1、目 录一 设计任务 2二 炉型的选择 2三 炉膛尺寸的确定 2四 炉体结构设计与材料选择 4五 电阻炉功率的计算 8 六 电热元件的设计 14七 参考资料 20试验设计及计算 数据及结果一、设计任务设计要求：1、低合金钢调质用炉；2、最大生产率 75kg/h；3、画出总装图；4、画出炉衬图；5、画出炉壳图；6、画出电热元件接线图；7、写出设计说明书。二、炉型的选择热处理的工件材料：碳钢、低合金钢；热处理工艺：调质处理。对于碳钢和低合金钢奥氏体化最高温度为【912+(3050)】，回火的最高温度为 650，故选择中温炉即可，同时工件尺寸和形状没有特殊规定也不是长轴类，则选择箱式炉，并且无需大批量
2、生产、品种多、工艺用途多，所以选择周期式作业。综上所述，决定选择周期式中温箱式电阻炉，不通保护气氛，炉子最高使用温度为 950。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸由于无典型工件，无法按排料法确定，故采用炉底强度指标法计算，即根据炉子的生产率及生产能力来计算。中温箱式电阻炉（1）炉底有效面积：查参考文献【1】表 2-1 得，G h=100kg/（m 2h）F 效 = = =0.75m2hg件 1075（2）炉膛有效尺寸：L 效 = 效）（ F5.2L 效 = =1.39m=1390mm6170取 L 效 =1390mm，（3）炉膛有效宽度：B 效 = 效（ F2/3)1B 效 = =0.541=
3、541mm75.08取 B 效 =550mm（4）根据参考文献【1】表 2-2 选择标准尺寸为139055045/12mm 的炉底板，炉底板材料为 Cr-Mn-N故 L 效 =1390-100=1290mm，B 效 =550mm2、炉膛内腔砌墙尺寸 取直行砖炉膛宽度：B 砌 =B 效 +2（0.10.15） B 砌 =5.5+20.15=580mm取 B 砌 =1208+409=1320 mm 炉膛长度：L 砌 =L 效 +0.1=1.8+0.1=1900mm取 L 砌 =5136+200=2036mmL 效 =1390mmB 效 =550mmB 砌 =1320mmL 砌 =2036mm炉膛内
4、高度：H 砌 =（0.50.9）B 砌 H 砌 =0.71320=854mm取 H 砌 =6712+35+37=876mm选择 12 层四、炉体结构设计与材料选择（一） 、选择炉衬材料部分炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；（2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）要保证炉壳表面温升小于 50，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。（二） 、炉体结构设计和尺寸本炉设计为三
5、层炉壁（如右图所示）内层选用 RNG-0.6 型轻质粘土砖，其厚度 S1=115mm；H 砌 =876mmn=12 层中间层选用密度为 120 kg/ m3硅酸铝耐火纤维，其厚度为S2=40mm；最外层选用 B 级硅藻土砖为骨架，膨胀蛭石粉进行填充。查文献【2】表 1-5、1-9 知：RNG-0.6 型轻质粘土砖：密度 1=800【kg/ m 3】热导率 1=0.165+0.19410-3t 均 【w/(m)】比热容 C1=0.836+0.26310-3t 均 【KJ/（kg） 】硅酸铝纤维：密度 2=120【kg/ m 3】热导率 2=0.032+0.2110 -3t 均 2【w/(m)】比
6、热容 C2=1.1【KJ/（kg） 】膨胀蛭石粉：密度 3=250【kg/ m 3】热导率 3=0.077+0.2510-3t 均 【w/(m)】比热容 C 3=0.6573【KJ/（kg） 】 01=0.294，b 1=0.2110-3； 03=0.077，b 3=0.2510-3当 t4=60时，由文献【2】表 2-12 查得 =12.17【W/()】 q=12.17（60-20）=486.8（W/）将上述各数据代入公式得： 15.0846951.0194.05194.0265.1.0 2.t 3322 qstbb= 779（）为了计算 2的值，先假设 t3=661，由此得硅酸铝纤维的平均
7、热导率的近似值= =0.178【w/(m)】21.03.230796 = 3t2sq8.469014.因为 %53.690%103 t故合理。由 可得保温层的厚度：4303435.tbtqsm9.20 601025.07.6186 33 取 230mm（三） 、炉顶的设计炉顶的结构有平顶、拱顶和悬顶三种。炉膛宽度小于 400到 600mm 的小型炉子，如振底式炉、输送带式炉常常采用平顶。当炉膛宽度为 600 到 3000mm 时，可采用拱顶，拱角可用 60和 90，其中使用最多的是 60。因为炉膛宽度为 1320mm，故采用拱顶，拱角为 60的标准S1=115mmS2=40mmS3=230mm
8、t1=950t2=779t3=661t4=60采用拱顶，拱角 60的标准拱顶拱顶。拱顶是炉子最容易损坏的部位，受热时耐火砖发生膨胀，造成砌筑拱顶时，为了减少拱顶向两侧的压力，应采用轻质的楔形砖和标准直角砖混合砌筑。故选用厚楔形砖 T-37，供脚砖采用 TJ-91。（四） 、炉底的设计炉底采用一层 113mm 硅藻土砖填充蛭石粉，再平铺一层67mm 的 QN-0.6 轻质粘土砖，一层 67mm 的 B 级硅藻土砖，最上层采用 230mm 的重质高铝砖和 8 块加热元件搁砖支持炉底板，炉底板采用 Cr-Mn-N 耐热钢，厚度为 12mm。（五） 、炉门框的设计炉门框的大小主要取决于工件的大小，要保
9、证工件装、出炉操作方便，使工件装、出炉时不至于碰撞电热体并应减少炉膛向外的辐射损失。通常，炉口的尺寸应比炉膛稍小，故选择 B 框 H框 =1000mm700mm 的炉门框。采用 230mm 轻质耐火粘土砖（6） 、炉门的设计H 效 =0.7B 效 =0.71320=876mmH 效 =6712+33=837mm 炉门尺寸为 B 门 H 门 =B 效 H 效 =1020mm837mm 。（七） 、炉体框架与炉壳的设计炉体外廓尺寸：L 外 =L 砌 +115+40+230+230 框框 1000700mm 门门 B1020mm837mm=2036+230+115+60+220=2642mmB 外
10、=B 砌 +2（115+40+230）=1320+2（115+40+230）=2090mm H 弧 =B 砌 - B 砌 Cos30=1320-1320Cos30=178mmH 外 =H 砌 +（115+40+230）+ H 弧 +（115+67+67+230）=876+115+40+230+178+115+67+67+230=1985mm五、电阻炉功率的计算本炉采用理论设计法，通过炉子的热平衡来确定炉子的功率。其原理是炉子的总功率即热量的收入，应能满足炉子热量支出的总和。具体计算如下：1、 加热工件的有效热量 件Q件件 Q其中， 炉子生产率 200kg/h件g工夹具加入炉前和加热终了的温度，
11、、 1分别为 20和 950工件在 时的平均比热容、 1C 、 【KJ/（kg） 】查参考文献【】表得低合金钢在 20时，比热容为 493.9 J/（kg）,950时为 678.9J/（kg）将其代入上式得： 20493.506789.02件QL 外 =2642mmB 外 =2090mmH 外 =1985mm 件127015 KJ/h=127015 KJ/h2、 加热辅助工夹具所需的热量 辅Q因为设计的是箱式炉，一般没有辅助加热工具，故：0辅3、 可控气氛吸热量 控因为未通入可控气氛，故： 0控Q4、 通过炉衬的散热损失 散炉衬的散热损失即炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到车间的热损失。在炉
12、衬传热达到热稳定的情况下通过炉墙的散热损失，可按下式计算：（式 1）6.31t03m21m01FSFSQ散式中： 分别为炉内壁温度 950和炉外车间温度0t、20各层材料的平均热导率【w/(m)】321、均t31094.65.0w/(m)3.02795.1. 32102.03. 均tw/(m)145.0697230辅Q控均t1025.07.33w/(m)170.2693m S2=0.04m S3=0.23m15.0S炉壳外表面对空气的综合传热系数【w/(m)】查参考文献【2】表 2-12 可得 w/(m)17.2各层平均面积（m 2） 3m21F、炉壳外表面积（m 2）0各层平均面积如下近似计
13、算：当 时， ；当 时，21F21Fm1212lnFm其中，砌砌砌砌砌砌 LBHLB21（）26.10372.1876.03.2876.03. 11 1112222SLB SHSLHF 砌砌 砌砌砌砌=15.47（）212121 2121213 SLSBSHHF 砌砌砌 砌砌砌=17.08（）321321 3213214 SLSBHLF砌砌 砌砌 砌砌=27.85（） F 2/F12，F 3/F22，F 4/F32 （）6.17.56.1 m（）2.208.4.1232F（）46.5.7.43 mF0=F4=27.85（）将以上数据代入式（1）解得 Q 散 =31704.5（KJ/h）5、炉衬
14、材料的总蓄热量 蓄12tCV蓄Q式中，V炉衬砌体的体积（m 3）炉衬加热前后的平均温度（）21t、炉衬材料的体积密度（Kgm 3）C1、C 2炉衬加热前后的平均比热容【KJ/（kg） 】散Q31704.5 KJ/hKJ/（Kg）8412.01263.08.0 C均t1KJ/（Kg）06.1279510263.8.0KJ/（Kg）1.C2KJ/（Kg）573m35.2876.031 Vm382V3=4.51m3V4=9.34 m3m352.13.87.121 m3640543m37.94V 1=600Kg/m3 2=120Kg/m3 1=250Kg/m3各层的蓄热量: 01tC1 蓄QKJ 4.
15、81062841.27956.05. 同理 Q 蓄 2=56628.0 KJ Q 蓄 3=280009.0KJ总蓄热量 Q 总 =Q 蓄 1+ Q 蓄 2+ Q 蓄 3=1146705.4KJ6、开启炉子的辐射热损失 辐（KJ/h）t4241F6.075. T辐总蓄热量 Q总 =1146705.4 KJ式中， 炉膛内部的绝对温度（K） ，1223K1T炉外空气绝对温度(K),293K2炉门开启的面积（）F炉口开启尺寸 1020mm837mm，即面积为 0.85炉口辐射遮蔽系数，查参考文献【2】图 2-16 得=0.83炉门开启率（%） ，开炉门时间设每小时 3 分钟即t得 05.63t将其数据
16、代入上式得：Q 辅 =12277.2KJ/h7、开启炉门的溢气热损失 Q 溢（KJ/h）t21TVC溢式中，V进入炉内的空气流量（m 3/h）C空气的平均比热容【KJ/（K） 】 ，为 1.4 KJ/（K）炉子内外的温度，分别为 950和 2021T、炉门开启率，为 0.05t而 V=2200BH （m 3/h） ，B 为炉门宽度（m） ，H 为炉门开H启高度（m）辐Q12277.2KJ/h溢Q43743.1KJ/h它Q故 t21TCHB20溢Q1.43705.2954.837.0.3.1 KJ/h 8、其它热损失 Q 它Q 它 =0.5Q 散 =22193KJ/h9、炉子每小时的总热量支出它
17、溢辐散控辅件总 Q=236930.9KJ/h10、将总热量换算成计算功率 计PKW8.65309.26总计 QP11、炉子的装备功率 安计计安 PK.1=1.37665.8=90.23 KW90KW12、电阻炉热效率 的校核%536.012369075%10总件Q一般电阻炉的热效率为 40%80%，故符合要求。13、空炉升温时间的校核h 符合要求。78.390362.10安蓄升 P14、电阻炉的空载功率 空22193KJ/h总Q236930.9KJ/hP 安 =90KW %6.53h78.3升P 空 =14.97KWKW97.14360.25.174360它散空 QP符合要求六、电热元件的设计
18、（一） 、电阻功率的分配因功率为 90KW，均匀分布在炉膛前后两个区。采用双星形接线法，供电电压为 380V。（二） 、电阻元件材料的选择选用 0Cr25Al5 线状电热元件 （三） 、电热元件的设计1、供电电压和接线供电电压为三相 380V，双星形联接。KW152390nP安V8U2、确定电热元件直径 d 32t.4允WP式中， 元件功率（KW） ，15KWPU元件端电压（V） ，220V工作温度下的电阻（ .mm2/m）t元件的允许表面负荷率（W/cm 2） ，查参考文允WP=15 KWU=220 V献【1】表 7-4 可得： =1.6 W/cm2允W其中， （ .mm2/m）tt10式中
19、， 元 件 在 0 时 的 电 阻 率 （ .mm2/m）元 件 的 电 阻 温 度 系 数 （ 1/ ）t元 件 的 工 作 温 度 （ ） ， 它 比 炉 子 的 额 定 温度 高 100 200 ， 此 处 选 为 1100 。故 .mm2/m54.5tt将数据代入得：d=6.53 mm取 d=7mm3、每根电热元件长度 L 和总长度 L 总mt23-PdU10.785式中，U元件端电压（V） ，220VP元件功率（KW）,24KWd元件线材直径（mm）,7mm工作温度下的电阻率（ .mm2/m） ，t1.45 .mm2/m故 L=82mm4926n总W/cm3，符合要求。6.1.873
20、.150dLP2 W4、计算电热元件的重量 M 和 M 总查参考文献【2】表 3-17 知，直径为 7mm 的 0Cr25Al5 电热d=7mmL 总 =492mk916.58总Mg元件重量为 0.323kg/m，则：kg486.23.0Mkg915.6总（四）电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，均匀布置于两侧墙及炉底，分为前后两个区，侧墙为 16 层，炉底为 16 层。1、炉墙每排电热元件的展开长度：m83.612L每排电热元件的搁砖长度：L2=36512=918 mm电热元件螺旋直径 D ：查参考文献【2】表 3-19 选择 D=5d，即D=57=35mm每排电热元件的圈数：圈623
21、514.086DLn电热元件螺旋节距：mm8.14629nLh按 h=（24）d 校验 h：，符合要求。1.278h2、炉底每排电热元件的展开长度：L1=6.83mD=35mmn=62 圈h=14.8mmm125.LL2=943.5mm=35mmDn=41 圈m125.681L每排电热元件的搁砖长度：L2=943.5mm电热元件螺旋直径 ：D查参考文献【2】表 3-19 选择 ，即 D,=35mmd5每排电热元件的圈数：圈41DLn电热元件螺旋节距：mm23nLh按 h=（24）d 校验 h：，符合要求。8.3h（五） 、电热元件引出棒及其套管的设计与选择1、引出棒的设计引出棒必须用耐热钢或者
22、不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用 1Cr18Ni9Ti；=20mm；丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。引出棒长度：mm48502341520引L2、保护套管的选择根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计及炉墙尺寸引出mm23hL 引 =485mm SND724020 号保护套管棒直径，因为 mm，引出棒的直径37520415侧 墙Ld=20mm，所以选用 SND724040 号套管，高铝矾土，重量0.4kg。套管直径为：mm25内dmm，长度 250mm。40外（六） 、热电偶及其保护套管的设计与选择1、热电偶的选择由于炉内最高的温度为 950.长期使用的温度在 1000以下，
23、所以选用镍铬-镍硅热电偶。选用型号 WRN-520 的镍铬-镍硅热电偶，保护管规格选择，外径 20mm，插入长度为 500mm。保护材料为双层瓷管。2、热电偶保护套管的选择=115+40+230=385mm。热电偶外径为 20mm，插入长度为炉 顶L500mm。根据这些条件，应该选用 SND724002,高铝矾土，重量0.3kg。 mm、 mm，长度为 250mm。测温热电偶与控温16内d30外d热电偶均选用此保护套管即可。SND724002号保护套管参考文献1、 华小珍.热处理炉.南昌航空大学出版.20082、 华小珍、崔霞.热处理炉课程设计指导.南昌航空大学出版.20083、 吉泽升.热处理炉.哈尔滨工业大学出版.2000
