电阻炉设计

题目热处理炉设计学院
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一、设计任务
1、中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理；
2、最大生产率150Kg/h；
3、工作温度：最高使用温度≤1200℃；
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
因为工件材料为中碳钢、低合金钢，热处理工艺为淬火、正火及调质处理，且最高温度为1200℃，选择高温炉即可。

同时工件没有特殊规定并且需要小批量生产，则选择周期式箱式炉。

综上所述，选择周期式高温箱式电阻炉。

三、炉膛尺寸的确定
1.炉底面积确定
因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用炉底强度指标法计算。

查上表得，P0 =120Kg/（m2·h）
F有效 = P/P0 = 150/120 = 1.25（m2）
由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75～0.85，取系数上限，得炉底实际面积：
F=F有效=1.25/0.85=1.471m2
2.炉膛底部的长度和宽度的确定
L和B的比例为2~1.5（小炉子取上限），取L/B=2，因此F=L*B=0.5L2。

可得，
L=2*F=1.72m
B=L/2=0.86m
为方便砌砖L=1856mm，B=920mm
附表如下:
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=0.8左右，选定炉膛高度H=0.7m。

因此，确定炉膛尺寸如下
长 L=(230+2)*8=1856mm
宽 B=(113+2)*8=920mm
高 H=(65+2)*11+37=774mm
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=1600mm
B效=700mm
H效=700mm
四、炉体材料选择与结构设计
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，应采用4层结构即耐火层为113mmLZ—48高铝砖+中间层为230mmQN
—1.0轻质粘土砖+保温层为300mm硅藻土粉+10mm石棉板。

炉顶采用113mmLZ—48高铝砖+（65*3）mmQN—1.0轻质粘土砖+230mm硅藻土粉。

炉门用113mmQN—1.0轻质粘土砖做耐火层+200mm硅藻土砖为保温层。

炉底采用四层，即2层65mmLZ—48高铝砖+2层65mmQN—1.0轻质粘土砖+113mmB级硅藻土砖和200mm膨胀珍珠岩复合炉衬。

炉底隔砖采用重质高铝砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。

炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。

砌体结构如图所示：
五、砌体平均表面积计算
砌体外廓尺寸上图所示。

L外=L+2*(115+232+300+10)=1856+1314=3170mm
B外=B+2*(115+232+300+10)=920+1314=2234mm H外=H+f+(115+67*3+230)+67*4+113+200==2024mm
式中：f—拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R(1-cos30°)=123mm求得。

1.炉顶平均面积
F顶内=（2πR/6）*L=1.79m2
F顶外=B外*L外=6.97m2
F顶均= 顶外
F=3.53m2
顶内F
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=2L*H+2B*H=4.30m2
F墙外=2H外（L外+B外）=21.713m2
F墙均= 墙外
墙内F
F=9.66m2
3.炉底平均面积
F底内=B*L=1.71m2
F底外=B外*L外=6.97m2
F底均=底外
底内F
F=3.45m2
六、计算炉子功率
1 ．根据热平衡计算炉子功率
(1)加热工件在1200℃及20℃时比热容分别为C件2=0.678KJ/(kg·℃)，C件1=0.486KJ／(kg·℃)，根据
Q件=p(C件2t1-C件l t0)=120*(0.678*1200-0.486*20)=96466KJ/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，将炉门包括在前墙内。

根据
Q散=
∑
=+
-n
i
iFi Si tn
t
11
1
λ
对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，设t2'=1180℃，t3'=950℃，t4'=90℃，t5’=60℃
则有：
耐S1的平均温度ts1均=（1200+1800）/2=1190℃
轻质粘土砖层S2的平均温度 ts2均=（1180+950）/2=1065℃硅藻土粉S3的平均温度 ts3均=（950+90）/2=520℃
石棉板S4的平均温度 ts5均=（90+60）/2=75℃
则S1、S2、S3、S4层炉衬的热导率：
λ1=2.09+1.86*10-3*ts1均=2.09+1.86*10-3*1190=4.303W/(m℃)
λ
2=0.29+0.256*10-3*ts2=0.29+0.256*10-3*1065=0.563W/(m℃)
λ3=0.07+0.2*10-3*ts3均=0.07+0.2*10-3*520=0.174W/(m℃) λ4=0.163+0.174*10-3*ts4均=0.163+0.174*10-3*75=0.176W/(m℃)
（3）计算炉墙散热损失
Q墙散=q墙·F墙均=512.6*9.66=4952W
同理可以求得
Q顶散=q墙·F顶均=512.6*3.53=1809W
Q底散=q墙·F底均=512.6*3.45=1768W
整个炉体散热损失
Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散=4952+1809+1768=8529W
又因为1W=3.6KJ/h，
所以Q 散=8529*3.6=30704KJ/h
（4）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，则
Q 辐射=])100
()100[(675.5*6.344Ta Tg t A -φδ 因为Tg=1200+273=1473K ，Ta=20+273=293K ，
由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故
炉门开启面积A=B*H/2=0.920*0.774/2=0.3560m 2 炉门开启率δt=6/60=0.1
所以可得，
Q 辐射=])100
()100[(
675.5*6.344Ta Tg t A -φδ=19828KJ/h (5)开启炉门溢气热损失
根据Q 溢 =q V αραC α(t g ’—t α)δt ，其中q V α=442.3m 3/h 空气密度ρa =1.29kg/m 3，则C a =1.434KJ/（m 3·℃）
t a =20℃ ，t g ’为溢气温度，
t g ’=20+2/3（1200-20）=807℃
所以
Q 溢 =q V αραC α(t g ’—t α)δt
=442.3*1.29*1.434*（807-20）*0.1 =64392KJ
（6）其他热量损失
其他热量损失约为上述热损失之和的10％～20％故
Q 它 = 0.12*（Q 件+Q 散+Q 辐+Q 溢）
= 0.12*(96466+30704+19828+64392)
= 25369KJ
（7）热量总输出
其中Q 辅=0，Q 控=0，所以
Q 总=Q 件+Q 辅+Q 控+Q 散+Q 损+Q 溢+Q 它=236759KJ/h
（8）炉子的安装功率
P 安=
3600总KQ 其中K 为功率储备系数，则
P 安=（1.4*236759）/3600=92.07kW
在安全范围内，为了减少损耗，取炉子功率为90kW 。

七、炉子热效率计算
1．正常工作时的效率
η=总件
Q Q =96466/236759*100％=40.7％
2．在保温阶段，关闭炉门时的效率
η=Q 件/[Q 总-（Q 辐+Q 溢）]
=96466/[236759-(19828+64392)]*100％ =63%
八、炉子空载功率计算
P 空=3600它
散Q Q =（30704+25369）/3600=15.6kW
九、功率的分配与接线
90kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y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。

F电=2F电侧+F电底=2*1.856*0.774+0.920*1.856=3.66m2
W=P安/F电=90/3.66=24.60kW/m2
十、电热元件材料选择及计算
由最高使用温度1200℃，选用线状0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用Y。

理论计算法
(1)求1200℃时电热元件的电阻率ρ
当炉温为1200℃时，电热元件温度取1300℃，在20℃时电阻率ρ20=1.40Ω·mm2/m，电阻温度系数α=4*10-5℃-1，则1300℃下的电热元件电阻率为
ρt=ρ20(1+αt)=1.40*(1+4*10-5*1300)=1.473Ω·mm2/m (2)确定电热元件表面功率
根据本炉子电热元件工作条件取W允=0.7W/cm2
(3)每组电热元件功率
由于采用Y接法，即三相星形接法，每组元件功率
P组=90/n=90/3=30kW
(4)每组电热元件端电压
由于采用Y 接法，车间动力电网端电压为380V ，故每组电热元
件端为每相电压U 组=380/3=220V 则，
电压即为每相电压U 组=380/3=220V
(5)电热元件直径
线状电热元件直径 322)/(3.34允组组W U P d t ⋅=ρ=14.66mm 取d=15mm
(6)每组电热元件长度和重量
每组电热元件长度 t P d U L ρ组组组223
10785.0-⨯==193.6m 取194m 每组电热元件重量 M L d G ρπ组组24==40.6k 式中，ρm=7.1g/cm 2
(7)电热元件的总长度和总重量
电热元件总长度
L 总=3L 组=3*194=582m
电热元件总重量
G 总=3G 组=3*40.6=121.8kg
(8)校核电热元件表面负荷
W 实=P 组/πdL 组=0.33〈0.7W/cm 2
W 实<W 允，结果满足设计要求
(9)电热元件在炉膛内的布置
按规定，h/d在2～4范围内满足设计要求，取
h=3d=3*15=45mm
布置电热元件的炉壁长度
L′=L-50=1856-50=1806mm
螺旋体圈数
N =L′/h=1806/45=40圈
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1200，螺旋节径D=(6—8)d，取D=7d=7*15=105mm
L折=NπD=40*3.14*105*10-3=13.2m
L组/L折=194/13.2=15
根据计算，选用Y方式接线，采用d=15mm所用电热元件重量最小，成本最低。

电热元件引出棒材料选用1Crl8Ni9Ti，Φ=28mm，L=500mm。