热处理炉课程设计

目录

1 设计任务 ......................................................................................................................... 1 2 炉型的选择 ....................................................................................................................... 1 3 确定炉体结构和尺寸 ..................................................................................................... 1 3.1 炉底面积的确定 ....................................................................................................... 1 3.2 炉底长度和宽度的确定 ........................................................................................... 2 3.3 炉膛高度的确定 ....................................................................................................... 2 3.4 炉衬材料及厚度的确定 ........................................................................................... 3 4 砌体平均表面积计算 ..................................................................................................... 3 4.1 砌体外廓尺寸 ........................................................................................................... 3 4.2 炉底的平均面积 ....................................................................................................... 4 4.3 炉墙平均面积 ........................................................................................................... 4 4.4 炉底平均面积 ........................................................................................................... 4 5 计算炉子功率 ................................................................................................................. 4 5.1 根据经验公式计算炉子功率[1] ............................................................................... 4 5.2 根据热平衡计算炉子功率 ....................................................................................... 5 5.2.1 加热工件所需的热量Q件 .................................................................................... 5 5.2.2 通过炉衬的散热损失Q散 .................................................................................... 5 5.1 炉墙结构示意图 ....................................................................................................... 6 5.2.3 开启炉门的辐射热损失 ........................................................................................ 8 5.2.4 开启炉门溢气热损失 ............................................................................................ 9 5.2.5 其他热损失 ............................................................................................................ 9 5.2.6 热量总支出 ............................................................................................................ 9 5.2.7 炉子安装功率 ........................................................................................................ 9 5.2.8炉子热效率计算 ..................................................................................................... 10 5.2.9 炉子空载功率计算 .............................................................................................. 10 6 空炉升温时间的计算 ..................................................................................................... 10 6.1炉墙及炉顶蓄热 ........................................................................................................ 10 6.2炉底蓄热计算 ............................................................................................................ 11 6.3炉底板蓄热 ................................................................................................................ 12 6.4升温时间 .................................................................................................................... 12 7 电热元件的选用与功率计算 ....................................................................................... 13 7.1功率计算 .................................................................................................................... 13 7.2电热元件材料选择及计算 ........................................................................................ 13 7.3 理论计算法 ............................................................................................................... 13 7.3.1 求950℃时电热元件的电阻率ρt ................................................................... 13 7.3.2 确定电热元件表面功率 .................................................................................. 14 7.3.3 每组电热元件功率 .......................................................................................... 14

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7.3.4 每组电热元件端电压 ...................................................................................... 14 7.3.5 电热元件直径 .................................................................................................. 14 7.3.6 每组电热元件长度和重量 .............................................................................. 15 7.3.7 电热元件的总长度和总重量 .......................................................................... 15 7.3.8 校核电热元件表面负荷 .................................................................................. 15 7.3.9 电热元件在炉膛内的布置 .............................................................................. 15

II

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热处理箱式电阻炉课程设计

1 设计任务

设计一台箱式电阻热处理炉。其技术条件：

用途：处理对象为20CrMnMo齿轮轴热处理淬火处理； 生产率：180 kg/h； 工作温度：最高使用温度≤950˚C； 特点：长时间连续生产； 批量：每次5件

2 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。

3 确定炉体结构和尺寸

3.1 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底面积，用按加热能力指标法，已知生产率P为180kg/h，从表1查得单位面积生产率PO为120kg/（m2h），故可求得炉底有效面积

F1=P/P0=180/120=1.5m2

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表1 各种热处理炉的单位炉底面积生产率PO [kg/（m2*h）]

工艺类别 一般锻件 淬火 正火 正火 铸件正火 合金钢淬火

由于有效面积与炉底面积存在关系式F1/F=0.75～0.85，取0.85，得炉实际面积: F=F1/0.85=1.67/0.85=1.76m2

炉型 箱式 100-120 110-120 80-140 80-100 台车式 坑式 罩式 井式 推杆式 150-180 100-120 80- 20 150-200 120-180 120-140 90-140 120-150 100-160 3.2 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=2：1，因此，可求得 L=F/0.5=1.76/0.5=1.876m B=L/2=1.876/2=0.938m

根据标准砖尺寸,为便于砌砖,取L=1.856m,B=0.936m。

3.3 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=0.707m。

因此，确定炉膛尺寸如下： 长 L=（230+2）×8=1856mm

宽 B=（120+2）×4+（65+2）×2+（40+2）×2+（114+2）×2=936mm 高 H=（65+2）×10+37=707mm

为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空

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间，确定工件室的有效尺寸为：

L效=1600mm； B效=700mm； H效=500mm。

3.4 炉衬材料及厚度的确定

① 由于侧墙，前墙及后墙的工件条件相似，采用相同炉衬结构，即230mm（QN-0.8轻质粘土砖）+114mm（B级硅藻土砖）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡

② 炉顶采用114mm（QN-1.0轻质粘土砖）+116mm（膨胀珍珠岩）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡

③ 炉底采用4层轻质粘土砖（67×4）mm+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +183mm（A级硅藻土砖+B级硅藻土砖复合炉衬）。

④ 炉门用67mm（QN-1.0轻质粘土砖）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡 +65mm（A级硅藻土砖）。

⑤ 炉底搁砖采用粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。

炉底板料选用Cr-Cu-N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分四块，厚度20mm。

4 砌体平均表面积计算

4.1 砌体外廓尺寸

L外=L+2×（116+80+116）=2480mm； B外=B+2×（116+80+116）=1560mm；

H外=H+f+（116+80+116）+67×4+50+183=707+135+307+268+50+183=15mm。 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=R（1-cos30˚）求得f＝936×(1-cos30°)=125。

再在炉外廓外面加一层厚为5mm的钢板来保护炉子，但其尺寸不包括在计算数据之内。

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4.2 炉底的平均面积

F顶内=（2πR/6）×L=[(2×3.14×0.936)/6] ×1.856=1.818㎡； F顶外=B外×L外=1.56×2.48=3.8688㎡； F顶均=F顶内F顶外=1.818*3.8688=2.652㎡。

4.3 炉墙平均面积

炉墙平均面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前端墙内。 F墙内=2HL+2BH=2H（L+B）=2×0.707×(1.856+0.936)=3.948m2； F墙外=2H外（L外+B外）=2×1.4×（2.48+1.56)=13.284m2 F墙均=F墙内F墙外 =3.948*13.284 =7.242m2。

4.4 炉底平均面积

F底内=B×L=0.936×1.856=1.737㎡ F底外=B外×L外=1.56×2.48=3.869㎡； F底均=F底内F底外=1.737*3.869=2.592㎡。

5 计算炉子功率

5.1 根据经验公式计算炉子功率[1]

P安=Cτ‐0.5升F0.9(t/1000)1.55

其中C=30，空炉升温时间假定为τ为4小时，炉温为950度。C—系数，热损失大的炉子，C=30-35；热损失小的炉子，C=20-25。单位为[(kw·h0.5)/(m1.8·℃1.55)]这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉。

炉膛内壁面积=2×（L×H）×（B×H）+L×B+2πB60/360L=7.503㎡ 所以

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P安=Cτ‐0.5升F0.9(t/1000)1.55 =15×6.1335×0.9236=84.97KW 由经验公式计算法的P安≈85kw

5.2 根据热平衡计算炉子功率

5.2.1 加热工件所需的热量Q件

查表5.1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·℃）。

表5.1低合金钢的平均比热容

化学成分

[重量分数（%）] C 0.23 0.34 0.32

Mn

Ni

Cr

在不同温度下的平均比热容(kj·kg-1·℃-1) 50~100℃ 0.477 0.494

250~300℃ 0.544 0.557 0.552

550~600℃ 0.741 0.770 0.741

650~700℃ 0.837 1.051 0.837

750~800 ℃ 0.821 0.636 0.934

850~900 ℃ 0.536 0.636 0.574

1.51 0.69 3.53 0.69

0.78 0.486

Q件=P（C件2×t1-C件1×t2）=180×（0.636×950-0.486×20）=107006.4KJ/h 5.2.2 通过炉衬的散热损失Q散

由于炉子侧壁和前后炉衬结构相似，故作统一数据处理，简化计算，将炉门包括在前墙内，

Q散=（t1-tn+1）/∑ （si/λiFi）[3]

对于炉墙散热,如图,首先假定界面上的温度及炉壳温度, t＇2墙=825℃,t＇3墙=560℃,而知t＇4墙=60℃,则：

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轻质耐火砖硅藻土砖耐火纤维

5.1 炉墙结构示意图

耐火层s1的平均温度ts1均=(950+825)/2=887.5℃；硅藻土砖层s2的平均温度ts2均=（820+560）/2=692.5℃；硅酸铝纤维层s3的平均温度ts3均=（560+60）/2=310℃。s1，s2层炉衬的热导率由 表5.2查得

表5.2 热处理炉常用耐火材料和保温材料

材 料 和 牌 号

耐火度 ℃

荷 重 软 化 ℃

耐 压 密 强 度 密度 kg•cm-2 g•cm-3

热导率(W•m-1•℃-1)

最 高使 用温 度℃ 1300

轻 质

粘土砖 1670 QN—1 硅藻砖

B级 膨胀珍珠岩

1650 30 1.0 0.29+(0.256/1000）t

5.5 0.31

0.131+0.23/1000）t 0.04+(0.22/1000)t

900 1000

λ1=0.29+（0.256/1000）ts1均=0.29+（0.256/1000）*887.5=0.482 W/m℃； λ2=0.131+（0.23/1000）ts3均=0.131+（0.23/1000）×692.5=0.290W/m℃； 普通硅酸铝纤维的热导率由表5.3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线性关系：由ts2均=310℃，得λ3=0.084 W/m℃。

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表5.3 普通硅酸铝纤维的热导率（W/m℃）

密 度 100 250 350

温 度 100 0.058 0.0 0.070

400 0.116 0.093 0.081

700 0.21 0.14 0.121

1000 0,337 0.209 0.122

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由表5.4经近似计算达α∑=12.17W/（㎡.℃）。

表5.4 炉墙外表面对车间的综合传热系数表αΣ[W/(m2·℃)]（车间温度20℃）

炉墙外表面温度（℃） 40 60

侧墙综合传热系数表αΣ[W/(m2·℃)] 钢板或涂灰漆表面 10.59 12.17

铝板或涂铝粉漆表面 8.27 9.59

① 求热流：

q墙=（tg-ta）/（s1/λ1+s2/λ2+s3/λ3+1/α∑）

=（950-20）/（0.116/0.482+0.116/0.29+0.080/0.084+1/12.17） =556W/㎡。

② 验算交界面上的温度t2墙，t3墙： t2墙=t1-q墙s1/λ1=950-556×0.2407=816.2℃。

△=（t＇2墙-t2墙）/t＇2墙=（816.2-825）/825=1.1% ＜5%。满足设计要求。 t3墙= t2墙- q墙s2/λ2=816.2-(0.116/0.290) × 556=583.8℃

△=（t3墙-t＇3墙）/t＇3墙=（583.8-560）/560=4.2% ＜5%也满足设计要求。 ③ 验算炉壳温度t4墙

t4墙= t3墙- q墙s3/λ3=583.8-(0.080/0.084) ×556=54.3℃＜70℃ 满足一般热处理电阻炉表面温升＜70℃的要求。[4] ④ 计算炉墙散热损失

Q墙散 =q墙*F墙均=556×7.242=4026.5W. 同理可求得：

t2顶=817.5℃,t3顶=568℃,t4顶=53.5℃,q顶=548.3W/㎡； t2底=695℃,t3底=566℃,t4底=50.8℃,q顶=440W/㎡ 炉顶通过炉衬散热

Q 顶散=q顶F顶均 =548.3×2.652=1454.1W； 炉底通过炉衬散热

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Q 底散=q底F底均=440×2.592=1140.48W； 整个炉体散热损失

Q散= Q墙散 +Q顶散 + Q 底散 =4026.5+1454.1+1140.48 =6621.08W =23835.9KJ/h

5.2.3 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 Q辐=3.6×5.675FΦδt[（Tg/100）4-（Ta/100）4]

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=BH/2=0.331㎡； 炉门开启率： δt=6/60=0.1。

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.354/0.936=0.38，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.354/2/0.312=1.13，由图5.2第一条线查得Φ=0.7，

图5.2 孔口的遮蔽系数

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Q辅=5.675×3.6FΦδt[（Tg/100）4-（Ta/1004]

=5.675×3.6×0.331×0.1×0.7×[（1223/100）4-（293/100）4]=10556KJ/h。 5.2.4 开启炉门溢气热损失

溢气热损失： Q溢＝qvaρaca(tg-ta)δt[1]

其中：qva=1997BH/2×H1/2/2=1997×0.936×0.354×0.3541/2=393.7m3/h，冷空气密度ρa=1.29kg/ m3，查表5.5得：Ca=1.342KJ/ （m3℃）[1]

表5.5 空气和某些气体平均比热容[KJ/(m3·℃)]

温度（℃） 0 氧气 氮气 干空气

100

200

300

400

500 1.3980 1.3322 1.3440

600 1.4168 1.3452 1.3583

700 1.4345 1.3586 1.3725

800 1.4499 1.3717 1.3821

1.3095 1.3126 1.3352 1.3561 1.3775 1.2987 1.3004 1.3038 1.3109 1.3205 1.3009 1.3051 1.3097 1.3181 1.3302

ta=20℃；t＇g:为溢出温度，近似为t＇g=ta+2/3（tg-ta）=20+2/3（950-20）=0℃ Q溢=qvaρaCa（t＇g-ta）δt=393.7×1.29×1.342×620×0.1=42257.1KJ/h 5.2.5 其他热损失

其他热损失约上诉损失之和的10%～20%，故取12%， Q它=0.14×（Q件+Q散+Q辐+Q溢） =0.14×（107006.4+23835.9+10556+42257.1） =25711.8KJ/h。 5.2.6 热量总支出

其中Q辅=0，Q控=0，则：

Q总= Q件+Q散+Q辐+Q溢+Q辅+ Q控+ Q它 =107006.4+23835.9+10556+42257.1+25711.8 =209367.2KJ/h 5.2.7 炉子安装功率

P安=KQ总/3600 ，其中功率储备系数取1.4。

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P安=KQ总/3600=(1.4×209367.2)/3600=81.4KW 与标准炉子相比较，取炉子功率为85KW。 5.2.8炉子热效率计算

① 正常工作时的效率：η=Q件/Q总=107006.4/209367.2=51.1% ② 在保温阶段，关闭炉门时的效率：

η=Q件/[Q总-（Q辐+Q溢）] =107006.4/[209367.2-（10556+42257.1）]=68.4% 5.2.9 炉子空载功率计算

P空=（Q散+Q它）/3600=（23835.9+25711.8）/3600=13.8KW

6 空炉升温时间的计算

由于所设计的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前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升温，也要计算在内。

6.1炉墙及炉顶蓄热

侧V黏2[1.856(0.067120.135)0.116]0.379m3前后V黏2[(0.9360.1162)(160.0670.135)0.116]0.327m3顶V黏0.97(1.8560.276)0.1160.240m3侧V纤2（[1.8560.116）（120.0670.135）0.080]0.296m3前后V纤2[(0.9360.1162)(160.0670.135)0.080]0.226m3顶V珍1.071（1.8560.276）0.080.183m3侧V硅2[(120.0670.135)(1.8560.116)0.116]0.430m3前后V硅2[1.56(0.1350.06716)0.116]0.437m3顶V纤2.4801.560.1160.449m3

根据公式得

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Q蓄V黏黏c黏（t黏t0）V硅藻硅藻c硅藻（t硅藻t0）V硅钙硅钙c硅钙（t硅钙t0）

因为

t黏t1t2墙950816.2883.122℃

查表得

c黏0.840.26103t黏0.840.26103883.11.07t硅藻t2墙t3墙816.2583.870022℃

KJ/(kg·℃)

查表得

c纤0.810.26103t0.810.281037001.01t硅钙t3墙t4墙2581673242℃

KJ/(kg·℃)

33c0.840.02510t0.840.025103190.92 KJ/(kg·硅钙查表得℃)

炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得

侧前后顶侧前后顶Q蓄1（V黏V黏V黏）黏c黏（t黏t0）（V硅板V硅板V硅板）硅板c硅板（t硅板t0）侧前后顶（V硅藻V硅藻V硅藻）硅藻c硅藻（t硅藻t0）(0.3790.3270.24)0.81031.07(883.120)(0.2960.2260.183)0.251031.01(70020)(0.4300.4370.449)0.551030.92(31920)1019069.07KJ

6.2炉底蓄热计算

炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质黏土砖，炉底的复合炉衬按硅藻土砖计算。

底底底底V底V重黏V轻黏V纤V硅底V重黏（0.120.0240.0650.230.040.2320.1140.232）1.8560.177m3底V轻黏(01140.06540.1140.0653)1.856(1.560.1142)(2.480.114)0.0650.325m底V纤2.481.560.050.193m3底V硅2.481.560.1800.696m3由于

底t黏t1t2底950695822.522℃

近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。

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查表得

底底c重黏0.880.23103t重黏0.880.23103822.51.069底底c轻黏0.840.26103t轻黏0.840.26103822.51.05KJ/(kg·℃)

KJ/(kg·℃)

底t纤t2底t3底695566630.522℃

查表得

底底c纤0.840.25103t纤0.810.28103630.50.99 KJ/(kg·℃)

t底硅t3底t4底56650.8308.422℃

查表得

3底3c底0.840.2510t0.840.2510308.40.65硅板硅板 KJ/(kg·℃)

所以得

底Q蓄0.1772.11031.08（822.520）0.31.01031.07（822.520）0.1930.251031.0（630.520）0.6960.51030.918（308.420）701344.9KJ

6.3炉底板蓄热

查表得950℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c板20.067 KJ/(kg·℃)和

c板10.473 KJ/(kg·℃)，经计算炉底板质量G=250kg,所以有，

Q板）242(635.29.46)151743.6蓄G（c板2t1c板1t0KJ

KJ

底Q蓄Q蓄1Q蓄Q板蓄1019069.07701344.9151743.61872157.576.4升温时间

根据公式得空炉升温时间为

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升Q蓄3600P安1872157.576.12h360085对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3～8h，

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，实际空炉升温时间应在5h以内。

7 电热元件的选用与功率计算

7.1功率计算

85KW功率均匀分布在炉膛两侧几炉底，组成YY连线。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/㎡之间，常用20～25KW/㎡之间。

F电=2F电侧+ F电底=2×1.856×0.0+1.856×869=3.99㎡； W=P安/ F电=85/3.99=21.30KW/㎡，

表面负荷在常用的范围20～25KW/㎡之内，故符合设计要求。

7.2电热元件材料选择及计算

由最高使用温度950℃，选用线状0Cr25Al5合金元件接线方式采用YY。

7.3 理论计算法

7.3.1 求950℃时电热元件的电阻率ρt

当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，由表7.3.1查得0Cr25Al5在20℃的电阻率ρ20=1.40Ω.mm2/m。电阻温度系数α=4×10-5℃-1

表7.3.1 常用金属电热材料性能

项目 Cr15Ni60 0Cr25A15

密度

g•cm-3 8.2 7.1

电阻率 Ω•mm2/m 1.10 1.40

工作温度℃ 正常 1000~1050 1050~1200

最高 1150 1300

则1100℃下的电热元件电阻率为：πρt=ρ20（1+αt）=1.40×(1+4×10-5×1100)

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=1.46Ω.mm2/m

7.3.2 确定电热元件表面功率

由图7.3.2，根据本炉子电热元件工作条件取W允=1.6W/cm2

图7.3.2 合金电热元件允许表面负荷

7.3.3 每组电热元件功率

由于采用YY接法，即三相双星形接法，每组元件功率：组P=85/n=85/(3×2)=14.2kw 7.3.4 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380，故组电热元件端电压即为每组电压：U组=380/3=220V。 7.3.5 电热元件直径

线状电热元件直径：

d=34.3[P组2ρt/（U组2W充）]1/3 =34.3[14.22×1.46/（2202×1.6）]1/3 =5.41mm， 故取d=5.5mm。

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7.3.6 每组电热元件长度和重量

每组电热元件长度：

L组=0.785×10-3U2组d2/ P组ρt =(0.785×10-3×2202×62)/14.2×1.46=55.4m 每组电热元件重量： G组=π/4 d2L组ρm 其中：ρm=7.1g/c㎡。

所以得 ：G组=π/4 d2L组ρm=π/4 ×5.52×55.4× 7.1×10-5=9.34kg。 7.3.7 电热元件的总长度和总重量

电热元件总长度：L总=6L组=6×55.4=332.4m； 电热元件总重量：G总=6G组=6×9.34=56.04kg。 7.3.8 校核电热元件表面负荷

W实= P组/πdL组=14.2×103/(3.14×0.55×5907)=1.58W/c㎡。W实＜W允，结果满足设计要求。

7.3.9 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： L折=L组/4= 55.4/4=13.85m；

布置电热元件的炉壁长度：Lˊ=L-50=1856-50=1806mm。

丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000℃，由表十三可知，螺旋节径D=（4～6）d，取D=6d=6×6=36mm。

螺旋体圈数N和螺距h分别为：N=L折/Dπ= 13.85×1000/(30×3.14)=138圈；h=L＇/N=1806/138=13.1mm，h/d=13.1/5.5=2.38。规定,在2～4范围内满足设计要求。根据计算，选用YY方式接线,采用d=5mm用电热元件重量最小,成本最低,电热元件节距h在安装的适当调整,炉口部分增大功率.

电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti,Φ=12mm,L=500mm

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