課程設(shè)計(jì)---井式熱處理電阻爐

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.摘要···························

2、;··················1</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)··············

3、;···························1</p><p>　　爐型的選擇····

4、3;··································1</p>&

5、lt;p>　　確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸·······························1</p>&l

6、t;p>　　砌體平均表面積計(jì)算·······························2</p><

7、;p>　　計(jì)算爐子功率··································&#

8、183;··3</p><p>　　爐子熱效率計(jì)算·····························

9、;······8</p><p>　　爐子空載功率計(jì)算·························&

10、#183;·······8</p><p>　　空爐升溫時間計(jì)算·······················

11、83;·········8</p><p>　　9.功率的分配與接線·····················

12、83;············11</p><p>　　10.電熱元件材料選擇及計(jì)算·················

13、3;·········11</p><p>　　11.爐子構(gòu)架、爐門啟閉機(jī)構(gòu)和儀表圖···················13</

14、p><p>　　12.爐子總圖，主要零部件圖及外部接線圖，砌體圖·······13</p><p>　　13.爐子技術(shù)指標(biāo)·················

15、····················13</p><p>　　14.編制使用說明書···········

16、;·························13</p><p><b>　　一 設(shè)計(jì)任務(wù) </b></p><p&

17、gt;　　設(shè)計(jì)一臺年生產(chǎn)220噸的井式熱處理電阻爐</p><p>　　爐子用途：碳鋼、低合金鋼等的淬火、退火及正火。</p><p>　　熱處理工件：中小型零件，小批量多品種，零件最大長度小于0.5m。</p><p>　　熱處理爐最高工作溫度：950℃</p><p>　　爐外壁最高溫度：60℃</p><p>&

18、lt;b>　　二 爐型的選擇</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給出的生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用中溫井式電阻爐</p><p>　　三 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸</p><p><b>　　1 爐底面積的確定</b></p><p>　　因無定型產(chǎn)品，故不能用實(shí)際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法</

19、p><p>　　由已知年生產(chǎn)400噸，作業(yè)制度為二班制生產(chǎn)則生產(chǎn)率: </p><p>　　按表5-1選擇井式爐用于淬火時的單位面積生產(chǎn)率</p><p>　　故可求得爐底有效面積</p><p>　　由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式</p><p>　　取系數(shù)上限 得爐底實(shí)際面積 </p><p&

20、gt;<b>　　2.爐底直徑的確定</b></p><p><b>　　由公式</b></p><p><b>　　3.爐膛高度的確定</b></p><p>　　由于加熱式工件的最大長度小于500mm，工件距爐頂和爐底各約150mm~250mm</p><p><b&

21、gt;　　則爐深</b></p><p><b>　　則爐膛高度：</b></p><p>　　4.爐襯材料及厚度的確定</p><p>　　爐襯由耐火層和保溫層組成，對于950℃的井式爐，用一層輕質(zhì)粘土磚作為耐火層，硅藻土磚及蛭石粉作保溫層，在爐膛底部應(yīng)干鋪一層粘土磚作為爐底。</p><p>　　對于深度

22、較大的爐子，在耐火層與爐口磚之間應(yīng)當(dāng)留15~25mm膨脹縫，爐膛底部應(yīng)留有清除氧化皮的扒渣口，爐襯外有爐殼保護(hù)。</p><p>　　綜上所述，爐墻采用113 mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚+80mm密度為250mm普通硅酸鋁纖維氈+113mmB級硅藻土磚。</p><p>　　爐頂采用113mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚+80mm密度為250的普通硅酸鋁纖維氈+230mm蛭石粉。</p&g

23、t;<p>　　爐底采用QN-1.0輕質(zhì)粘土磚()mm+50mm密度為250的普通硅酸鋁纖維氈+182mmB級硅藻土磚和蛭石粉復(fù)合爐襯。</p><p>　　爐殼用5mm鋼板制作。</p><p><b>　　砌體平均表面積計(jì)算</b></p><p><b>　　爐頂平均面積</b></p>

24、<p><b>　　爐墻平均面積</b></p><p><b>　　爐底平均面積</b></p><p><b>　　五、計(jì)算爐子功率</b></p><p>　　根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率</p><p>　?。?）加熱工件所需的熱量Q件 </p>&l

25、t;p>　　由附表6得，工件在950℃及20℃時比容分別為c件2=0.636kJ/(kg·℃),c件1=0.486kJ(kg·℃),根據(jù)式（5-1）</p><p>　　Q件=p（c2t2-c1t1）= 91.67×(0.636×950-0.486×20)=54495.98kJ/h</p><p><b>　?。?）Q輔 =

26、 0</b></p><p><b>　　（3）Q控 = 0</b></p><p>　?。?）通過爐襯的散熱損失Q散</p><p>　　由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。</p><p><b>　　根據(jù)式（1-15）</b><

27、/p><p><b>　　Q散 = </b></p><p>　　對于爐墻散熱，如旁邊圖所示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t’2墻=850℃，t’3墻=450℃，t’4墻 =60℃，則耐火層s1的平均溫度 </p><p>　　ts1均==900℃，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均==650℃,硅土磚s3的平均溫度ts3均==255℃，<

28、;/p><p>　　s1、s3層爐襯的熱導(dǎo)率由附表3得</p><p>　　λ1=0.294+0.212×10-3ts1均=0.294+0.212×10-3×900=0.485W/(m·℃)</p><p>　　λ3=0.131+0.23×10-3ts3均=0.131+0.23×10-3×255=0.

29、190W/(m·℃)</p><p>　　普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由附表4查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由ts2均=650℃,得 λ2=0.132W/(m·℃)</p><p>　　當(dāng)爐殼溫度為60℃，室溫為20℃，由附表2經(jīng)近似計(jì)算得α=12.17W/(m2·℃)</p><p><b>　

30、?、偾鬅崃?lt;/b></p><p><b>　　q墻=</b></p><p>　　==607.6W/m2</p><p>　?、隍?yàn)算交界面上的溫度 </p><p>　　t2墻=t1-q墻=950-607.6×=805.9℃</p><p><b>　　Δ===4

31、.7%</b></p><p>　　Δ<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算</p><p>　　t3墻=t2墻 - q墻=805.9–607.6×=437.7℃</p><p>　　Δ = ==2.7%</p><p>　　Δ<5%,也滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。 </p><p>

32、;　?、垓?yàn)算爐殼溫度t4墻 = t3墻 = 437.7– 607.6×=69.7℃<70℃</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　?、苡?jì)算爐墻散熱損失 </p><p>　　Q墻散 = q墻·F墻均 = 607.6×5.20 = 3159.52W</p><p&

33、gt;<b>　　同理可以求得</b></p><p>　　t2頂 = 847.5℃,t3頂 = 558.4℃,t4頂 = 53.8℃,q頂 = 476.3W/m2</p><p>　　t2底=784.1℃,t3底 = 565.5℃，t4底=53.2℃，q底 = 562.9W/m2爐頂通過爐襯散熱</p><p>　　Q頂散 = q頂

34、3;F頂均 = 476.3×2.07 = 985.94W</p><p>　　Q底散 = q底·F底均 = 562.9×1.11 = 624.82W </p><p><b>　　整個爐體散熱損失</b></p><p>　　Q散 = Q墻散 + Q頂散 + Q底散</p><p>　　=

35、3159.52 + 985.94 + 624.82</p><p><b>　　= 4770.28</b></p><p>　　= 17173.01kJ/h</p><p>　　(5)開啟爐門的輻射損失</p><p>　　設(shè)裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據(jù)式子（5-6）</p><p>　　Q

36、輻 = 3.6×5.67FΦδ[()4 – ()4]</p><p>　　因?yàn)門g = 950 + 273 = 1223K，Ta = 20 + 273 = 293K</p><p>　　由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故爐門開啟面積</p><p>　　F = π×r=3.14×= 0.95 m</p>&l

37、t;p>　　爐門開啟率為 δt == 0.1</p><p>　　由于爐門開啟后，輻射口為圓形，且與r之比為= 0.78，爐門開啟高度與爐墻厚度之比為= 0.79，由圖1-14第1條線查得φ = 0.7，故</p><p>　　Q輻 = 5.675 × 3.6Fδtφ[()4 – ()4]</p><p>　　= 5.675 × 3.6&#

38、215;0.95×0.1×0.7×[()4 –()4]</p><p>　　= 30294.43kJ / h</p><p>　?。?）開啟爐門溢氣熱損失</p><p>　　溢氣熱損失由式（5- 7）得</p><p>　　Q溢 = qVaρa(bǔ)ca（t’g – ta）δt</p><p>

39、;　　其中，q va由式（5 – 8）得</p><p>　　qva = 1997 B·· = 1997×0.869××</p><p>　　=365.5m3/h</p><p>　　冷空氣密度 ρa(bǔ) = 1.29kg/m3,由附表10得ca = 1.342 kJ/(m3·℃) ta = 20℃，t

40、’g 為溢氣溫度，近似認(rèn)為t’g = ta +（tg – ta）</p><p>　　= 20 + (950 – 20)</p><p><b>　　= 640℃</b></p><p>　　Q溢=qvaρa(bǔ)ca（t’g – tg）δt</p><p>　　= 365.5×1.29×1.342

41、5;（640 – 20）×0.1</p><p>　　= 39230.3kJ / h</p><p><b>　?。?）其他熱損失</b></p><p>　　其他熱損失為上訴熱損失之和的10%~20%，故</p><p>　　Q它 ＝ 0.13（Q件+Q散+Q輔+Ｑ溢）</p><p>

42、;　　＝ 0.13×（54495.98+ 17173.01+ 30294.43 +39230.3）</p><p>　?。?8355.18 kJ / h</p><p><b>　?。?）熱量總支出</b></p><p>　　由式子（5 – 10）得</p><p>　　Q總 ＝ Q件 + Q輔 + Q控 +

43、 Q散 + Q輻 + Q溢 + Q它</p><p>　?。?54495.98 + 17173.01+ 30294.43 + 39230.3 + 16294.95</p><p>　?。?157488.67 KJ/h</p><p>　　(9) 爐子安裝功率</p><p><b>　　由式（5 –11）</b><

44、/p><p><b>　　P安 ＝</b></p><p>　　其中K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.4，則</p><p>　　P安＝＝61.2kW</p><p>　　與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為kW。</p><p><b>　　六、爐子熱效率計(jì)算</b></p&

45、gt;<p><b>　　正常工作時的效率</b></p><p>　　由式（5 – 12）</p><p>　　η ＝＝54495.98/157488.67＝ 51.3%</p><p>　　在保溫階段，關(guān)閉爐門時的效率</p><p><b>　　η=＝</b></p>

46、<p><b>　?。?4.7%</b></p><p>　　七、爐子空載功率計(jì)算</p><p>　　P空＝＝＝9.87kW</p><p>　　八、空爐升溫時間計(jì)算</p><p>　　由于所設(shè)計(jì)爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計(jì)算，將爐墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單

47、獨(dú)計(jì)算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。</p><p><b>　　爐墻及爐頂蓄熱</b></p><p>　　＝2 ×[1.509×（15×0.067 + 0.135）×0.115]＝0.326m3</p><p>　?。剑?#215;［（0.869 + 0.115×2）×

48、（16×0.067+0.135）×0.115］＝0.305m3</p><p>　?。?.97×(1.509+0.276)×0.115＝0.199m3</p><p>　　＝2×[(1.509+0.115)×(15×0.067+0.135)×0.080]＝0.244m3</p><p>

49、　　＝２×[(0.87+0.115×2)×(16×0.067+0.135)×0.080]</p><p><b>　?。?.212m3</b></p><p>　　＝1.071×(1.509 +0.276)×0.08＝0.153m3</p><p>　?。?×[(1

50、5×0.067+0.135)×(1.509+0.115)×0.115]＝0.351m3</p><p>　?。?×[1.490×(16×0.067+0.135)×0.115]＝0.414m3</p><p>　　≈2.360×1.490×0.115＝0.404m3</p><p&g

51、t;　　由式（5 – 9）得</p><p>　　Q蓄＝V粘ρ粘c粘（t粘 – t0）+ V纖ρ纖c纖（t纖 – t0）+ V硅ρ硅c硅（t硅 – t0）</p><p>　　因?yàn)閠粘＝（t1 + t2墻）/2＝＝878.0℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c黏＝0.84 + 0.2

52、6×10-3t黏＝0.84 + 0.26×10-3×878.0</p><p>　?。?.07kJ/(kg·℃)</p><p>　　t纖＝（t2墻+t3墻）/2＝＝621.8℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c纖＝0.81+0.28×

53、;10-3t纖＝0.81+0.28×10-3×621.8</p><p>　?。?.98 kJ/(kg·℃)</p><p>　　t硅＝（t3墻+t4墻）/2＝＝253.8℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　c硅＝0.84+0.25×10-3t硅

54、＝0.84 + 0.25×10-3×253.8</p><p>　?。?.90kJ/(kg·℃)</p><p><b>　　所以得</b></p><p>　　Q蓄1＝（ + + ）ρ黏c黏（t黏 – t0）</p><p>　　+ （ + + ）ρ纖c纖（t纖 – t0）</p

55、><p>　　+ （ + + ）ρ硅c硅（t硅 – t0）</p><p>　?。剑?.326+ 0.305 + 0.199）×0.8×103×1.07×(878.0 – 20)</p><p>　　+ (0.244 + 0.212 + 0.153)×0.25×103×0.98×（621

56、.8 – 20）</p><p>　　+（0.351+ 0.414+ 0.404）×0.55×103×0.90×(253.8 – 20)</p><p>　?。?34672.9kJ</p><p><b>　　2.爐底蓄熱計(jì)算</b></p><p>　　＝[2×(0.0

57、2×0.12+0.113×0.065)+(0.04 + 0.0650.113+(0.113×0.12)]×1.045+(1.045 – 0.115×2)×（1.601– 0.115）×0.065</p><p><b>　　＝0.143m3</b></p><p>　?。?.601×1.0

58、79×0.05＝0.086m3</p><p>　?。?.601×1.079×0.182＝0.314m3</p><p>　　由于＝(t1 + t2底)/2＝＝867.1℃</p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　＝0.84+0.26×10-3＝0.84

59、+0.26×10-3×815.35＝2.15 kJ/(kg·℃)</p><p><b>　?。剑剑?74.8℃</b></p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　?。?.81+0.28×10-3＝0.81+0.28×10-3×674.8＝

60、1.00 kJ/(kg·℃)</p><p><b>　?。剑剑?09.4℃</b></p><p><b>　　查附表3得</b></p><p>　　＝0.84+0.25×10-3＝0.84+0.25×10-3×309.4＝0.92 kJ/(kg·℃)</p>

61、;<p><b>　　所以得</b></p><p>　?。?.143×2.1×103×1.08×(867.1– 20)+0.262×1.0×103×1.07×(867.1– 20)+0.176×0.25×103×1.00×(674.8 – 20)＋0.633

62、×0.5×103×0.918×(309.4－20)</p><p>　　＝625106.4 kJ</p><p><b>　　4、爐底板蓄熱</b></p><p>　　根據(jù)附表6查得950℃和20℃時低合金鋼的比熱容分別為c板2＝0.670 kJ/(kg·℃)和c板1＝0.473 kJ/(kg

63、·℃).經(jīng)計(jì)算爐底板質(zhì)量G＝242kg,所以有</p><p>　?。紾（c板2 t1 – c板1t0）＝242×(0.670×950 – 0.473×20)</p><p>　?。?51743.6 kJ</p><p>　　Q蓄＝Q蓄1++＝834672.9 + 625106.4+ 151743.6＝1611522.9 kJ

64、</p><p>　　由式 （5 -13）得空爐升溫時間</p><p><b>　　Τ升＝＝＝6.9h</b></p><p>　　對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3~8小時均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合要求。因計(jì)算蓄熱時是按穩(wěn)定計(jì)算的，誤差大，時間偏長，實(shí)際空爐升溫時間應(yīng)在4小時以內(nèi)。</p><p>　　九、功率的分配

65、與接線</p><p>　　65kW的功率平均分配在爐膛兩側(cè)和爐底，組成單相接法接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V</p><p>　　核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15 ~ 35kW/m2之間，常用為20 ～ 25kW/m2之間。</p><p>　　F電＝2F電側(cè) + F電底 ＝2×1.714×0.64

66、 + 1.714×0.869</p><p><b>　　＝3.74m2</b></p><p>　　W＝＝＝17.38符合要求。</p><p>　　十、電熱元件材料選擇及計(jì)算</p><p>　　由最高使用溫度950℃，選用02Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用380V單相接法</p>

67、<p><b>　　圖表法</b></p><p>　　由附表15查得0Cr25Al5電熱元件24kW箱式爐接線，直徑d=4.5mm時，其表面負(fù)荷為1.39W/cm2.每組元件長度L組＝51.0m,總長度L總＝153.0m，元件總質(zhì)量G總＝17.4kg</p><p><b>　　理論計(jì)算法</b></p><p&

68、gt;　　求950℃時電熱元件的電阻率ρt</p><p>　　當(dāng)爐溫為950℃時，電熱元件溫度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃時的電阻率ρ0＝1.40Ω·mm2/m,電阻溫度系數(shù)α＝4×10-5,則1100℃下的電熱元件電阻率為</p><p>　　ρt＝ρ20（1+αt）＝1.40×（1+4×10-5×1100）&l

69、t;/p><p>　　＝1.46Ωｔ·mm2/m</p><p>　　(2)確定電熱元件表面功率</p><p>　　由圖5 – 3，根據(jù)本爐子電熱元件條件取W允＝1.7W/cm2.</p><p>　　(3)每組電熱元件功率</p><p>　　由于采用三相接法，每組元件功率</p><p&

70、gt;<b>　　P組＝10kW</b></p><p>　　(4)每組電熱元件端電壓</p><p>　　由于采用三相接法，車間動力網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓</p><p><b>　　U組＝220V</b></p><p><b>　　(5)電熱元件直徑&l

71、t;/b></p><p>　　線狀電熱元件直徑由式（5 – 24）得</p><p>　　d＝34.3＝34.3＝4.4mm</p><p><b>　　取d＝7.5mm</b></p><p>　　(6)每組電熱元件長度和重量</p><p>　　每組電熱元件長度由式（5 – 25）得&

72、lt;/p><p><b>　　L組＝51.23</b></p><p>　　每組電熱元件質(zhì)量由式（5-26）得</p><p><b>　　G組＝d2L組ρM</b></p><p>　　式中，ρM由附表12查得ρM＝7.1g/cm3</p><p><b>　　所以

73、得</b></p><p>　　G組＝d2L組ρM＝4.42×51.23×7.1×10-3</p><p><b>　?。?.53kg</b></p><p>　　(7)電熱元件的總長度和總質(zhì)量</p><p>　　電熱元件總長度由式（5 – 27）得</p>&l

74、t;p>　　L總＝3L組＝153.69m</p><p>　　電熱元件總質(zhì)量由式（5 – 28）得</p><p>　　G總＝3G組＝16.58kg</p><p>　?。?）校核電熱元件表面負(fù)荷</p><p><b>　　W實(shí)＝1.67</b></p><p>　　W實(shí)<W允，結(jié)果

75、滿足設(shè)計(jì)要求</p><p>　?。?）電熱元件在爐膛內(nèi)的布置</p><p>　　將3組元件分成6折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則有</p><p><b>　　L折＝8.54mm</b></p><p>　　布置電熱元件的爐壁長度</p><p>　　L’＝L – 50＝1277– 50＝122

76、7mm</p><p>　　絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000℃，由表5 -5 可知，螺旋節(jié)徑D＝（4 ～ 6）d</p><p>　　取D＝5d＝5×4.5＝22.5mm</p><p>　　螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為</p><p>　　N＝120圈 h＝10.23</p&g

77、t;<p>　　h/d=10.23/4.52.27</p><p>　　按規(guī)定，h/d在2~4范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求</p><p>　　根據(jù)計(jì)算，選用三相方式接線，采用d＝4.5mm所用電熱元件重量最小，成本最低。</p><p>　　電熱元件節(jié)距h在安裝時適當(dāng)調(diào)整，爐口部分增大功率。</p><p>　　電熱元件引出棒材料選用1

78、Cr18Ni9Ti，φ＝12mm,l＝500mm.</p><p><b>　　電熱元件圖（略）</b></p><p>　　爐子構(gòu)架，爐門啟閉機(jī)構(gòu)和儀表圖（略）</p><p>　　爐子總圖，主要零部件圖及外部接線圖（略）</p><p><b>　　爐子技術(shù)指標(biāo)</b></p>&

79、lt;p>　　額定功率：65kW 額定電壓：380V</p><p>　　最高使用溫度：950℃ 生產(chǎn)率：91.67kg/h</p><p>　　相數(shù)：3 接線方法：Y</p><p>　　工作室有效尺寸：1000X500X400 出廠日期：</p>