电阻炉设计与计算例题.docx

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电阻炉设计与计算例题

电阻炉设计计算举例

一设计任务

为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件如下：

（1）用途：

中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；

（2）生产率：

160kg/h；

（3）工作温度：

最高使用温度≤950℃；

（4）生产特点：

周期式成批装料，长时间连续生产。

二炉型的选择

根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。

三确定炉体结构和尺寸

1.炉底面积的确定

因无定型产品，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。

一直生率P为160kg/h，按表1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为120kg/（m2.h。

表1

故可求得炉底有效面积

由于有效面积与炉底总面积存在关系式

取系数上限，得炉底实际面积

2.炉底长度和宽度的确定

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，因此，可求得

B=L/2=1.772/2=0.886m

根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741m，B=0.869m，如图5-8所示。

3.炉膛高度的确定

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，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.640m。

因此，确定炉膛尺寸如下

长L=（230+2）×7+（230×1/2+2）=1741mm

宽B=（120+2）×4+（65+2）+（40+2）×2+）（113+2）×2=869mm

高H=（65+2）×9+37=640mm

为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为

L效=1500mm

B效=700mm

H效=500mm

.4.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密度为250kg/m3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及硅藻土砖。

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。

四砌体平均表面积计算

砌体外廓尺寸如图5-8所示。

L外=L+2×（115+50+115）=2300mm

B外=B+2×（115+50+115）=1430mm

H外=H+f+（115+80+115）+67×4+50+182=640+116+310+268+50+182=1566mm

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。

1.炉顶平均面积

2.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=2×0.640×（1.741+0.869）=3.341m2

F墙外=2H外（L外+B外=2×1.566×（2.300+1.430）=11.68m2

3.炉底平均面积

F底内=B×L=0.869×1.741=1.51m2

F底外=B外×L外=1.430×2.300=3.36m2

五、计算炉子功率

1.根据经验公式法计算炉子功率

由式

取式中系数

，空炉升温时间假定为τ升=4h，炉温t=950℃，炉膛内壁面积

F壁=2×（1.741×0.640）+2×（0.869×0.64）+1.741×0.869+2×3.14×0.869×

×1.741=6.44m2

所以

由经验公式法计算得P安≈75（KW）

2.根据热平衡计算炉子功率

（1）加热工件所需的热量Q件

由附表6得，工件在950℃及20℃时比热容分别为C件2=0.636kj/（kg.℃），c件1=0.486kj/（kg.℃），根据式（5-1）

（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，将炉门包括在前墙内。

根据式（1-15）

对于炉墙散热，如果5-9所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t′2墙=780℃，t′3墙=485℃，t′4墙=60℃则

耐火层s1的平均温度

，

硅酸铝纤维层s2的平均温度

，

硅藻土砖层s3的平均温度

，

s1、s3层炉衬的热导率由附表3得

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视认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均=632.5℃，得

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2经近似计算得

①求热流

②验算交界面上的温度t2墙、t3墙

＜5%，满足设计要求，不需要算。

＜5%，也满足设计要求，不需要算。

③验算炉壳温度t4墙

满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。

④计算炉墙散热损失

Q墙散=q墙·F墙均=730.4×6.25=4562.5W

同理可以求得

t2顶=844.3℃，t3顶=562.6℃，t4顶=53℃，q顶=485.4W/m2

t2底=782.2℃，t3底=568.5℃,t4底=53.7℃，q底=752.2W/m2

炉顶通过炉衬散热

Q顶散=q顶·F顶均=485.4×2.29=1111.6W

炉底通过炉衬散热

Q底散=q底·F底均=572.2×2.23=1276W

整个炉体散热损失

Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散

=4562.5+1111.6+1276

=6950.1W

=25020.4kJ/h

⑶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，根据式（5-6）

因为Tg=950+273=1223K，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×H2=0.869×0.6402=0.278m2

炉门开启率δt=660=0.1

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H2与B之比为0.32/0.869=0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比

为0.320.28=1.14，由图1-14第1条线差得Φ=0.7，故

Q辐=5.675×3.6FδtΦ

=5.675×3.6×0.278×0.1×0.7×

=8877.75kJ/h

⑷开启炉门溢气热损失

溢气热损失由式（5-7）得

Q溢=qvaρaca（

δt

其中，qva由式子（5-8）得

qva=1997B·H2·

=1997×0.869×0.32×

=314.1m3/h

冷空气密度ρa=1.29kg/m3，由附表10得ca=1.342kJ/（m3·℃，

=20℃，

为溢气温度，近似认为

=

+

（

=20+

（950-20=640℃

Q溢=qvaρaca（

δt

⑸其他热损失

其他热损失约为上述热损失之和的10%~20%，故

Q它=0.13（Q件+Q散+Q辐+Q溢

=0.13×（95117+25020.4+8877.75+33713

=23346.1kJ/h

⑹热量总支出

其中Q辅=0，Q控=0，由式（5-10得

Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它

=95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1

=202931.2kJ/h

⑺炉子安装功率

由式（5-11）

其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则

P安=

=78.9kW

与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。

六．炉子热功率计算

1.正常工作时的功率

由式（5-12

η=

=

=47.2%

2.在保温阶段，关闭炉门时的效率

七．炉子空载功率计算

八．空炉升温时间计算

由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层储热较少，为简化计算，将炉子侧墙、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温升温，也要计算在内。

1.炉墙及炉顶蓄热

由式（5-9

因为

查附表3得

查附表3得

查附表3得

所以得

2.炉底蓄热计算

由于

查附表3得

查附表3得

所以得

3.炉底板蓄热

根据附表6差得950℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板2=0.670kj/（kg.℃）

和c板1=0.473kj/（kg.℃）。

经计算炉底板质量G=242kg，所以有

由式（5-13）得空炉升温时间

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，实际空炉升温时间在4小时内。

九、功率的分配与接线

75KW国内铝均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、△或　YY、△△接线。

供电电压为车间动力电网380V。

核算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。

F电=2F电侧+F电底=2×1.741×0.64+1.741×0.869=3.74m2

表面负荷在常用的范围20~25KW/m2之内，故符合设计要求。

十、电热元件材料选择及计算

由最高使用温度950℃，选用线性0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用YY。

1.图表法

由附表15查得0Cr25Al5电热元件75KW箱式炉YY接线，直径d=5mm时，其表面负荷为1.58W/cm2。

每组元件长度L组=50.5m，总长度L总=303.0m，元件总质量G总=42.3kg。

2.理论计算法

（1）求950℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12差得0Cr25Al5在20℃时电阻率

ρ20=1.40Ω.mm2/m，电阻温度系数α=4×10-5℃-1，则1110℃下的电热元件电阻率为

（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，即三项双星形接法，每组元件功率

（4）每组电热元件端电压

由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压

（5）电热元件直径

线状电热元件直径由式（5-24）得

取d=5mm

（6）每组电热元件长度和重量

每组电热元件长度由式（5-25）得

每组电热元件质量由式（5-26）得

式中，

由附表12查得

=7.1g/cm3

所以得

（7）电热元件的总长度和总质量

电热元件总长度由式（5-27）得

L总=6L组=6×52.07=312.44m

电热元件总质量由式（5-28）得

G总=6G组=6×7.26=43.56kg

（8）校核电热元件表面负荷

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4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有

有效期

布置电热元件的炉壁长