热处理炉课程设计

1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，低合金钢等的淬火，调质以及退火，正火；（2）工件：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：60kg/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）计算炉子功率，进行热平衡计算，并与经验计算法比较；（4）计算炉子主要经济技术指标（热效率，空载功率，空炉升温时间）；（5）选择和计算电热元件，确定其布置方法；（6）写出技术规范。二、炉型选择根据设计任务给出的生产特点，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。已知炉子生产率hkgP60，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)(12020hmkgp。因此，炉子的炉底有效面积（可以摆放工件的面积）1F可按下式计算：2015.012060mpPF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。本设计取值0.85，则炉底总面积F为：21588.085.05.085.0mFF（2）确定炉膛的长度和宽度炉底长度和宽度之比BL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BL，则炉子炉底长度和宽度分别为:mLBmFL542.02084.12084.15.0588.05.02（3）确定炉膛高度炉膛高度和宽度之比BH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：mBH379.0542.07.07.02.实际确定炉膛尺寸为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺寸（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便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：mmmL045.11045)25.0230(4)2230(mmmB516.05162)2113()240(2)2120(mmmH372.0372375)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，应使工件与炉膛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：mmL900效mmB300效mmH200效四、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。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厚的轻质黏土砖（QN—0.8），保温层是80mm厚、密度为250kg/m³的普通硅酸铝耐火纤维毡和113mmB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，是否满足炉墙外壁温度小于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：120950332211SSSq1)321,,SSS的确定321,,SSS分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的厚度（m）。3若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则321,,SSS的厚度为：mmS11521131；mmS802；mmS23011511532)321,,，的确定321,,分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的平均热导率（W/m·℃）;是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m²·℃）。要求出321,,和，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度2t850℃，硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖之间的界面温度3t570℃，炉墙外壳温度4t55℃60℃。如图所示。求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN—0.8）的平均导热率为：pt3110212.0294.0（pt为平均温度）)2850950(10212.0294.0)2(10212.0294.032131tt=0.485W/m·℃求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率硅酸铝耐火纤维毡的平均温度7102570850232tttp℃。根据教材附表4查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.14W/m·℃和0.209W/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：142.070071014.0700100014.0209.022W/m·℃求B级硅藻土砖的平均导热率查教材附表3，可得B级硅藻土砖的平均导热率为：pt331023.0131.0)255570(1023.0131.0)2(1023.0131.034333tt=0.203W/m·℃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：81.11W/m²·℃3)求热流密度将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：28.46081.111203.0230.0142.008.0485.0115.020950mWq4)验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度2t为：7.840485.0115.08.4609501112Sqtt℃相对误差为%5%1.18508507.840222ttt，满足设计要求，不必重算。4硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖之间的界面温度为：1.581142.0080.08.4607.8402223Sqtt℃相对误差为%5%9.15705701.581333ttt，满足设计要求，不必重算。炉墙外壳温度为：203.0230.08.4601.5813334Sqtt59℃＜60℃因炉墙外壳温度小于60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mm厚的轻质黏土砖（QN—1.0），保温层是厚度80mm、密度250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。在炉顶内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：120950332211SSSq1)321,,SSS的确定321,,SSS分别是轻质黏土砖（QN—1.0）、普通硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则321,,SSS的厚度为：mmS1151；mmS802；mmS11532),,,321的确定321,,分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m·℃）;是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/m²·℃）。要求出321,,和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度2t850℃，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度3t550℃，炉顶外壳温度4t60℃。求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN—1.0）的平均导热率为：pt3110256.0290.0)2850950(10256.0290.0)2(10256.0290.032131tt=0.52W/m·℃求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率硅酸铝耐火纤维毡的平均温度7102570850232tttp℃。根据教材附表4查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700℃的热导率分别为0.14W/m·℃则有：2=0.14W/m·℃求膨胀珍珠岩的平均导热率查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均导热率为：5pt331022.004.0)260550(1022.004.0)2(1022.004.034333tt=0.107W/m·℃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60℃，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：17.12W/m²·℃3)热流密度的计算将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：23.47717.121107.0115.014.008.052.0115.020950mWq4)验算界面温度和炉顶外壳温度轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度2t为：4.84452.0115.03.4779501112Sqtt℃相对误差为%5%66.08508504.844222ttt，满足设计要求，不必重算。硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度为：7.57114.0080.03.4774.8442223Sqtt℃相对误差为%5%9.3.05505507.571333ttt，满足设计要求，不必重算。炉顶外壳温度为：107.0115.03.4777.5713334Sqtt58.7℃＜60℃因炉顶外壳温度小于60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。3.炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2）×4=268mm厚的轻质黏土砖（QN—1.0），（113+2）+（65+2）×2=249mm厚的B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。在炉底内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉底向周围空气散热的热流密度为：1209502211SSq1)21,SS的确定21,SS分别是轻质黏土砖（QN—1.0）、B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则21,SS的厚度为：mmS2681；mmS249262),,21的确定21,分别是轻质黏土砖、B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m·℃）;是炉底外壳对周围空气的综合传热系数（W/m²·℃）。要求出21,和，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和B级硅藻土砖之间的界面温度1t680℃，炉底外壳温度2t60℃。求轻质黏土砖的平均导热率查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN—1.0）的平均导热率为：pt3110256.0290.0)2680950(10256.0290.0)2(10256.0290.032131tt=0.499W/m·℃求B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬的平均导热率查教材附表3，可得B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的平均导热率分别为：pt331023.