课程设计指导书(金属材料工程方向)

课程设计指导书

一、课程设计的性质、目的

热处理设备是保证热处理工艺顺利进行、所需组织与性能得以实现的重要

环节。热处理炉课程设计是为材料科学与工程专业开设的一门专业课程设计。本实践环节主要任务是使学生熟悉普遍使用的箱式电阻加热炉的结构，掌握

热处理炉加热系统的设计计算，使学生具备基本的工程设计计算能力。是材

料科学与工程专业本科生培养的一个重要环节。培养综合运用机械制图、机

械设计基础、精度设计、金属工艺学、材料热处理及设备等相关知识，进行

工程设计的能力。培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。

二、设计内容与基本要求

设计内容：本课程要求学生独立完成箱式电阻加热炉的筑炉材料选择、结构

计算、加热系统计算等环节，撰写设计说明书，并画出炉体结构图。

基本要求：

1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成炉体结构图，能够清楚地表达炉体

结构组成。

2.根据设计任务书要求，合理的确定尺寸、材料、工件等参数。

3.正确的运用手册、标准，设计图样必须符合国家标准。说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整。

三、设计步骤

1.设计计算的主要项目：

a.确定炉底有效面积和实际面积以及炉膛尺才(长×宽×高)；

b.选择炉衬材料，计算妒壁厚度，确定炉体外形尺寸；

c.计算炉子功率，进行热平衡计算并用经验计算法考核；

d.计算炉子的主要技术经济指标(炉子热效率、空载功率及空炉升温时间)；

e.选择和计算电热元件。

2.结构设计

a.草图设计——估计炉体的尺寸，确定视图比例，确定剖视图及横截面图、炉底砌砖布置图的总体布局；画出炉子轮廓。

b.结构图设计—确定炉体砌砖的厚度及电热元件尺寸及布置情况，完成剖视图及截面图、炉底砌砖布置图的绘制。

c.加黑，注尺寸、公差配合，标注件号，填写明细表及技术要求。

3.编写设计计算说明书

四、基本参数确定

1.炉型选择

根据设计任务的具体要求和生产特点，进行综合技术经济分析。决定选用箱式电阻炉，不通保护气氛，炉子最高工作温度。

2.炉膛尺寸的确定

(1)计算炉子小时生产量p(kg/h)

炉子年工作时间基数=(365-52-7)× 8×(1-5%)=2326h

炉子小时生产量p ＝t/y ×103÷2326=72kg/h

注：每年法定休假日为7天，另有52个星期天。周期作业电阻炉检修率一般为4%~8%

(2)用炉底强度指标法决定炉底面积Ae

查表4-2取p 0

0p p A e =

炉底板宽度： e A B 21=效

炉底板长度: e A L 2=效

炉底板材料：Cr-Mn-N

(3)炉膛高度的确定:H 效=(0.5~0.9)B

(4)炉膛有效(即可装工件)尺寸

效效效H B ??L

(5)炉膛砌砖体内腔尺寸

砌

砌砌H 1.02B B 1

.0L ?+=+=L

3.炉子砌砖体设计

选择炉衬材料的分析讨论。

砌砖体结构设计和尺寸的确定。

耐火层选用体积密度为0.6g/cm 3的轻质耐火粘土砖，保温层为硅藻土骨架填充蛭石粉。

炉侧墙、前后墙、炉顶的耐火层厚为113mm ，保温层厚为232mm ，石棉扳厚为5mm 。炉顶选用60°标准拱顶。炉底耐火层厚122mm 、保温层硅藻土砖和蛭石粉厚180 mm 。炉顶拱脚砖选用重质耐火粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。

4.电阻炉功率的计算

用热平衡理论计算法，确定工件加热阶段每小时所需的热量。

(1) 加热工件所需的热量

()加件件τ1122t c t c P -=Q

(2) 辅Q

(3) 控Q

(4)通过炉衬的各项散热损失

2

22111011

3600∑∑+++-=αλδλδαt t Q g 散 （5）通过开启炉门的辐射散热损失

t 404g 6A .3100T 100T 675.5δΦ????

???????? ??-???? ???=辅Q （6）通过开启炉门的溢气热损失

t 0g 2t t C H 2200BH δ???

? ??+=溢Q （7）其它热损失

()散它Q 0.1~5.0=Q

（8）炉子每小时的总热量支出

其它溢辅散控辅件总Q Q Q Q Q Q Q ++++++=Q

（9）炉子所需功率

%1003600Q ?=总总P

设计的功率：

总设P K ?=P

(10)热效率

%100Q Q ?=总件

η

（11）炉子升温时间校核

设蓄升3600P Q =τ

Q 蓄计算

5.电热元件材料的选择

6.电热元件的设计计算

（1）电阻炉供电电压和接线

供电电压为380V ，单星形接线。

电热元件功率

220V

3380U 16kW 3483n P =====

设元p （2）电热元件的尺寸：电阻丝直径d 、长度l 和重量

3223.34允W U P d t

ρ?=

取d=6mm

式中()()2250t cm /6W .1W m

/mm 5.1110010414.1t 1=?Ω=??+=+=-允αρρ

nl

l P f

U l t =?=-总3210ρ

（3）电热元件的绕制和布置

电热元件制成螺旋状，布置安装在炉膛两侧墙和炉底上，每边为8排串接成一组。 每排电热元件的展开长度1l

每排电热元件的搁砖长度1L

电热元件的螺旋直径D 每排电热元件的螺旋圈数D l n π1=

电热元件螺旋节距n L h 1

=

按()d h 4~2=校验h ：

电热元件螺旋节距h 在安装时适当调整，路口部分减小节距，增大功率。 电热元件引出棒材料选择

7 8.炉子构架、炉门启闭机械和控温仪表。

8.炉子技术经济指标的核算。

9.编制电阻炉使用说明

五、绘制炉子总图、砌转体图、电热元件图

图幅A3

六、撰写设计说明书

要求：说明简洁，计算合理、准确，表达清晰，文字简练通顺。

内容：1.设计任务；2.主要规格参数；3.工作性能及范围；4.各有关参数的计算与确定；5.方案论证（功率验证）；6. 炉子总图、砌转体图、主要零部件图；7. 电阻炉使用说明。

七、工作进程安排

课程设计在两周内完成，具体的内容及时间安排如下：

设计基本步骤讲解 0.5天

炉型的设计或选择、炉膛尺寸的确定 1天

炉体结构设计1天

电阻炉的功率计算及功率分配2天

电热元件材料的选择、电热元件的设计计算 1天

炉用机械设备和电气、控温仪表的设计和选用1天

经济指标的核算1天

绘制炉子总图、砌砖体、零部件图2天

编制电阻炉的设计及使用说明书1天

八、课程设计选题

设计条件：

1.工件材料：碳钢及低合金钢；

2.工件尺寸：中小件，多品种，最长件0.6m，0.8m，1.0m;

3.最高工作温度：850℃，900℃，950℃；

4.炉外壁温度：温升50℃；

5.热处理工艺：淬火加热；

6.生产率：60kg/h ，70kg/h，75kg/h。

九、成绩评定方式

1．设计报告占60%：设计步骤的合理性，说明书的完整性

2. 绘制炉子总图、砌砖体、电热元件图占40%：图的比例、安排适当，公差、尺寸等标注正确，明细表、技术指标、图纸说明等正确。

3．成绩按五级评分制评定(优秀、良好、中等、及格和不及格)。

思考题

1.确定炉膛尺寸时应考虑哪些因素。

2.设计炉衬结构应注意哪几方面的问题。

3.试比较箱式电阻炉各项热支出项目所占的比倒，分析他们对节能的作用。

4.试比较各类电热材料的特点和应用范围。