箱式电阻炉课程设计

误差∆< 5%，同样满足设计要求，不需要重新估算。 ③验算炉壳温度t4 墙 t4 墙 = t 3 墙 − q 墙 s3 0.115 = 431.2 − 600.06 × = 68℃ < 70℃ λ3 0.190
满足一般热处理电阻炉表面升温< 50℃的要求。 计算炉墙散热损失 Q 墙散 = q 墙 × F墙均 = 600.06 × 6.347 = 3808.58 W II.炉顶的散热损失 和炉墙散热损失同理，首先假定界面上的温度及炉顶壳的温度，t ‘2 顶 = 840℃，
满足一般热处理电阻炉表面升温要求。 ④计算炉顶的散热损失 Q 顶散 = q 顶 ∙ F顶均 = 472.06 × 2.360 = 1114.06 W m2 III.炉底的散热损失
’ 假定各层界面的温度及炉底温度，t ’2 底 = 750 ℃，t ‘3 底 = 550 ℃，t4 = 53 ℃。则 底
耐火层s1 的平均温度t s1 均 =
一、设计任务书 题目：设计一台中温箱式热处理电阻炉； 炉子用途：中小型零件的热处理； 材料及热处理工艺：中碳钢毛坯或零件的淬火、正火及调制处理； 生产率：160 kg/h； 生产要求：无定型产品，小批量多品种，周期式成批装料，长时间连续生产； 要求：完整的设计计算书一份和炉子总图一张。 二、炉型的选择 根据生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，最高使用温度950℃，不通保护气氛。 三、确定炉体结构及尺寸 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。已知生产 率 p 为 160 kg/h，按照教材表 5-1 选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率 p0 为 120 kg/(m2﹒h)，故可求得炉底有效面积： P 160 F1 = = = 1.33 m2 P0 120 由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1 F = 0.75~0.85， 取系数上限， 得炉底实际面积： F= F1 1.33 = = 1.57 m2 0.85 0.85
五、计算炉子功率 1.根据经验公式法计算炉子功率 由教材式（5 − 14）
0.5 0.9 P安 = Cτ− F 升
t 1000
1.55
取 式 中 系 数 C = 30 kW ∙ h0.5 t = 950℃，炉膛面积
m1.8 ∙ ℃1.55 ， 空 炉 升 温 时 间 假 定 为 τ升 = 4h ， 炉 温
950+800 2
= 875 ℃，硅酸铝
800+450
= 625 ℃，硅藻土砖层
= 257.5 ℃，s1 ，s3 层炉衬的导
λ1 = 0.294 + 0.212 × 10−3 ts1 均 = 0.294 + 0.212 × 875 × 10−3 = 0.480 W （m ∙ ℃） λ3 = 0.131 + 0.23 × 10−3 ts3 均 = 0.131 + 0.23 × 257.5 × 10−3 = 0.190 W （m ∙ ℃）。 普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表 4 查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导 率与温度成直线关系，由t s2 均 = 625 ℃，得 λ2 = 0.128 W （m ∙ ℃） 当炉壳温度为65℃，室温为20℃是，由教材附表 2 可得炉墙外表面对车间的综合传热系 数α = 12.50 W (m2 ∙ ℃) ①求热流 q墙 = tg − ta s1 s2 s3 1 + + + λ1 λ2 λ3 α
1
+115 mm膨胀珍珠岩 。 炉底采用三层QN − 1.0轻质粘土砖 67 × 3 mm， +50 mm密度为250 kg m3 的普通硅酸铝 纤维毡，+182 mm B 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。 炉门用 65 mmQN − 1.0 轻质粘土砖， +80 mm 密度为 250 kg m3 的普通硅酸铝纤维毡， +65 mm A级硅藻土砖。 炉底隔砖采用重质粘土砖（NZ − 35），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， 分三块或者四块， 厚20mm。 四、砌体平均表面积计算 砌体外廓尺寸如下： L外 = L + 2 × 115 + 80 + 115 = 2360 mm B外 = B + 2 × 115 + 80 + 115 = 1490 mm H外 = H + f + 115 + 80 + 115 + 67 × 4 + 50 + 182 = 1566 mm 试中 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 F顶内 =
‘ t ’3 顶 = 560℃，t4 = 52℃。则： 顶
耐火层s1 的平均温度 t s1 均 =
840+560 2
950+840 2
= 895℃ ，硅酸铝纤维层s2 的平均温度t s2 均 =
560+52 2
= 700℃，膨胀珍珠岩层s3 的平均温度t s3 均 =
= 306℃。
s1 ，s3 层炉衬的热导率由教材附表 3 得： λ1 = 0.294 + 0.212 × 10−3 ts1 均 = 0.294 + 0.212 × 895 × 10−3 = 0.484 W （m ∙ ℃） λ1 = 0.040 + 0.220 × 10−3 t s3 均 = 0.040 + 0.220 × 306 × 10−3 = 0.107 W (m ∙ ℃) 普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表 4 查得，t s2 均 = 700时， λ2 = 0.140 W （m ∙ ℃）。 当炉壳温度为52℃，室温为20℃是，由教材附表 2 可查得炉壳表面对空气的综合传热系 数α = 11.59 W （m ∙ ℃）。 ①求热流 Q顶 = tg − ta s1 s2 s3 1 + + + λ1 λ2 λ3 α
对于炉墙散热，如图1 − 1所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t ‘2 墙 = 800℃，
‘ t ’3 墙 = 450℃，t4 = 65℃，则 墙
耐火层s1 的平均温度t s1 均 = 纤维层s2 的平均温度t s2 均 = s3 的平均温度t s3 均 = 热率由教材附表 3 得
450+65 2 2
t 2 墙 − t ‘2 墙 t ’2 墙
误差∆< 5%，满足设计要求，不需要重新估算。 s2 0.080 t 3 墙 = t 2 墙 − q 墙 = 806.24 − 600.06 × = 431.2℃ λ2 0.128
∆=
t 3 墙 − t ‘3 墙 t ’3 墙
=
431.2 − 450 = 4.18% 450
=
950 − 20 0.115 0.080 0.115 1 0.480 + 0.128 + 0.190 + 12.50 = 600.06 W m2
②验算交界面上的温度t 2 墙 和t 3 墙 t 2 墙 = t1 − q 墙 ∆= s1 0.115 = 950 − 600.06 × = 806.24℃ λ1 0.480 = 806.24 − 800 = 0.78% 800
2π R 6
×L=
2×3.14×0.869 6 Nhomakorabea× 1.741 = 1.585 m2
F顶外 = B外 × L外 = 1.490 × 2.360 = 3.516 m2 F顶内 = F顶内 × F顶外 = 1.585 × 3.516 = 2.360 m2
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) = 3.341 m2 F墙外 = 2H外 L外 + B外 = 2 × 1.566 × 2.360 + 1.490 = 12.058 m2 F墙均 = F墙内 × F墙外
∆=
t 2 顶 − t ‘2 顶 t ’2 顶
=
837.9 − 840 = 0.26% 840
∆< 5%，满足设计要求，不需要重新估算。 s2 0.080 t 3 顶 = t 2 顶 − q 顶 = 837.9 − 472.06 × = 568.15 ℃ λ2 0.140 ∆= ③验算炉壳温度t4 顶 t4 顶 = t 3 顶 − q 顶 s3 0.115 = 568.15 − 472.06 × = 60.8 ℃ < 70 ℃ λ3 0.107 t 3 顶 − t ‘3 顶 t ‘3 顶 = 568.15 − 560 = 1.46% 560
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出料方便，取L B = 2，因此，可求得： L = F 0.5 = 1.57 0.5 = 1.772 m B = L 2 = 1.772 2 = 0.886 m 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L = 1.741 m，B = 0.869 m，如总图所示。 3.炉膛高度的确定 按照统计资料，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 = 0.64Om。 因此，确定炉膛尺寸如下： 长 L = 230 + 2 × 7 + 230 × 2 + 2 = 1741 m 宽 B = 120 + 2 × 4 + 65 + 2 + 40 + 2 × 2 + 113 + 2 × 2 = 869 mm 高 H = 65 + 2 × 9 + 37 = 640 mm 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 = 1500 mm B效 = 700 mm H效 = 500 mm 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113mm QN − 0.8轻质粘 土砖，+80 mm 密度为250 kg m3 的普通硅酸铝纤维毡，+113mm B级硅藻土砖。 炉顶采用113 mmQN − 1.0轻质粘土砖，+80 mm密度为250 kg m3 的普通硅酸铝纤维毡，
= 3.341 × 12.058 = 6.347 m2 3.炉底平均面积 F底内 = B × L = 0.869 × 1.741 = 1.510 m2 F底外 = B外 × L外 = 1.490 × 2.360 = 3.516 m2
F底均 =
F底内 × F底外 = 1.510 × 3.516 = 2.304 m2
F 避 = 2 × 1.741 × 0.640 + 2 × 0.869 × 0.640 + 1.741 × 0.869 +2 × 3.14 × 0.869 × 360°× 1.741 = 6.440 m2 所以
0.5 0.9 P安 = Cτ− F 升 t 1000 950 1.55 1000 1.55 60°
750+550 2
950+750 2
= 850 ℃，硅酸铝纤维层s2 的平均温度t s2 均 =
= 30 × 4−0.5 × 6.440.9 × = 74.1 kW 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 教 材 附 表 6 得 ， 工 件 在 950℃ 及 20℃ 时 比 热 容 分 别 为 c件 2 = 0.548 kJ kg ∙ ℃ ， c件 1 = 0.486 kJ kg ∙ ℃ ，根据式(5 − 1) Q 件 = p c件 2 t 1 − c件 1 t 0 = 160 × 0.548 × 950 − 0.486 × 20 = 81740.8 kJ h （2）通过炉衬的散热损失的热量Q 散 I.炉墙的散热损失 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） Q散 = t1 − t n+1 si n i=1 λ F i i
=
950 − 20 0.115 0.080 0.115 1 0.484 + 0.140 + 0.107 + 11.59 = 472.06 W m2
②验算交界面上的温度t 2 顶 和t 3 顶 t 2 顶 = t1 − q 顶 s1 0.115 = 950 − 472.06 × = 837.9 ℃ λ1 0.484