热处理电阻炉设计计算举例

2020/4/271热处理电阻炉设计计算举例主讲教师：管登高重点：设计方法与步骤教学要求：掌握箱式电阻炉的设计内容、方法与步骤。§5—8热处理电阻炉设计计算举例一、设计任务为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理。处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；(2)生产率：160kg/h；(3)工作温度：最高使用温度≤950℃；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。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160kg/h，按表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120kg/(m2﹒h)，故可求得炉底有效面积二、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加热炉，不通保护气氛。三、确定炉体结构和尺寸20133.1120160mPPF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，得炉底实际面积根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741m，B=0.869m。2157.185.033.185.0mFF由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2：1，而F=L·B=0.5L2，因此，可求得mLBmFL886.02/772.12/772.15.0/57.15.0/见图示2．炉底长度和宽度的确定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=0.640m。因此，确定炉膛尺寸如下：mmHmmBmmL64037926586922113224026542120174122123072230）（高）（）（）（）（宽）（）（长炉底支撑砖厚度拱角砖矮边高度炉底搁砖宽度砖缝长度砖长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=1500mm；B效=700mm；H效=500mm4．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113mmQN—1.0轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+113mrnB级硅藻土砖。炉顶采用113mmQN—1.0轻质粘土砖十80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN—1.0轻质粘土砖(67①×3)mm+50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mmQN—1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。（注①67=65+2，2是砖缝的宽度。）四、砌体平均表面积计算炉底板材料选用Cr—Mn—N耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。砌体外廓尺寸如图5—15所示（教材图5-9）。L外=L+2×(115+50+115)=2360mmB外=B+2×(115+50+115)=1490mmH外=H+f+(115+80+115)+67×4+50+182炉顶厚4块粘土砖高炉底保温层厚=640+116+310+268+50+182=1566mm式中：f—拱顶高度，此炉子采用600标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f=R(1-co300)求得。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十2BH=2H(L十B)=2×0.640×(1.741+0.869)=3.341m2F墙外=2H外(L外+B外)=2×1.566×(2.360+1.490)=12.058m21.炉顶平均面积222360.2516.3585.1516.3360.2490.1585.1741.16869.014.3262mFFFmLBFmLRF顶外内顶顶均外外顶外顶内2．炉墙平均面积五、计算炉子功率1．根据经验公式法计算炉子功率由式(5—14)222304.2516.351.1516.3360.2490.151.1741.1869.0mFFFmLBFmLBF底外底内底均外外底外底内55.19.05.0)1000(tFCP升安炉底平均面积墙外墙内墙均.3)(25.668.11341.32mFFF取式中系数C=30[(kW﹒h0.5)/(m1.8﹒C1..55)，空炉升温时间假定为τ升=4h，炉温t=950℃，炉膛内壁面积F壁由经验公式法计算得P安≈75(kW)kWtFCPmF1.74)1000950(44.6430)1000(44.6741.136060869.014.32869.0741.1)64.0869.0(2)640.0741.1255.19.05.055.19.05.0200升安壁所以（(1)加热工件所需的热量Q件由附表6得，工件在950℃及20℃时比热容分别为C件2=0.63kJ/(kg﹒℃)，C件1=0.486kJ/(kg·℃)，根据式(5—1)Q件=P(C件2t1—C件1to)=160×(0.63×950-0.486×20)=95117kJ/h（p每小时装炉量）(2)通过炉衬的散热损失Q散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。2．根据热平衡计算炉子功率）—（）（）（件15/1122hkJtctcPQ根据式(1—15）niiinFstt111散Ｑ对于炉墙散热，如图5—16所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t′2墙=780℃，t′3墙=485℃，t′4墙=60℃则耐火层S1的平均温度ts1均=（950+780）/2=865℃，硅酸铝纤维层S2的平均温度ts2均=（780+485）/2=632.5℃,硅藻土砖层S3的平均温度ts3均=（485+60）/2=272.5℃，S1、S3层炉衬的热导率由附表3得λ1=0.29+0.256×10-3ts1均=0.29+0.256×10-3×865=0.511W/(m﹒℃)λ3=0.131+0.23×10-3ts3均=0.131+0.23×10-3×272.5=0.194W/(m﹒℃)。普通硅酸铝纤维的热导率由附表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线性关系，由tS2均=632.5℃，得λ2=0.129W/(m﹒℃)当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2经近似计算得α∑=12.17W/(m2﹒℃)（综合传热系数）①求热流2332211/4.73017.121194.0115.0129.005.0511.0115.0209501mWasssttgqa墙不需重算。不需重算。满足设计要求墙墙墙墙墙墙墙墙墙墙墙%,5%64.2%1004854858.4978.497129.005.04.7306.788,%,5%1.1%1007807806.7886.788511.0115.04.73095033322232221112ttt℃Sqttttt℃Sqtt②验算交界面上的温度t2墙、t3墙满足一般热处理电阻炉表面温升50℃的要求。室温20℃③验算炉壳温度t4墙℃℃＜Sqtt709.64194.0115.04.7308.4973334墙墙墙④计算炉墙散热损失Q墙散=q墙·F墙均=730.4×6.25=4562.5W同理可以求得t2顶=844.39℃；t3顶=562.6；t4顶=53℃；q顶=485.4W/m2t2底=782.2℃，t3底568.54℃，t4底=53.7℃，q底=572.2W/m2炉顶通过炉衬散热Q顶散=q顶·F顶均=485.4×2.29=1111.6W炉底通过护衬散热Q底散=q底.F底均=572.2×2.23=1276W整个炉体散热损失Q散=Q墙散+Q顶散十Q底散=4562.5+1111.6+1276=6950.1w（因为1W=3.6kJ/h）所以Q散=3.6×6950.1=25020.4kJ/h606=0.1炉门开启率δt=(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，根据式(5—6)]100100675.56.344）（）［（Ｑ辐TaTgFt式中：C—黑体辐射系数；F—炉门开启面积或缝隙面积（m）；3.6—系数；φ—炉口遮蔽系数；δt—炉门开启率(即平均1小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁缝隙而言δt=1。2640.02H因为Tg=950+273=1223K，Tα=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=B×=0.869×=0.278m2由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.32/0.869=0.37，（可看出此为一拉长的矩形），炉门开启高度与炉墙厚度之比为H′/S=0.32/0.28=1.14，由图1—14第1条线查得φ=0.7，故hkJTTgFQ/75.8877])100293()1001223[(7.01.0278.06.3675.5]100100675.56.34444）（）［（１辐0.28=(0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05(m)图1-14℃ttttt℃t℃mkJCamkgagaggaa640)20950(3220)(32,20)/(342.110/29.133近似认为：为溢气温度，得，由附表冷空气密度hmHHBqVa/1.31432.032.0869.019972219973(4)开启炉门溢气热损失溢气热损失由式(5—7Q吸)得Q溢=qVαραCα(t′g—tα)δt其中，qVα由式（5—8qva=1997BH）得H(5)其它热损失其它热损失约为上述热损失之和的10%~20%，故Q它=0.13(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=0.13×(95117+25020.4+8877.75+33713)=23346.1kJ/hhkJttCqQta＇gaaVa/337131.0)20640(342.129.11.314）（溢3600115总安）—由式（KQP(6)热量总支出其中Q辅=0，Q控=0，由式((5—l0)得Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它=95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1=202931.2kJ/h360020293124.1其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则P安==78.9Kw与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。(7)炉子安装功率1．正常工作时的效率由式(5—12)2.在保温阶段，关闭炉门时的效率六、炉子热效率计算%3.59%100)337137.8877(2.20293195117）（溢辐总件QQQQ%2.47%1002.20293195117%100总件QQ）（总件125%100QQ七、炉子空载功率计算kwQQP4.1336001.233464.250203600它散空八、空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后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。1.炉墙及炉顶蓄热＝Ｖ顶粘0.97×(1.741+0.276)×0.115=0.225m3＝Ｖ后前粘2×[(0.869+0.115×2)×(16×0.067+0.135)]=0.305m3＝Ｖ侧粘2×［1.741×(12×0.067+0.135)×0.115