熱處理爐課程設(shè)計(jì)

1、熱處理電阻爐設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)（見(jiàn)教材80頁(yè)）二、 爐型選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給出的生產(chǎn)特點(diǎn)，選用中溫（6501000）箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保護(hù)氣氛，為空氣介質(zhì)。三、 確定爐膛尺寸1. 理論確定爐膛尺寸（1） 確定爐底總面積爐底總面積的確定方法有兩種：實(shí)際排料法和加熱能力指標(biāo)法。本設(shè)計(jì)用加熱能力指標(biāo)法來(lái)確定爐底面積。已知爐子生產(chǎn)率，按教材表5-1選擇適用于淬火、正火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產(chǎn)率。因此，爐子的爐底有效面積（可以擺放工件的面積）可按下式計(jì)算：通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.750.85之間選擇。爐子小取小值；爐子大取大值。本設(shè)計(jì)取中值0.8，則爐底總面積為， （2）

2、確定爐膛的長(zhǎng)度和寬度爐底長(zhǎng)度和寬度之比在3/22之間選擇?？紤]到爐子使用時(shí)裝、出料的方便，本設(shè)計(jì)取，則爐子爐底長(zhǎng)度和寬度分別為:（3） 確定爐膛高度爐膛高度和寬度之比在0.50.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大值。本設(shè)計(jì)取中值0.7，則爐膛高度為：2. 實(shí)際確定爐膛尺寸為方便砌筑爐子，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（230×113×65mm），并考慮砌縫寬度（砌磚時(shí)兩塊磚之間的寬度，2mm）、上、下磚體應(yīng)互相錯(cuò)開(kāi)以及在爐底方便布置電熱元件等要求，進(jìn)一步確定爐膛尺寸。依據(jù)理論計(jì)算的爐膛長(zhǎng)度、寬度和高度，進(jìn)一步確定爐膛尺寸如下：； 注意：實(shí)際確定的爐膛尺寸和理論計(jì)算的爐膛尺寸不要差別太大

3、。3. 確定爐膛有效尺寸為避免熱處理工件與爐膛內(nèi)壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發(fā)生碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁保持一定的距離。工件應(yīng)放置的爐膛的有效尺寸內(nèi)。爐膛有效尺寸確定如下：四、 爐襯材料的選擇及其厚度的確定爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算應(yīng)滿(mǎn)足在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，爐殼溫度小于60。由于爐子外壁和周?chē)諝庵g的傳熱有輻射和對(duì)流兩種方式，因此輻射換熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱(chēng)為綜合傳熱系數(shù)。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部分外壁對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)不同（見(jiàn)教材附表2），所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進(jìn)行計(jì)算。1. 爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算爐子的兩邊側(cè)墻和前后墻可采用相

4、同的爐襯結(jié)構(gòu)，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門(mén)看作前墻的一部分。設(shè)爐墻的爐襯結(jié)構(gòu)如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是60mm厚、密度為350kg/m³的普通硅酸鹽耐火纖維氈和230mm厚的A級(jí)硅藻土磚（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4）。這種爐襯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿(mǎn)足爐墻外壁溫度小于60，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。在爐墻內(nèi)壁溫度950、爐殼周?chē)諝鉁囟?0的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過(guò)爐墻向周?chē)諝馍岬臒崃髅芏葹椋?) 的確定分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的厚度（m）。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則的厚度為：；。2)

5、，的確定分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/m·）;是爐殼對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度850，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度620，爐墻外殼溫度55<60。如圖所示。l 求輕質(zhì)粘土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3，可得輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）的平均導(dǎo)熱率為：（為平均溫度） =0.485 W/m·l 求硅酸鹽耐火纖維氈的平均導(dǎo)熱率硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據(jù)教材附表4查得，密度為350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈700、10

6、00的熱導(dǎo)率分別為0.121 W/m·和0.122 W/m·。在7001000溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線(xiàn)性關(guān)系。則有： W/m·l 求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3，可得A級(jí)硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率為： =0.183 W/m·l 求爐墻外殼對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為55，周?chē)諝鉃?0時(shí)，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時(shí)，對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)為： W/m²·3) 求熱流密度將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：4) 驗(yàn)算各界面溫度和爐墻外殼溫度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求l 輕質(zhì)粘土磚

7、和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度為：相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：；相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 爐墻外殼溫度為：5860；因爐墻外殼溫度小于60，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。若實(shí)際計(jì)算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。2. 爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算設(shè)爐頂?shù)臓t襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是厚度60mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和厚度113mm的膨脹珍珠巖。在爐頂內(nèi)壁溫度950、爐殼周?chē)諝鉁囟?0的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過(guò)爐頂向周?chē)諝馍?/p>

8、熱的熱流密度為：1) 的確定分別是輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）、普通硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的厚度。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則的厚度為：；。2) 的確定分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率（W/m·）;是爐頂外殼對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出和，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度860，硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖之間的界面溫度580，爐頂外殼溫度55<60。l 的確定l 的確定l 的確定l 的確定3) 熱流密度的計(jì)算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：4) 驗(yàn)算界

9、面溫度和爐頂外殼溫度l 輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度為：相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：；相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 爐頂外殼溫度為：5760；因爐頂外殼溫度小于60，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。若實(shí)際計(jì)算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。3. 爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算設(shè)爐底的爐襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是（65+2）×3=201mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN0.8），保溫層是厚度80mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和（113+2）+（65+2）×2=2

10、49mm厚的A級(jí)硅藻土磚。在爐底內(nèi)壁溫度950、爐殼周?chē)諝鉁囟?0的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過(guò)爐底向周?chē)諝馍岬臒崃髅芏葹椋?) 的確定分別是輕質(zhì)粘土磚（QN0.8）、普通硅酸鹽耐火纖維氈和A級(jí)硅藻土磚的厚度。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則的厚度為：；。2) 的確定分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級(jí)硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/m·）;是爐底外殼對(duì)周?chē)諝獾木C合傳熱系數(shù)（W/m·）。要求出和，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度810，硅酸鹽耐火纖維氈和A級(jí)硅藻土磚之間的界面溫度560，爐底外殼溫度55<60。l 的確定l

11、的確定l 的確定l 的確定3) 熱流密度的計(jì)算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：4) 驗(yàn)算界面溫度和爐底外殼溫度l 輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度為：相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：；相對(duì)誤差為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不必重算。l 爐底外殼溫度為：57.760；因爐底外殼溫度小于60，故爐底爐襯材料及其厚度的選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。若實(shí)際計(jì)算后，外殼溫度大于60，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。五、 爐子外形尺寸的確定和砌體平均表面積的計(jì)算1. 爐子外形尺寸的確定1) 爐子外形長(zhǎng)度爐子的外形長(zhǎng)度為爐膛長(zhǎng)度加上兩倍爐墻厚度，

12、其值為：2) 爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：3) 爐子外形高度爐子的外形高度由以下五部分組成（圖5-8右圖）：爐膛高度、拱頂高度、爐頂厚度、爐底厚度和爐底預(yù)留安裝電熱元件所需的高度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐頂厚度、爐底厚度已經(jīng)求出。若爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑，則拱頂高度可由下式求出：;為方便砌筑，預(yù)留安裝電熱組件所需的高度及爐底板厚度可取65+2=67mm。綜合以上五部分的高度，爐子外形高度為：;2. 砌體平均表面積的計(jì)算爐子砌體平均表面積的計(jì)算方法有兩種：算術(shù)平均值和幾何平均值。本設(shè)計(jì)采用幾何平均計(jì)算法。此方法首先需要算出爐子內(nèi)壁和外壁

13、的面積。1) 爐頂平均表面積的確定爐頂內(nèi)壁是弧面，內(nèi)壁面積為：；爐頂外壁是平面，外壁面積為：則爐頂平均面積為：2) 爐墻平均表面積的確定爐墻包括兩側(cè)墻和前、后墻。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門(mén)視作前墻，則爐墻平均面積為： =3.523) 爐底平均表面積的確定爐底平均面積為： 六、 用熱平衡計(jì)算法計(jì)算爐子功率熱平衡計(jì)算法是根據(jù)爐子的輸入總功率等于各項(xiàng)能量消耗總和的原則，來(lái)確定爐子功率的方法。1. 爐子的主要能量消耗項(xiàng)1) 加熱工件所需要的熱量由教材附表6查得，低合金鋼在950和20時(shí)的比熱容分別為：kJ/(kg·)和0.486kJ/(kg·)，熱處理爐的生產(chǎn)率，則加熱工件所需要的熱量為;

14、 =35669kg/h2) 通過(guò)爐襯的散熱損失通過(guò)爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分，有： 3) 開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失這部分熱損失可由下式求得：式中黑體輻射系數(shù)； 爐門(mén)開(kāi)啟面積。爐子正常工作時(shí)，爐門(mén)開(kāi)啟高度為爐膛高度的一半，故； 遮蔽系數(shù)。開(kāi)啟的爐門(mén)是拉長(zhǎng)的矩形，開(kāi)啟高度為，它與爐墻厚度之比為，查教材圖1-14曲線(xiàn)1得=0.56； 爐門(mén)開(kāi)啟率。設(shè)裝、出料所需時(shí)間為每小時(shí)6分鐘，則爐門(mén)開(kāi)啟率為0.1； 爐氣的熱力學(xué)溫度，為950+273=1223K； 爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為20+273=293K，將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得： 4) 開(kāi)啟爐門(mén)的溢氣熱損失對(duì)于一般的箱式電阻爐，爐門(mén)開(kāi)啟后要吸入

15、冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需要的熱量作為該項(xiàng)熱損失，即有：式中爐子吸入的冷空氣量。對(duì)空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高度的一半。由教材（58）式得： 20冷空氣的密度，為1.29； 空氣在（即20950）溫度間的平均比熱容。就本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是平均溫度（950+20）/2=485的比熱容。查附表10可知，空氣在400、500的比熱容分別為1.3302kJ/(m³.)和1.3440 kJ/(m³.)。可認(rèn)為空氣比熱容在此溫度區(qū)間的變化呈線(xiàn)性關(guān)系，即有： kJ/(m³.) 爐門(mén)開(kāi)啟率。0.1。 溢氣溫度，近似為。將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開(kāi)啟爐門(mén)的溢氣熱損失為：5)

16、其它熱損失此項(xiàng)熱損失包括未考慮的各種熱損失和一些不易精確計(jì)算的各種熱損失。就箱式電阻爐來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)熱損失可取以上各項(xiàng)熱損失之和的10%20%。本設(shè)計(jì)取15%，該項(xiàng)熱損失為：2. 爐子的理論輸入功率根據(jù)熱平衡計(jì)算法，在理論上爐子的輸入功率應(yīng)為上述各項(xiàng)能量消耗的總和，即： =35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(kJ/h)3. 爐子的安裝功率上面計(jì)算的爐子輸入功率（即各項(xiàng)能量消耗總和）是維持爐子正常工作必不可少的熱量支出。但在實(shí)際生產(chǎn)中還需考慮一些具體情況，如爐子長(zhǎng)期使用后爐襯局部損壞會(huì)引起熱損失增加，電壓波動(dòng)、電熱組件老化會(huì)引起爐子功率

17、下降，有時(shí)工藝制度變更要求提高爐子功率。這些具體情況要求爐子功率應(yīng)有一定的儲(chǔ)備，爐子的實(shí)際功率應(yīng)比理論計(jì)算功率大，因此爐子的安裝功率為：式中功率儲(chǔ)備系數(shù)，對(duì)周期作業(yè)爐，。本設(shè)計(jì)可取1.4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得：取爐子的安裝功率為30kW。七、 爐子熱效率的計(jì)算1. 正常工作時(shí)的熱效率由教材5-12式得，爐子正常工作時(shí)的熱效率為：一般電阻爐的熱效率在30%80%之間。本設(shè)計(jì)的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。2. 保溫時(shí)關(guān)閉爐門(mén)的熱效率保溫關(guān)閉爐門(mén)時(shí)，無(wú)輻射熱損失和溢氣熱損失，此時(shí)爐子的熱效率為：3. 爐子空載功率的計(jì)算爐子空載時(shí)，能量消耗項(xiàng)只有兩項(xiàng)：通過(guò)爐襯的散熱損失和其它熱損失，此時(shí)爐子

18、的功率為：八、 功率的分配和接線(xiàn)方法爐子的安裝功率為30kW。電熱元件采用三相星形接法，也稱(chēng)“Y”接法（如圖所示）。即將電熱元件分為3組，每組10 kW，爐墻兩側(cè)各布置1組電熱元件，爐底布置1組電熱元件。九、 校核爐膛內(nèi)壁表面負(fù)荷（選做）十、 電熱元件材料的選擇和理論計(jì)算1. 電熱元件材料的選擇爐子的最高使用溫度為950，可選用0Cr25Al5合金絲材，繞制成螺旋管狀作為電熱元件。2. 爐膛950時(shí)電熱元件的電阻率爐子正常使用時(shí)，電熱元件的溫度比爐膛溫度高100200。當(dāng)爐膛溫度為950，電熱元件的溫度取1100。由教材附表12得，0Cr25Al合金20時(shí)的電阻率，電阻溫度系數(shù)，則1100時(shí)電熱元件的電阻率為：3. 確定電熱元件的允許表面負(fù)荷由教材圖5-3（a），根據(jù)設(shè)計(jì)的爐子的工作條件，取電熱元件的允許表面負(fù)荷。4. 每組電熱元件的功率和端電壓由于采用三相星形即“Y”接法，電熱元件可分為三組。每組電熱元件的功率為：。采用“Y”接法，