毕业设计普通电阻加热炉.docx

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毕业设计普通电阻加热炉

题目普通电阻加热炉

学院

专业无机非金属材料

班级

姓名孙剑峰学号

2010年7月2日

第一章绪论

1.1、普通加热电阻炉的简介：

（本上）

1.2、普通加热电阻炉的分类：

 我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：

采暖锅炉是将煤转化为热能。

而工业炉是利用其它能源对工件或物料进行加热，以达到对工件或物料进行处理的目的。

例如：

为改善机械零件性能的热处理炉，需要对特殊零件进行焊接的钎焊炉，对粉末冶金类零件进行烧结的烧结炉等等…..相关这些炉子一般称为工业炉。

    根据工业炉所用能源供给形式通常分为两类：

一是燃料加热炉，二是电阻加热炉。

获得高温的设备一般称高温炉，现在使用高温炉的能源大部分是电能。

由于当前全球环境不断恶化的要求，各国限制CO2的排放几乎成为共识，因此对于使用燃气的工业炉而言，其发展前景暗淡，所以一般高温炉在某种实际意义上就是指电阻加热炉。

    根据加热方式的不同，电炉又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等等。

其中用得比较多的是电阻炉。

在电阻炉中又分为管式炉、坩埚炉、马弗炉等等。

    电阻炉按传热方式又分为辐射式、对流式及传导式。

辐射式电阻炉是以辐射传热为主，对流较少。

对流式电阻炉是以对流传热为主，辐射为辅，这些炉型一般称作空气循环炉，此类炉型常用于650℃以下的低温。

当工件加热时加热介质不是空气而为其它介质时，如：

加热介质是融化的盐、碱或流动粒子时，此种状态是以传导和对流两种方式对工件加热。

此类炉型是我们常见的盐浴炉、碱浴炉。

    依据热工制度工业炉又分周期炉和连续炉。

周期炉一般是按单班、两班生产。

连续炉一般是按三班连续生产。

   依据炉内气氛，又细分出了氧化性气氛状态下的电阻炉、真空状态下的真空电阻炉、气氛状态下的可控气氛电阻炉、流动粒子炉等等。

依据装料形式，电阻炉又分为卧式电阻炉、立式电阻炉等炉型。

1.3一般电阻炉的结构

  工业电阻炉一般由炉衬部分即隔热+耐火层、炉架、加热元件、测温及控温系统、供电系统、机械传达系统、导流系统等部分组成，无论那种形式，它们结构基本一致。

如图1-1所示。

图1-1一般工业电阻炉炉体结构

如上图所示，图中加热元件是用来将电能转换成热能的主要部件，耐火及绝热材料起隔热保温作用。

为了使炉膛达到所期望的温度并在有效工作区域有合适的温度均匀性，例如：

期望炉内温度到达1200℃，温度均匀性要求控制在±5℃以内，此时炉子设计时除了要考虑布置合理的加热元件以外，还需要增设循环对流导流系统，以便达到最佳的效果温度场。

此外，炉体还包括炉架、炉壳、料车、接线柱等。

炉壳内包容了耐火及绝缘隔热材料，炉胆支撑炉体。

一般工业炉大多含机械传动系统，如炉门升降机构，物料传送机构等等。

接线柱用于将电源和电热元件连接。

测温及控温系统是炉子温度精度保证的核心内容，一般由二次仪表保证。

1.4电阻炉主要部件

电阻炉：

三大部件：

加热器、炉衬、耐热构件

电热炉可使用金属发热体或非金属发热体来产生热源，其构造简单，用途十分广泛是它的主要特色，可广泛应用於退火、正常化、淬火、回火、渗碳及渗碳氮化等。

主要的金属发热体包括Ni-Cr电热线（最常见，最高用至1200℃）、Mo-Si合金及W、Mo等纯金属；非金属发热体包括SiC（最常见，最高可加热至1600℃）、LaCrO3及石墨棒（真空或保护气氛下可加热至2000℃）。

第二章普通电阻加热炉初步设计

2.1产品技术参数

设计原始数据

额定温度：

1100℃

最高使用温度：

1060℃

有效加热区尺寸：

1500mm×890×800

炉温均匀度：

≦±5℃

加热区数：

1区

炉温升温时间：

升至1100℃≦

炉壳表面温升：

≦40℃

2.2炉型选择

炉型的选择应根据不同的加热工艺要求要求及被加热物（工件）的类型来决定，对于所需加热的工件，不能批定型生产的。

工件大小不相等的，种类较多时，要求在加热工艺上具有多用性通用性的，可选用箱型电阻炉。

炉型选择原则一般要考虑如下方面：

（1）工艺技术要求

（2）被加热物的特点

（3）生产量的大小

（4）经济效益

（5）劳动条件

从以上五个方面综合考虑，，被加热物非特殊形状和特殊尺寸，箱式电阻炉的使用范围广，不同温度下可采用不同的电热元件，且制品的烧成范围也比较广，适用于的烧成范围也比较广，适用于大，中，小型的各类制品的生产加工，箱式电阻炉的炉膛是方形的，根据具体要求的尺寸不同可以定做不同的规格。

形状为放倒的箱型，中间的空心部分为炉膛本初步设计属电阻加热炉最高使用温度1060℃，可用于单个小批量的中小型制品的烧成。

且选用箱式电阻炉经济实惠，制造工艺较简单，能有较长的使用寿命，性价比较高。

考虑炉的成本，故选一般的箱式电阻炉。

2.3炉体结构设计

一·炉膛尺寸的确定:

对一般通用的电阻炉，炉膛尺寸的确定应从二个方面来考虑：

第一方面按加热能力及一次装载量来确定。

加热能力是指电炉的有效热能每小时能加热被加热工件的重量，在炉膛中同时放入数倍于加热能力的工件量，这个重量称为一次装载量。

第二个方面应考虑炉内底面积上的单位生产能力.按我国生产的电阻箱型电炉,每一平方米炉底面积上,加热能力为200-360公斤/平方米小时;这个数值可供用来确定炉膛内有关尺寸.一般来讲,平均实际生产力与加热能力之间有很大差别.在选用电炉时,工艺条件的变化是一个重要的依据.炉膛各部尺寸关系.对于一般箱型电炉,长与宽的比一般为2，但可以做成1.5的以便操作,高与宽之比一般为0.5-0.9，有时可以在0.7-1之间.

箱式炉炉膛尺寸包括炉膛有效尺寸、炉膛砌砖体内腔尺寸两个部分。

炉膛有效尺寸指加热物所占的有效空间，考虑各方面的因素，本着炉膛尺寸确定的原则，此次设计箱式电阻炉炉膛尺寸确定为1500mm×890×800。

两部分尺寸如图所示（图1）

（画在本上了）炉膛尺寸及砌体结构

确定炉膛尺寸时，要考虑上述两个方面的问题。

具体就是被加热物所占空间、有关技术要求、生产率。

还有考虑炉内温度均匀性、传热特性以及装出料和检修方便。

一般在保证有足够的生产率的前提下，应尽量减小炉膛尺寸。

1、确定炉底面积

采用实际排料法（炉子一次装炉量）

被加热空间与电热元件或炉膛前、后壁之间保持一定距离，一般为0.1-0.15m。

（取0.15）

L=L效+（0.1--0.15）（m）故：

L=1.5+0.15=1.65（m）

B=B效+（0.1--0.15）（m）

B=0.89+0.15=1.04（m）

2、确定炉膛高度

如前所述，炉膛高度与宽度之比一般为0.5-0.9范围内，本加热炉为普通高温加热炉，可取0.9。

所以：

H/B=0.9

H/1.04=0.9

H=0.936≈0.94（小数点后保留两位）

二、炉体结构设计

（写在本上了，因为老师大纲给了，直接抄下来）

2.4电阻炉功率计算

（1）电阻炉功率的确定

   电炉功率是从能量角度上衡量电炉大小的一个指标。

如何将功率设计的恰到好处是一个重要的事情。

设计太大将会造成不必要的浪费，设计太小将会使炉子达不到温度要求或者升温缓慢，达不到工艺要求。

   确定设备功率方法较多，无论选用那种，归纳起来只有两种：

热平衡计算法和经验计算法。

实际上，由于电炉散热条件的复杂性，环境温度的可变性，要想从理论上确定炉子的功率消耗和炉子在一定功率输入下所能达到的温度事实上是非常困难的一件事情，即便使用计算机的手段，精确计算事实上根本做不到。

   故一般都靠一些经验的、半经验的方法，再借助热平衡方程式，即辅助能量平衡的基本概念来确定。

经验法计算简单，但有一定局限性，不过在一般设计中也是比较使用的。

   本设计首先采用一个极为简单的功率确定的经验的方法

例如：

对于一个圆形炉膛【炉膛形状根据要求可制造成各型各异的，如方形、椭圆、异性等等】来说，首先要计算出炉胆部分内表面积。

假设：

炉子为中等保温程度，则可由表1-4的经验数据查出每100cm2加热内表面积所需的功率瓦数，然后乘以被加热炉膛内表面积，即可得到需要的功率。

表1-4：

不同温度下每100cm2炉管表面所需功率

温度℃

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

功率w

80

100

130

160

190

220

260

300

炉膛每平方米表面积功率指标

工作温度/℃

单位炉墙面积功率

/KW.M-2

工作温度/℃

单位炉墙面积功率

/KW.m-2

1200

15~20

700

6~18

1000

10~15

400

4~7

求在中等保温情况下炉子所需功率。

L=1.65，B=1.04，H=0.94

S=2BL+2HL+2BH

S=2BL+2HL+2BH

=2×1.04×1.65+2×0.94×1.65+2×1.04×0.94

=3.432+3.102+1.9552

=8.4892≈8.49（㎡）

由表1-4查出1060℃时，每100cm2炉膛表面积所需功率Ρ=22kw所以上述炉管的总功率：

P=s×22

=8.49×22

=186.78（kw）

确定炉子功率的经验方法各种各样，有的以公式形式出现，有的以图表形式出现，无论使用那种，选用的正确就行。

（2）面积负荷法

面积负荷法要点就是炉膛内表面每平方米上布置的功率大，炉温就高，布置功率越小，炉温就低。

电阻炉的实际功率p的计算公式为：

P=k1×F

式中：

p——电阻炉的实际功率，kw：

K1——单位面积炉膛所布置的电热功率，kw/㎡。

根据经验，k1数据由下表选取（表取自相关手册）

F-----电阻炉炉膛内表面积，㎡。

系数k1的经验值

系数k1的经验值

电阻炉的炉膛温度（℃）

单位面积炉膛所布置的电热功率k1（kw/㎡）

400

4-7

700

6-10

1000

10-15

1200

15-20

（3）容积负荷法

容积负荷法的要点是根据人们对箱式电阻炉和井式电阻炉长期实践经验总结出的电阻炉总功率与电阻炉炉膛容积之间的关系。

该关系可以用下面的计算公式来表述：

P=k2×v

式中：

p——电阻炉的总功率，kw；

K2---随炉膛温度的不同而有所差异的一个系数，kw/㎡。

根据经验，k2数据由下表选取（表取至相关手册）

V------电阻炉炉膛的有效容积，㎡

系数k2的经验值

电阻炉的炉膛温度（℃）

400

700

1000

1200

系数k2

箱式电阻炉

50

75

100

150

井式电阻炉

35

50

75

100

我們所研究的是箱式电阻炉，最高使用温度是1060℃，所以数据k2取100

将相关数据代入上式，可得总功率：

P=k2×v

P=100×v=100×1.068=106.8（kw）

以上几种方式计算所获得的数据比较，取较大的值为所设计电阻炉最终功率值。

2，电阻功率的分配

为保证炉内温度均匀，炉门口端约1/4-1/3的部位应适当加大功率。

一般单位炉壁上功率负荷控制在15-35kw/㎡。

3，电阻炉电压的选择

电阻炉采用车间电网电压，即380v供电。

4，电阻炉接线形式的选择

电阻炉接线形式选择的一般原则：

（1）尽量保持三相平衡

电炉功率25-75kw，采用星型接法，功率大于75kw，分两组或多组的星型和三角形接法。

（2）每组元件的功率要适中

通常每组的功率为30-75kw。

（3）保护电热元件

非金属电热元件中的碳化硅棒在使用过程中会逐渐老化，电阻增大。

若把老化的碳化硅棒与电阻较小的碳化硅棒串联起来使用，则在电阻较大的碳化硅棒上产生较大的功率，愈趋老化。

若并联使用，小电阻的碳化硅棒上功率较大，会使并联的原件寿命趋于一致。

（4）使用中改变接法

图3在任务指导书上

两组星型3图三角形

2.5电热元件的计算

根据炉膛所要达到的最高温度和炉子的工作气氛决定电热体的种类。

电热元件的最高使用温度是指电热体在干燥空气中表面最高温度，并非指炉膛温度。

由于散热条件不同，一般要求炉膛最高温度比电热体最高使用温度低100℃-200℃左右最好。

另外，还必须明确的一个重要指标是电热体表面负荷。

表面负荷是指电热元件在单位表面积所承担的炉子的功率数。

电热元件一般分为金属和非金属两大类。

在金属电热元件中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电热体等等，非金属的有石墨电热体、碳化硅电热体等。

（1）铁铬铝合金电热元件

   目前国产的、常见的有三种牌号：

Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能见表1-1，随着技术进步，含Mo等其它铁铬铝合金电热元件牌号越来越多，它们适用于1000-1300℃的温度范围内工作，甚至更高，有些新材料可达1400℃以上。

它们抗氧化性好、易加工、电阻大，电阻温度系数小，价格低廉。

在高温下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空气对合金的进一步氧化，但不宜在还原气氛中使用，另外还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触，以免破坏保护膜。

这种电热体的主要缺点是高温强度低，经常时间在高温工作后，加热元件由于晶粒长大而变脆。

（2）镍铬合金电热体

    这类合金电热体适用于1000℃以下的温度，其型号为Cr20Ni80、Cr15Ni60等，其性能见表1-1。

此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。

Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。

表1-1：

Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能

合金种类

成份wt％Cr

成份wt％Al

成份wt％Ni

成份wt％Fe

比重

20℃电阻系数Ω/m

熔点℃

电阻温度系数1/℃

导热系数KJ/m.h

热膨胀系数1/℃

最高使用温度℃

常温加工性能

Cr25Al5

23-27

4.5-6.5

余量

7.1

1.45

1500

（3-4）*10-5

60.25

15*10-6

1200

裂纹

Cr17Al5

16-19

4-6

余量

7.2

1.3

1500

6*10-5

60.25

15.6*10-6

1000

裂纹

Cr13Al4

13-15

3.5-5.5

余量

7.4

1.26

1450

15*10-5

60.25

16.5*10-6

850

裂纹

Cr20Ni80

20-23

75-78

余量

8.4

1.11

1400

8.5*10-5

60.25

14*10-6

1100

良好

Cr15Ni60

15-18

55-61

余量

8.15

1.1

1390

14*10-5

45.19

13*10-6

1000

良好

非金属电热元件有碳化硅（硅碳棒）电热元件、二硅化钼（硅钼棒）电热元件和石墨（碳系电热元件）。

（3）硅碳棒电热体

硅碳棒是最为常用的一种非金属电热体，其主要成分是SiC94.4%，SiO23.6%，熔点2227℃，使用温度1400℃±50℃，具有良好的导热性、导电性和耐磨性，能承受较高的加热温度，在高温条件下与空气中的CO2和O2反应，生成玻璃态的SiO2膜，使电阻增大。

硅碳棒大多制成二头粗，中间细的圆柱状，也可以做成管型和螺旋形。

硅碳棒具有良好的导热性，导电性和耐磨性，在高温下其急冷急热性也好，具有足够的高温强度。

在氧化介质和1400℃温度下其连续使用寿命可达2000h以上。

间断使用寿命为1000h左右。

其比电阻较大，能够承受较高的加热温度可以有所提高————

（4）硅钼棒电热体———（老师发的指导书上）

（5）碳系电热体----------------（老师发的指导书上）

2.6耐火材料与保温材料的选择

为了获得稳定的高温必须具备两个条件，一是要有电热体即热源，二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。

   耐火材料：

在高温电阻炉中，发热元件本身温度较高，一般可达1400℃以上，炉膛结构需要布置合适的耐火材料。

胜任耐火材料必须具备以下条件：

高的耐火度、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。

   表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。

主要有高铝砖、刚玉管、1600℃硅酸铝纤维板等等。

表1-2：

常用耐火材料

材料名称

耐火度℃

荷重软化点（2Kg/cm2）℃

使用温度℃

体积密度（g/cm3）

主要用途

石墨制品

〉3000

2000

1.6

高温电阻炉耐温部件

硅砖

1690-1710

1620-1650

1000-1630

1-9

电阻炉炉膛内层

耐火黏土砖

1610-1730

1250-1400

《1400

1.8-2.2

电阻炉炉底用砖

高铝砖

1750-1790

1400-1550

1650-1670

2-3.2

电阻炉炉膛内层

刚玉制品

2000

1240-1850

1600-1670

2.96-3.10

高温电阻炉耐火部件

镁砖

2000

1470-1520

1650-1670

2.5-2.9

电阻炉炉膛内层

轻质粘土砖

1670-1710

1200

1200-1400

0.4-1.3

电阻炉炉膛内层

硅酸铝纤维

〉1600

1650

1600-1650

0.35

电阻炉炉膛内层

硅藻土砖

1280

900-950

0.45-0.65

保温材料：

为了减少热损失和增加炉温的稳定性，常常在炉壳内填入保温材料，他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。

按温度使用可分为：

A高温保温材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大类，有关材料见表1-3。

    高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400℃），轻质硅砖不大于（1500℃），轻质高铝转不大于（1350℃），硅酸铝纤维板（1200-1400℃）等等。

中温的保温材料常用的有：

轻质珍珠岩和蛭石。

   低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。

   现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600℃

   当然，硅酸铝纤维毡也以较佳保温性能被大量使用。

因此目前可供我们选择的新型保温材料大量出现，使我们开拓了设计视野，摒弃过去使用耐火砖和珍珠岩的概念，尽可能的选择最新材料，隔热保温性能会大大提高，这样我们工业炉制造除了将会变得越来越轻外，而且越来越节约能源。

表1-3常用保温材料性能

材料名称

容量（Kg/m3）

最高使用温度℃

主要用途

硅藻土砖、管、板

500±50

900

电阻炉保护层

膨胀蛭石

100-300

《1000

电阻炉保温层填料

石棉板

1150

《600

电阻炉炉底、炉壳、顶等，密封材料

矿渣棉

150-180

400-500

电阻炉保温层填料

硅酸铝纤维

259

1000

电阻炉保温层填料

矿渣棉砖、管、板

350-450

400-500

电阻炉保温层材料

磷酸盐珍珠岩制品

《220

≥1000

电阻炉保温层材料

玻璃纤维

300

750

低温电阻炉保温层填料

选取的耐火材料和保温材料分别是：

硅砖和磷酸盐珍珠岩制品

一耐火材料的主要性能

耐火材料的好坏，应从它的耐火度，荷重软化点，热稳定性和抗化学腐蚀性，高温体积稳定等几方面来决定。

耐火材料的性能好坏的决定因素主要是学成分，其次是生产时的工艺过程。

在生产耐火砖时，作为骨架的瘠性物料颗粒配比。

成型压力和烧成好坏三个因素占重要地位。

要求有高的熔点的化学成分，瘠性材料颗粒配比要求大中小颗粒配合成最紧密的堆积，成型压力高，烧成时希望烧熟而不过烧。

二几种常见的耐火材料

1.粘土质耐火砖

含三氧化二铝30～46％，二氧化硅50～56％，碱金属与碱土金属氧化物5～7％.它是采用含三氧化二铝不小于30％的耐火粘土作原料。

一部分预先烧成熟料，研碎作瘠性材料，其余一部分不预先烧的软质粘土作粘结剂，便于成型，成型后在1300～1400℃％烧成。

粘土砖属于弱酸性耐火材料，热稳定性较好，荷重软化开始温度在1250～1300℃以上，软化开始和终了温度间隔很大。

粘土砖在工业上使用甚广，广泛应用砌筑隔瓷工业窑炉，使用温度1300℃以下

2.半硅砖：

含三氧化二铝小于30%，二氧化硅大于65%，是采用天然的含石英杂质的粘土或高岭土，如沙质石英岩，酸性粘土，泡沙石等作为原谅。

也可用石英或沙粒作瘠性材料掺在耐火粘土中来制造半硅砖。

半硅砖属半酸性耐火材料，其荷重软化开始温度比粘土砖稍高，急冷急热性比硅砖好，但比粘土砖稍差。

a）高铝砖：

含三氧化二铝46%以上，以天然高岭石和含水铝氧石为主要矿物组成的高铝矾土为原料，在1450～1500℃左右烧成。

高铝砖的耐火度及荷重软化点比粘土砖的高，开始软化温度在1420～1500℃以上，抗化学腐蚀性好，但其热稳定性较低，使用温度根据含三氧化二铝的多少在1400～1600℃.

b）硅砖：

含二氧化硅93%以上，一石英岩为原料，加入铁磷，石灰乳作矿化剂，以亚硫酸纸浆废液等作粘结剂，在1350～1430℃烧成。

属酸性耐火材料，荷重软化开始温度高，一般在1620℃以上。

热稳定性差，不适宜砌筑间歇性的窑炉。

c）镁砖：

含氧化镁80～85%，是碱性耐火材料，镁砖分烧结镁砖和不烧结镁砖，烧结镁砖是用煅烧良好，组织均匀的烧结镁石作原料，用亚硫酸纸浆废液作粘合剂，加压成型，在1600～1700℃烧成。

镁砖耐火度甚高，一般超过2000℃，荷重软化点低，1500℃就开始软化，热稳定性不好。

不烧镁砖是烧结镁砂加卤水捣打而成。

d）镁硅砖：

是以方镁石为主要矿物组成，以镁橄榄石作为基质结合的一种镁质耐火材料，用高镁硅石或在橄榄石原料中加入烧结镁砂制成，制造工艺和理化性能与镁砖相同，其烧成温度1620～1650℃，荷重软化开始温度约为1550℃以上。

e）镁砖铝：

含氧化镁80%以上，三氧化二铝5～10%用含钙少的镁砂加入约8%的工业三氧化二铝粉，以亚硫酸纸浆废液等作粘结剂，高压成型后，在1580℃烧成，其耐火度高达2130℃，荷重软化点和稳定性都比镁化砖好，各种镁砖使用温度在1700～1900℃.

f）刚玉砖：

以电容刚玉砖或工业氧化铝为原料，加入1%以下的氧化钛，在1600～1800℃左右烧结而成，含三氧化二铝99%以上，体积密度高达3.8克每立方厘米，使用温度在1800℃以下。

g）碳化硅耐火制品

用粘土做粘合剂的碳化硅制品，其组成变化很大，根据使用要求，粘土结合剂用量在5～20%，可以外加高铝矾土，工业氧化铝，或熔融石英，与碳化硅一起配料烧结而成，制品中含碳氧化硅35～87%，二氧化硅10～50%，三氧化二铝3～30%，其荷重软化温