热处理电阻炉设计

热处理电阻炉设计

一、设计任务

设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目，并绘出草图。 基本技术条件：

（1）用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火； （2）工作：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m ； （3）最高工作温度为950℃； （4）炉外壁温度小于60℃. （5）生产率：105Kg/h 。 设计计算的主要项目： （1）确定炉膛尺寸；

（2）选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸； （3）用热平衡法计算炉子功率；

（4）选择和计算电热元件，确定其布置方法； （5）写出技术规范。

二、炉型选择

根据设计任务给出的生产的特点，选用中温（650~1000℃）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。

三、确定炉膛尺寸 1.理论确定炉膛尺寸 （1）确定炉底总面积

炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产效率P=105Kg/h 。按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率P 0=100~120Kg/（m 2·h ）。因此，炉子的炉底有效面积（即可以摆放工件的实际面积）F 1可按下式计算：

2011105

105m P P F ===

通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.75~0.85之间选择。炉子小取值小值；炉子大取值大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F 为：

2125.18

.018.0m F F ===

（2）确定炉膛的长度和宽度 炉底长度和宽度之比B

L

在3/2~2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设计取

2=B L

,则炉子炉底长度和宽度分别为： m F L 581.15

.025.15.0===

m L B 791.02

581.12===

（3）确定炉膛高度 炉膛高度和宽度之比

B

H

在0.5~0.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：

m B H 554.0791.07.07.0=⨯==

2.确定实际炉膛尺寸

为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸（230×113×65mm ），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度2mm ），上下砖体应互相错开以及在炉底方面布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：

mm L 16247)2230(=⨯+=

mm B 7934)2110(3)2113(=⨯++⨯+= mm H 573378)265(=+⨯+=

注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。 3.确定炉膛有效尺寸

为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：

L 效=1500mm B 效=700mm H 效=450mm

四、炉衬材料的选择及其厚度的确定

炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60℃。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数∑α。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。

1.炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算

炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。

设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm 厚的轻质粘土砖（QN —0.8），保温层是60mm 厚、密度为350Kg/m 3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm 厚的A 级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足墙外壁温度小于60℃，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。

在炉墙内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：

∑

+

++-=

αλλλ120

95033221

1S S S q

1）S 1，S 2，S 3确定

S 1，S 2，S 3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A 级硅藻土砖的厚度（m ）。 若考虑它们之间2mm 的砌缝宽度，则S 1，S 2，S 3得厚度为：

mm S 11521131=+=； mm S 602=； mm S 23222303=+=。

2）1λ，2λ，3λ，∑α的确定

1λ，2λ，3λ分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A 级硅藻土砖的平均热导率

（W/m ·℃）；∑α是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m ·℃）。

要求出1λ，2λ，3λ和∑α，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度C t ︒=850'

2，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度C t ︒=620'

3，炉墙外壳温度C C t ︒<︒=6055'

4。如图所示：

⏹ 求轻质粘土砖的平均热导率

查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN —0.8）的平均导热率为：

为平均温度）p p t t (10212.0294.031-⨯+=λ

)2

850

950(10212.0294.0)2(10212.0294.03'

213

1+⨯+=+⨯+=--t t λ

=0.485W/m ·℃

⏹ 求硅酸盐耐火纤维毡的平均热导率

硅酸盐耐火纤维毡的平均温度C t t t p ︒=+=+=7352

620

8502'3'2。根据教材附表4查得，密度为350Kg/m 3普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m ·℃

和0.122W/m ·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：

C m W ︒⋅=⇒--=--/121.0700

735121

.07001000121.0122.022λλ

⏹ 求硅藻土砖的平均导热率

查教材附表3，可得A 级硅藻土砖的平均热导率为

p t 331023.0105.0-⨯+=λ

C

m W t t ︒⋅=+⨯⨯+=+⨯⨯+=--/183.0)2

55

620(1023.0105.0)2(1023.0105.03'4'33

3λ

⏹ 求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数

当炉墙外壳温度为55℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：

C m W ︒⋅=∑2/81.11α

3)求热流密度