热处理课程设计报告修正版.docx
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热处理课程设计报告修正版
摘要
本次课程设计《热处理设备课程设计》是热处理设备实践教学环节的重要组成部分,其目的是通过课程设计加深对本课程基础知识的理解,提高综合运用知识的能力;掌握本课程的主要内容、工程设计或撰写论文的步骤和方法;提高制图能力,学会应用有关设计资料进行设计计算和理论分析的方法,以提高独立分析问题、解决问题的能力。
本设计是950℃中温井式电阻炉的设计,实际生产率为90kg/h。
首先选择15CrMo阀座的热处理工艺,选择其中的正火和低温回火,分析其工艺特点,画出工艺曲线,然后通过合理的选择炉体材料和估算炉衬厚度,校核炉衬厚度以及表面温度来确定炉体结构,应用热平衡计算法确定炉子的加热功率,分析蓄热散热,估算空炉升温时间等,最后根据炉子的技术参数合理的选择电热元件,并分析其接线方式和布置方法,完成整个炉子的设计。
关键词:
中温井式电阻炉,热处理,热流密度,散热损失
1.15CrMo阀座的热处理工艺设计··········································03
2.炉型的选择···························································04
3.确定炉体结构和尺寸···················································04
4.炉衬材料的确定和厚度估算·············································05
5.炉衬厚度的校核·······················································06
6.砌体平均表面积计算···················································08
7.计算炉子功率·························································09
8.炉子热效率计算······················································13
9.炉子空载功率计算····················································13
10.空炉升温时间计算····················································13
11.功率的分配与接线····················································16
12.电热元件材料选择及计算··············································16
13.炉子技术指标························································19
14.编制使用说明书······················································19
15.参考文献····························································19
16.致谢································································20
115CrMo阀座的热处理工艺设计
多品种,小批量,工件最长2.1m,周期式长时间生产。
热处理最高工作温度为950℃。
炉外壁温度小于60℃。
1.115CrMo阀座加工制造工艺流程
正火→机械加工→渗碳→淬火→回火→检验→成品
15CrMo
正火920±10℃0.5h空冷
渗碳930±10℃6~8h空冷
淬火840±10℃1h油冷
回火180±10℃1.5h空冷
1.2正火和回火的热处理参数
加热温度
加热方法
加热介质
保温时间
冷却方法
冷却介质
最终组织
正火
920℃
中温井炉
空气
0.5h
出炉空冷
空气
细P+F
回火
180℃
中温井炉
空气
1.5h
出炉空冷
空气
M+碳化物
1.3热处理工艺曲线
1.4常见热处理缺陷
1 过烧:
由于加热温度过高,出现晶界氧化,甚至晶界局部熔化,造成工件报废。
2 裂纹淬火温度过高,回火不足可造成工件残余应力大,即使在合理的磨削条件下也可能产生磨削裂纹。
3 变形(翘曲):
各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力,在磨削之间插入人工时效。
另外,应特别强调磨削过程中应经常翻面,注意使零件正反两面的磨削量基本一致,使两面引入的磨削应力尽量达到平衡
2炉型的选择
根据设计任务要求,所以选择950℃的中温井式电阻炉合适。
3确定炉体材料和结构
3.1炉底面积的确定
因为没有定型的产品,故不能用实际排料法确定炉底面积,只能用加热能力指标法。
已知生产率g=90kg/h
查《热处理设备》表3—10中单位面积生产率80~120kg/h·㎡,取go为100kg/h·㎡。
所以炉底有效面积F1=g/go=90/100=0.9㎡
由于炉底有效面积与炉底实际面积存在关系式
F1/F=0.75~0.85
井式电阻炉取上限0.85
所以有F=F1/0.85=0.9/0.85=1.059㎡
3.2炉底直径的确定
由公式
3.3膛高度的确定
由于加热工件最长2.1m,而且一般工件距离炉顶和炉底在150mm~250mm。
则炉膛深度
H=2100+250+250=2600mm
3.4炉衬材料的确定和厚度的估算
炉衬由耐火层和保温层组成,对于950℃的井式电阻炉,用一层轻质粘土砖作为耐火层,硅藻土砖及蛭石粉作为保温层,在炉膛底部应铺粘土砖,如下:
炉墙采用一层QN-1.0轻质粘土扇形砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+B级硅藻土砖;
炉底采用二层QN-1..0轻质粘土砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+蛭石粉和B级硅藻土复合炉衬。
炉盖采用一层QN-1.0轻质粘土砖+80mm普通硅酸铝纤维毡+蛭石粉
3.4.1炉墙厚度的估算
3.4.2炉底厚度的估算
3.4.3炉盖厚度的估算
3.5炉衬厚度的校核
3.5.1炉墙厚度的校核
3.5.2炉顶盖厚度的校核
3.5.3炉底厚度的校核
4砌体平均表面积的计算
4.1炉顶平均面积的计算
4.2炉墙平均面积的计算
4.3炉底平均面积的计算
5电阻炉功率的计算
一般炉子的能量消耗项包括加热工件吸收的能量Q件(有效热)、通过炉壁的散热损失Q散(空载时主要能量消耗项,无效热损失)、砌体畜热量Q畜(周期作业炉主要能量消耗项,无效热损失)、炉内气体外溢和对外辐射热损失Q溢和Q辐(与炉子温度和操作状态有关,对高温炉应特别注意该两项能量损失,对敞开炉盖的炉子,此项热损失有时成为能量消耗的重要项目)、可控气体的热损失Q控(决定于气体消耗量,采用密封式自动装卸料的炉子,其气体消耗量和热能损失可大为降低)、炉内金属构件直接伸出炉外的短路损失Q短(在机械化作业炉子上较为严重,对于一般炉子应尽量避免)、料盘和夹具等反复加热和冷却带来的辅助构件热损失Q辅(有时也占较大比例,在可能的情况下应尽可能减少辅助构件或不使辅助构件反复拉出炉外)、供电设备和导线引起的电能消耗Q供(对直接从电网供电的炉子一般较小,仅占总损失的1%,但对经变压器降压、低压大电流供电的炉子,此项电能消耗也很可观),此外,炉子能量消耗还有许多项目难于计算,设计时归入其它热损失Q它项目中。
根据热平衡计算炉子功率
5.1加热工件所需的热量Q热
查表可知,工件在950℃和20℃时的比热容为
Ct=0.636kJ/(kg·℃)Co=0.486kJ/(kg·℃)
5.2加热辅助构件所需热量
辅助工件包括料框、炉底板、工具夹支撑架、料盘等,相对较小,忽略不计。
5.3加热控制气体所需的热量
5.4通过炉衬的散热量损失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。
5.4.1计算炉墙散热损失
5.4.2计算炉盖散热损失
5.4.3计算炉底散热损失
5.4.4整个炉体的散热损失
5.5开启炉盖的辐射损失
设装出料时间为每小时6分钟,则其开启率δt
根据公式
由于正常工作,炉盖开启时,炉口几乎全部打开
则开启面积F
由于炉盖开启时,辐射口为圆形,且H与R之比为0.20/0.58=0.34,
炉盖开启高度与炉墙厚度之比为0.20/0.34=0.65
查《热加工基础》辐射曲线知
Φ=0.7
所以有
5.6开启炉盖溢气热损失
溢出气体所带出的热量与气体的密度和比热容等有关,而且还与炉膛加热温度相关,根据井式电阻炉气体热损失经验公式可计算。
由溢气热损失公式得
5.7其他热损失的计算
其他热损失之和约为上述热损失之和的10%~20%
故有
5.8热量总支出的计算
5.9炉子安装功率的计算
查《热处理手册》可知
与标准的中温井式电阻炉比较,取炉子功率为65kw。
6炉子热效率的计算
6.1正常工作时的效率
6.2在保温阶段,关闭炉盖时的效率
7炉子空载功率的计算
8炉子空温时间计算
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。
8.1炉墙及炉顶蓄热计算
=2×[1.509×(39×0.067+0.135)×0.115]=0.954
=2×[1.509×(39×0.067+0.135)×0.115]=0.954
=0.97×(1.509+0.276)×0.115=0.199
=2×[(1.509+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.080]=0.714
=2×[(1.509+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.080]=0.714
=1.071×(1.509+0.276)×0.08=0.153
=2×[(1.059+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.115]=1.026
=2×[(1.059+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.115]=1.026
=2.360×1.490×0.115=0.404
所以根据公式可知
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)
又因为
所以根据公式可得
Q蓄1=(
+
+
)ρ黏c黏(t黏–t0)
+(
+
+
)ρ纤c纤(t纤–t0)
+(
+
+
)ρ硅c硅(t硅–t0)
所以
8.2炉底蓄热的计算
=[(0.115×0.065+0.113×0.067)×6+0.042×2×0.113]×1.430
=0.143m3
=1.601×1.079×0.05=0.086m3
=1.601×1.079×0.182=0.314m3
已知
所以根据公式可得
=0.143×1.065×103×1.08×(867.1–20.0)+0.086×0.25×103×1.00×(674.8–20.0)+0.314×0.550×103×0.920×(309.4-20.0)
经计算整理可知
=199389.05kJ
8.3炉底板蓄热的计算
查表得950℃和20℃时低合金钢的比热容分别为
对于一般周期作业炉,其空炉升温时间在3~8小时均可,故本炉子设计符合要求。
因计算蓄热时是按稳定计算的,误差大,时间偏长,实际空炉升温时间应该在4小时以内。
9电热元件功率的分配与接线
65kW的功率平均分配在炉膛两侧和炉底,组成三相接法接线。
供电电压为标准车间动力电网380V。
对于炉膛布置电热元件内壁表面负荷,对于周期式作业炉,内壁表面负荷应在15~35kW/m2之间,常用为20~25kW/m2之间。
有
10电热元件材料的选择及规格的计算
由于炉膛最高使用温度为950℃,则选用0Cr25Al5合金作电热元件,接线方式采用380V三相接法。
10.1950℃时电热元件的电阻率计算
当炉温为950℃时,电热元件温度取1100℃,查附表1可知在20℃时电热元件
的电阻率
10.2确定电热元件的表面功率
查附表可知,在950℃时
10.3每组电热元件功率
由于采用三相接线法,所以每组电热元件功率
10.4每组电热元件的端电压
已知车间动力网标准端电压为380V,由于采用三相接线法,故每组电热元件
端电压为单相电压
10.5电热元件直径的选择
根据公式
为了保证工件能顺利加热的指定温度,取d=5.0mm。
10.6每组电热元件长度和重量
每组电热元件的长度可根据公式
每组电热元件的重量可根据公式
查手册可知
所以
10.7电热元件的总长度和总质量
总长度为
总质量为
10.8校核电热元件的表面负荷
根据公式可知
10.9电热元件在炉膛内的布置
根据设计要求,为了使加热更加均匀,将三组电热元件分别分为6折,布置在
炉墙和炉底上
则有
布置电热元件的炉壁长度
丝状电热元件绕成螺旋状,当元件温度高于1000℃时,查《热处理设备》可知
螺旋直径D=(4~6)d
取D=5d=25mm
螺旋圈数N和螺距h分别为
按《热处理设备》表3—17中要求h/D在2~4范围,则上述3.5刚好符合要求,
设计合理。
根据上述计算,采用三相方式接线法,采用直径为5mm的电热元件重量较小,
成本也较低。
电热元件节距h在安装时适当调整,炉口和炉底部分增大功率,以保证工件的
受热均匀。
11炉子主要技术指标
额定功率:
65kW额定电压:
380V
最高使用温度:
950℃生产率:
90.00kg/h
相数:
3接线方法:
Y
工作室有效尺寸:
2600×1200×1200出厂日期:
2012.07.13
12编制使用说明书(略)
13参考文献
[1]《热处理手册》第三分册,机械工业出版社,1989
[2]吉泽升,《热处理炉》,哈尔滨工程大学出版社,1999
[3]刘孝曾,《热处理炉及车间设备》,机械工业出版社,2001
[4]《热处理设备及设计》,山东人民出版社,1979
14致谢
在这次课程设计的过程中,我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次设计的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把系统做得更加完善。
在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。
其次,我要感谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢在设计中曾经帮助过我的张老师和华老师以及所有同学们。
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