搜索
1/12箱式电阻炉设计说明书1、设计任务设计一箱式电阻炉，要求如下：1）额定温度为1300℃；2）升温速率为20℃/分钟；3）炉膛有效尺寸长×宽×高不超过500×300×300。.2、设计说明2.1电炉电热材料的选择本次设计要求的额定温度为1300℃，由于一般电热体的温度要比炉膛的温度高50—100℃，因此所选用的电热材料的使用温度应至少为1350℃以上。满足这一基本要求的常用电热体有钼棒、钨棒、铁铬铝合金、硅碳棒、硅钼棒、石墨和碳棒。钼棒硬而坚韧具有优异的力学性能，而且其熔点高且在高温下具有较大的持久强度，其在真空炉中使用温度高达1650℃，钼还对无机酸具有突出的耐腐蚀性能；但钼是一种易氧化的金属，在空气中300℃时钼便会被氧化为三氧化钼，600℃时则会形成黑色的氧化层。由于本次设计的是一个空气电阻炉，因此钼并不很符合本次设计对电热体的要求。钨棒的熔点较钼来讲更高，在真空炉中的使用温度高达2000—2500℃，而且相较于钼也更为廉价；但钨棒在空气中高温下化学性质也不稳定，会与氧气发生剧烈反应生成三氧化钨，同时高温下钨还会与耐火材料发生反应。因此钨棒也不适用与本次设计。铁铬铝合金被加热后其表面生成一层氧化铝起到了保护作用，其在空气中的使用温度为1300—1400℃，且具有电阻系数大，电阻温度系数小，表面容许负荷高，比密度小，高率稳定，价格低廉等诸多优点；但其强度不高，使用寿命相对较短，且过烧后不可回收。总体来讲铁铬铝合金基本满足本次设计的要求，是备选的电热体之一。硅碳棒在空气中的使用温度为1350—1450℃，其能承受较高的加热温度且对化学试剂稳定性强，各种酸蒸汽对硅碳棒均不起化学作用，此外硅碳棒的使用寿命也较长间断使用时间可达1000h，其价格也比较低廉；但其易于和一些金属氧化物反应对其结构产生破坏作用。硅碳棒的综合性能优异且满足本次实际要求也是备选的电热体材料之一。硅钼棒在空气中连续使用温度为1650℃，其电阻恒定，抗热冲击性能强且抗拉和抗弯强度较好，使用寿命较其它非贵重金属材料制成的发热体长；但其冲击强度低，长期在400—700℃温度范围内使用时会发生低温氧化而被破坏，而且其价格较为昂贵。总体来讲硅钼棒也能满足本次设计对电热体材料的要求。石墨和碳在真空和有保护气氛的情况下使用温度均较高，都达到了2000℃以上；但其在空气中均易被氧化，因此两种材料均不符合本次设计的要求。综上所述，能满足本次设计要求的常用电热体只有铁铬铝合金、硅碳棒和硅钼棒。其中铁铬铝合金使用温度相对较低，表面负荷功率较小，且脆性大，在2/121300℃下极易因烧损而被破坏，因此也基本可以排除以铁格律合金为电热体的选择。因此最终选用的电热材料应从硅碳棒和硅钼棒中选择。考虑到经济因素和实际设计要求，硅钼棒的价格较为昂贵且其实际使用温度远大于所需温度，在本次采用硅钼棒既不经济也是对其高温性能的一种浪费。因此最终选择的电热体材料为硅碳棒。2.2炉膛材料的选择2.2.1耐火材料的选择耐火材料可分为普通耐火材料、轻质耐火材料和特种耐火材料。普通耐火材料的使用温度普遍较高，能较好的满足本次对最高温度的要求；但这种材料的密度相对较大，使用中蓄热量较大，同时本次设计要求的升温速率又很大。因此采用普通耐火材料所需的功率较高，而电炉的尺寸有一定限制过大的功率可能引起电热体排布不下的情况产生。资料显示设计使用温度大于1200℃的电炉若采用普通耐火材料时为减少蓄热一般需要采用三层材料。因此采用普通耐火材料设计的电炉结构复杂，蓄热大，所需功率高并不能很好的满足本次设计要求。特种耐火材料一般价格昂贵而且都有其专门的用途，本次设计的为一个普通的电阻炉，并不适合采用特种耐火材料。轻质耐火材料密度小、蓄热量较小，因此升温时所需的最大功率较小；若采用传统轻质耐火材料，一般仍需双层结构以减小蓄热。能满足本次设计基本要求的传统轻质耐火材料有轻质粘土砖、轻质硅砖、轻质高铝砖。耐火纤维材料是一种新型的轻质耐火隔热材料其密度极小、耐火度高、蓄热量小，且可同时充当耐火和保温材料。因此使用该种材料所制造的电炉只需单层材料，但这种材料的价格往往比较贵，能满足本次设计基本要求的纤维耐火材料有氧化铝纤维、硅酸铝纤维。从以上分析可以看出，传统的轻质耐火材料和纤维轻质耐火材料各有利弊且均可用于本次设计。因此本次设计将分别采用传统的轻质耐火材料和新型的纤维耐火材料作为炉衬材料进行设计，并对其进行比较。（1）传统轻质耐火材料轻质粘土砖的密度相对较小，因此蓄热量相对较小，而且其热稳定性也较好；但其使用温度较低，允许最高的使用温度在1300℃—1400℃之间，只是刚刚能够满足要求，并不适于做内层的耐火材料。轻质硅砖使用温度高在1500℃左右；但且其密度在三种待选的轻质耐火材料中最高，不利于电炉功率的降低，而且其热稳定性极差，不适合砌筑间歇性炉，因此硅砖并不能满足本次设计的要求。高铝砖使用温度在1400℃—1500℃之间，抗化学侵蚀性强；但其密度较大，热导率较高，且热稳定性也较差。综合考虑只有轻质高铝砖能够基本满足本次设计对温度和升温速率的要求，因此最终选用的为容重为1.02的轻质高铝砖，其密度在所有高铝砖相对较小且使用温度较高达到1400℃。其主要性能参数表1所示：表1轻质高铝砖性能参数材料名称密度ρ（kg/m3）允许使用温度(℃)平均比热容cp【kJ/(kg.℃)】导热系数λ【W/(m.℃)】尺寸长×宽×高（mm）3/12轻质高铝砖102014000.84+0.23×10-3t0.66+0.08×10-3t230×113×65（2）纤维质轻质耐火材料氧化铝纤维、硅酸铝同属轻质耐火材料，若采用此种耐火材料则电炉不再需要保温层，整个电炉只需一层材料，从而使电炉结构更为简单，此外它们均具有使用温度较高、密度低、导热系数低、蓄热量小、耐热冲击、耐腐蚀使用寿命长，抗拉强度大，弹性好，无毒等众多优点；但这种材料价格一般较为昂贵。两种纤维相对比硅酸铝纤维更为常见一些，价格也相对较低，因此本次设计将硅酸铝纤维作为了待选耐火材料之一而放弃了氧化铝纤维。其主要性能参数如表2所示：表2硅酸铝纤维性能参数材料名称密度ρ（kg/m3）允许使用温度(℃)平均比热容cp【kJ/(kg.℃)】导热系数λ【W/(m.℃)】尺寸长×宽×高（mm）硅酸钙纤维22014000.750.08+0.1×10-3t2.2.2隔热材料的选择若炉衬材料选择了粘土砖则还需设计保温层，需选用一种隔热材料。对这种保温材料主要有以下几个要求：1、使用温度高于界面的最高温度，在本次设计中估计其界面温度在1000℃左右，因此所选隔热材料的使用温度应至少大于1100℃。2、密度尽可能的第，从而最大程度上的降低材料的蓄热量，降低电炉功率。就本次设计来讲其密度最好能够小于500kg/m3。3、价格便宜。综合以上几点考虑，最终选择的隔热材料为容重为0.4的轻质粘土砖。其密度在所有轻质耐火砖中最小。该材料其它性能参数如表3所示：表3轻质粘土砖性能参数材料名称密度ρ（kg/m3）允许使用温度(℃)平均比热容cp【kJ/(kg.℃)】导热系数λ【W/(m.℃)】尺寸长×宽×高（mm）轻质粘土砖40011500.84+0.26×10-3t0.092+0.16×10-3t230×113×652.2.3外层金属材料的选择本次设计的电炉中要用到金属材料的位置主要有炉底板和电阻炉壳层。可供选择的材料主要有普通钢材和耐热钢两种。普通钢耐受的温度较低，耐热钢虽能长期耐受高温但其价格相对较为昂贵考虑。考虑到本次设计的电阻炉的外表面得温度较低，达到稳态时也会将外表面温度控制在200℃以下；此外本次设计的为一个间歇式的电阻炉，炉的外表面钢材不用长期耐受高温，且在每个工作周期中炉子基本上都处于非稳态的工作状态中，因此其所承受的实际温度一般会小于测算出的稳态时的工作温度。总体来讲4/12本次设计对外层金属耐受温度没有太大限制，普通钢材既能满足温度要求。从经济角度考虑最终选择普通钢材作为炉体外层的金属材料。2.3电炉尺寸的确定按照要求设计电炉的有效空间尺寸长×宽×高为450×250×200。2.3.1炉顶结构的选择常用的炉顶结构有平顶和拱顶两种，拱顶炉散热面大、建造较为复杂，但强度高，适用于考度较大的炉体结构。平顶炉散热面小，强度相对较低。本次设计炉膛的有效跨度为250mm，属于比较小的跨度，因此宜采用平顶结构。平顶炉的炉顶厚度一般与炉衬厚度相同。其数值的确定在下部分内容中介绍。2.3.2耐火保温砖厚度的确定为保证良好的操作环境，在电炉内壁温度为1300℃且达到稳态时，电炉外壁温度应小于200℃。假设其外表面温度为150℃，环境温度为20℃。（1）采用普通轻质耐火材料作为内衬材料若采用轻质高铝砖作为耐火材料，轻质粘土砖砖为保温层，为最大限度的降低功率仅采用一层轻质高铝砖。则已知的条件为炉内表面温度t1=1300℃，炉外表面温度t3=170℃，环境温度t4=20℃耐火层厚度δ1=113mm，需要求出的未知量为界面温度t2以及保温层厚度δ2，由稳态传热公式可得式1：错误!未找到引用源。式1式中λ1=0.66+0.08×10-3（t1+t2）/2式2λ2=0.092+0.16×10-3（t2+t3）/2式3错误!未找到引用源。式4将式2、3、4带入式1中，并带入已知条件可得：t2=962℃；δ2=65.5mm。考虑到轻质粘土砖的尺寸取δ2=65mm。.（2）采用纤维质轻质耐火材料若采用硅酸钙纤维则只需一层材料，无需保温层，已知条件仍为炉内表面温度t1=1300℃，炉外表面温度t3=150℃，环境温度t4=20℃所需求的为炉壁厚度δ，则：错误!未找到引用源。式5其中λ3=0.08+0.1×10-3（t2+t3）/2式6将式4、6带入式5中求得炉壁δ=78.2mm；考虑到所选硅酸铝纤维板的规格最后选择的厚度为80mm。2.3.3外层金属材料的尺寸钢板的厚度的确定主要从满足强度要求考虑，本次设计中选取经验数据，将钢板的厚度设定为5mm。2.4功率计算空载时，电炉的功率则主要与炉衬材料的蓄热有关。钢材的热导率极大，且厚度较薄，其内部温度分布接近平直的直线，因此可忽略钢板蓄热，通过计算耐火保温材料的蓄热量来对电炉的功率进行计算。2.41采用普通轻质耐火材料的电炉功率计算（1）炉衬质量的确定采用普通轻质耐火材料时炉衬结构表4所示：表4采用普通轻质耐火材料时炉衬结构5/12层数第一层第二层第三层材料轻质高铝砖容重γ=1.02轻质粘土砖容重γ=0.4普通钢板厚度（mm）113655在电炉有效尺寸的基础上，在炉宽度方向各预留100mm用来做电热体安装的位置则所设计电炉各层的最终尺寸如表6所示：表6炉衬各层尺寸长（mm）宽（mm）高（mm）有效尺寸450250200电热体占位02000最内层尺寸450450200界面层尺寸676676426外层尺寸806806556轻质高铝砖体积V=0.154m3质量m=157.26kg轻质粘土砖体积V=0.167m3质量m=66.61kg（2）材料比热容的确定假设电炉工作3小时，设在此段时间内，内层材料的平均温度为520℃，外层保温材料的平均温度为75℃，则两种材料的热容、热导率分别为：轻质高铝砖：cp1=0.84+0.23×10-3×520=0.9596kJ/(kg.℃)λ1=0.66+0.08×10-3×520=0.7016W/(m.℃)轻质粘土砖：cp2=0.84+0.26×10-3×75=0.8595kJ/(kg.℃)λ2=0.092+0.16×10-3×75=0.7016W/(m.℃)（3）材料的分层两种砖的导温系数计算如下：错误!未找到引用源。（7）错误!未找到引用源。（8）设把轻质高铝砖分为5层，则：错误!未找到引用源。（9）错误!未找到引用源。（10）由此可得轻质粘土砖的的层数：错误!未找到引用源。（11）轻质粘土砖层数=0.065/错误!未找到引用源。≈4层计算不同错误!未找到引用源。时各层温度如表7所示：表7轻质砖炉衬中炉温分布时间轻质高铝砖轻质粘土砖空气Δτ数小时（h）0