安/F电=60/3.357=17.87kW/m2
对于周期式作业炉,内壁表面负荷应在15~35kW/m2之间,故符合设计要求。
九.电热元件材料选择及计算
由最高使用温度750℃,选用线状0Cr25Al15合金电热元件,接线方式采用YY。
1.图表法
由附表15查得0Cr25Al1电热元件30kW箱式炉YY接线,直径d=4.5mm时,其表面负荷为1.39W/cm2。
每组元件长度L组=50.1m,总长度L总=300.6m,元件总重量G总=36.4kg。
2.理论计算法
(1)、求750℃时电热元件的电阻率ρt
当炉温为750℃时,电热元件温度取1100℃,由附表12查得0Cr25Al5在20℃时电阻率
ρ20=1.40Ω·
mm2/m,电阻温度系数α=4×
10-5℃-1,则1100℃下的电热元件电阻率为
ρt=ρ20(1+αt)=1.40×
(1+4×
10-5×
1100)=1.46Ω·
mm2/m
(2)、确定电热元件表面功率
由图5-3,根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6W/cm2。
(3)、每组电热元件功率
由于采用YY接法,即三相双星形接法,每组元件功率
P组=60/n=30/(3×
2)=10kW
(4)、每组电热元件端电压
由于采用YY接法,车间动力电网电压为380V,故每组电热元件端电压即为每项电压
U组=380/
=220V
(5)、电热元件直径
线状电热元件直接由下式得
d=34.3
=4.2mm
取d=4.5mm
(6)、每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度由下式得
L组=0.785×
10-3
=52.7m
每组电热元件重量由下式得
G组=
d2L组ρM
式中,ρM由附表12查得ρM=7.1g/cm2
G组=
d2L组ρM=5.95kg
(7)、电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L总=3L组=316.2m
电热元件总重量
G总=3G组=35.7kg
(8)、校核电热元件表面负荷
W实=
=1.34W/cm2
W实<
W允,结果满足设计要求。
(9)、电热元件在炉膛内的布置
将6组电热元件每组分为5折,布置在两侧炉墙及炉底上,则有
L折=L组/5=52.7/5=10.54m
布置电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于1000℃。
由表5-5可知,螺旋节径D=(4~6)d,
取D=6d=6×
4.5=27mm
螺旋体圈数N和螺距h分别为
N=L折/πD=10.54/(3.14×
27)×
103=125圈
h=L’/N=10.8mm
h/d=2.4
按规定,h/d在2~4范围内满足设计要求。
根据计算,选用Y方式接线,采用d=4.5mm所用电热元件重量最小,成本最低。
电热元件节距h在安装时适当调整,炉口增大功率。
电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti,φ=12mm,l=500mm。
十.炉子技术指标(标牌)
额定功率:
60kW额定电压:
380V
使用温度:
750℃生产率:
70kg/h
相数:
3接线方法:
YY
工作室有效尺寸:
1180*590*470外型尺寸:
1958*1488*1604
重量:
出厂日期:
十一.参考文献
1、热处理炉吉泽升编著哈尔滨工程大学出版社
2、热处理工程基础陆兴主编机械工业出版社
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