1、- 0 -目 录一、设计任务1、专业课程设计题目12、专业课程设计任务及设计技术要求1二、炉型的选择1三、炉膛尺寸的确定11、炉膛有效尺寸（排料法）11.1 确定炉膛内径 D 11.2 确定炉膛有效高度 H 21.3 炉口直径的确定 21.4 炉口高度的确定 - 1 - 3四、炉体结构设计 31、炉壁设计 32、炉底的设计53、炉盖的设计64、炉壳的设计7五、电阻炉功率的确定71、炉衬材料蓄热量 Q 蓄 7 82、加热工件的有效热量 Q 件 9 3、工件夹具吸热量 Q 夹 10 4、通过炉衬的散热损失 Q 散 - 2 - 105、开启炉门的辐射热损失 Q 辐 126、炉子开启时溢气的热损失 Q
2、 溢 127、其它散热 Q 它 138、电阻炉热损失总和 Q 总 13 9、计算功率及安装功率13六、技术经济指标计算131、电阻炉热效率132、电阻炉的空载功率143、空炉升温时间14- 3 -七、功率分配与接线方法141、功率分配142、供电电压与接线方法14八、电热元件的设计151、I区152、II 区和 III区163.电热元件引出棒及其套管的设计与选择184.热电偶及其保护套管的设计与选择18参考书目19- 4 - 0 -一、设计任务1、专业课程设计题目： 中温井式电阻炉设计2、专业课程设计任务及设计技术要求：（1）1301800 低合金钢调质用炉；（2）每炉装 12 根；（3）画出
3、总装图（手工）；（4）画出炉衬图；（5）画出炉壳图；（6）画出电热元件接线图；（7）撰写设计说明书。二、炉型的选择因为工件材料为低合金钢，热处理工艺为调质，对于低合金钢调质最高温度为900+(3050)，所以选择中温炉（上限 950）即可，同时工件为圆棒长轴类工件，因而选择井式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉，最高使用温度 950。三、炉膛尺寸的确定1、炉膛有效尺寸（排料法）1.1 确定炉膛内径 D工件尺寸为 1301800,装炉量为 12 根，对长轴类工件，工件间隙要大于或等于工件直径；工件与料筐的间隙取 100200mm。炉膛的有效高度
4、取工件的长度加150250mm。- 1 -排料法如图所示：则： 226Ddd代入数据计算得 D = 952.19mm=D+2(100200)=1200mm效又因炉壁内径比料筐大 200300mm故取： =1500mm砌查表得可用砌墙砖为BSL427138 (A=168,B=190.8,R=765,r=675)型轻质粘土扇形砖。由该砖围成的炉体的弧长为：S= D=3.141500=4710mm砖的块数为：4710168=28.04 块，取整后 N=28对 D 进行修正得：D 砌 =281683.14=1498.09mm，取 1500mm1.2 确定炉膛有效高度 H由经验公式可以得知，井式炉炉膛有
5、效高度 H 应为所加热元件（或者料筐）的长度的基础上加 0.10.3m。H 效 =1800+250=2050mmH= H 效 +250=2300mm由于电阻炉采用三相供电，放置电热元件的搁砖应为 3n 层，H 砌 =3n(65+2)+67,取整后取 n=11再将 n=11 代入上式，得 H 砌 =2280mm选用代号为 SND-427-09 的扇形搁砖每层搁砖数目为 N= D 砌 50=94.2，取整为 94 块。1.3 炉口直径的确定D 效 =1200mm，由于炉口用斜行楔形砖故有 ，将 D 效 =1200mm 代入，得 N=32.76，取整后(132)N=1200mmD效=1500mm砌砖
6、的块数:N=28修正后：=1500mmD砌搁砖 33 层H 砌 =2280mm每层搁砖数目：N=94到 D 炉口=1210mm。- 2 -N=33，再将 N=33 代回上式，则得到 D 炉口 =1210mm。1.4 炉口高度的确定按一般的设计原则，炉口可由斜行楔形砖和三层直行砖堆砌而成。故 H 炉口 =（65+2）3+32=233mm四、炉体结构设计炉体包括炉壁、炉底、炉盖、炉壳几部分。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
7、下，应尽量选用轻质耐火材料；（3）耐火、隔热保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则会降低使用寿命；（4）要保证炉壳表面温升小于 60，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。1、炉壁设计炉壁厚度可采用计算方法确定，下图为井式炉炉壁三层结构，H 炉口 =233mm- 3 -第层为耐火层，其厚度一般为 90mm，采用轻质粘土砖 RNG-0.6；第层为耐火纤维层，其厚度设计为 x mm，采用 3120kgm的普通硅酸铝纤维毛毡；第层为保温层，采用 A 级硅藻土砖架构中间填充膨胀蛭石粉，其厚度设计为 115mm。在稳定传热时，对各炉衬热流密度相同。根据课本的公式结合查表，可得： ，炉壁温
8、度 60，室温 20是 ，40qt 2=1.wmCA所以 286.wmRNG-0.6 型轻质粘土砖：密度 ；310kg热导率 ；3.65.190twmCA均比热容 。1C82gKJ均硅酸铝纤维：密度 ；3120kg热导率 ；3210twmCA均 比热容 。2CKJA膨胀蛭石粉：密度 ；3150kgm热导率 ；33.7.210twCA均比热容 。C6KJ由 代入数据得：222111(0.5)tbtqSb233223.6.90(.51905.0.9486)t =820190Sm315S=200t=604t=9501=8202t- 4 -接下来使用迭代法计算 t3，先假设 t3=450。则有： 3
9、45060.7.21.14wm2CA根据公式 334+stq代入数据得： 30.156847t验证迭代结果： 5%满足条件。457%.90故取 3tC所以得到： 31 5082.65.1.3wmCA22 34080.().7A37. 04 取整得： =100mm23417(56).9588.tSq2s2、炉底的设计炉底结构通常是在炉底壳部的钢板上用珍珠岩砖或硅藻土砖砌成方格子，各格子中填充蛭石粉。然后，在平铺三层硅藻土砖，最上面为一层重质粘土砖。炉底砖的厚度尺寸可参照炉壁的厚度尺寸，一般为 230690mm。由于要承受炉内工件的压力，且装出炉有冲击的作用。故炉底板要求又较高强度。=4503t=
10、100mm2s- 5 -由底至上，第一层为膨胀蛭石粉和硅藻土砖复合层，第二层为硅藻土砖，第三层为轻质粘土砖。结构：厚度mm材料： 砌砖型号： 115膨胀蛭石粉+硅藻土砖 B 级BSL427280 201 硅藻土砖 B 级 BSL427280 67轻质粘土砖 RNG-1.0RNG-1.03、炉盖的设计炉顶的结构有平顶、拱顶和悬顶三种。当炉子的宽度为6003000mm 时，可采用拱顶，拱角可用 60和 90，其中使用最多的是 60，这种拱顶称为标准拱顶。拱顶是炉子最容易损坏的部位，拱顶受热时耐火砖发生膨胀，造成砌拱顶时，为了减少拱顶向两侧的压力，应尽量采用轻质的楔形砖与标准直角砖混合砌筑。- 6
11、-设计条件：炉膛温度 950，壳体温度 60，室温 20。上层采用普通硅酸铝纤维，下层用轻质粘土砖。结构 厚度(mm) 材料 型号第一层 180 普通硅酸铝纤维第二层 115 轻质粘土砖 RNG-0.6 BSL4274434、炉壳的设计炉壳的尺寸取决于炉子砌体的尺寸，炉子的砌体包在炉壳之内。炉体框架要承受砌体和工件的重量以及工作时所产生的其它附加外力。因此，框架要有足够用的强度，框架和炉壳一般通过焊接成型，构成整个整体，以保证强度和密封性的要求。炉壳一般用 35mm 的 Q235 钢板，炉底用 68mm 的厚板，井式炉炉壳圈一般用 6.3 或 7 号角钢制作。综上所述，炉壳采用 5mm 厚的
12、Q235 钢板，炉底选用 8mm 厚的钢板，炉壳圈选用三根 7 号角钢均匀分布，两根 7 号角钢横向分布，炉底五根槽钢通过焊接而成。炉盖结构图第一层第二层- 7 -五、电阻炉功率的确定电阻炉的功率大小与炉膛容积、炉子结构、炉子所要求的生产率和升温时间等因素有关。确定炉子的功率需要综合考虑各方面的要求，本次设计采用理论计算的方法计算电阻炉的功率。理论计算发是通过炉子的热平衡计算来确定炉子的功率。其基本原理是炉子的总功率即热量的吸收，应能满足炉子热量支出的总和。热量的支出包括：工件吸热量 Q 件 、工件夹具吸热量 Q 夹 、炉衬散热量 Q 散 、炉衬蓄热量 Q 蓄 、炉门和缝隙溢气热量 Q 溢、
13、炉门和缝隙辐射散热量 Q 辐 、其他热损失 Q 它 等。先预估算功率 ，采用炉膛面积法， = =165kwP估 P估 50DH砌 砌1、炉衬材料蓄热量 Q 蓄炉衬材料的蓄热量是指炉子从室温升到工作温度整个砌体所吸收的热量。计算式为： 21Q()Vct件第层： ；360Kgm；32 95820.83.1=1.6KJ(g)C CA；320.647211VrH21 80+95Q.860.4.71.6820.4175089h2KJ 蓄第层： ； ； 32Kgm12.KJ(g)CCA23VrH22 450+8Q.860.9.21.069hKJ蓄- 8 -第层： ， 3250Kgm120.6KJ(g)CC
14、A23VrH23 4+5Q.8601.50.920.638hKJ蓄 123=+=78138=714Q壁 蓄 壁 蓄 壁 蓄 壁 蓄对于炉顶，采用 的计算方式去近似值，代入数据得：SA顶顶 蓄 壁 蓄壁21.49=736=10278h08r KJQdHAA炉 口顶 蓄 壁 蓄砌对于炉底的蓄热，同样取三层分别计算: 123=+Q底 蓄 底 蓄 底 蓄 底 蓄材料层数体积密度 3gcm热导率 wc比热容 kJgc厚度（mm）第一层 1.8 -30.87+51t均 -30.879+21t均 67第二次 0.55 -2均 45均 201第三层 0.2 3.6t均 0.7536 115炉底的 ，1950t
15、C222111(0.5)tbtqSb代入数据算得 ，同理可得26tc37tC根据公式 ，代入数据得到：21Q()Vt蓄21 9500.7568.94720.3621549kJh AA61.20hQKJ蓄 总- 9 -225739260.84101.05.842139kJQ hAA23.9765由此得到 =403725123=+Q底 蓄 底 蓄 底 蓄 底 蓄 KJh则 73460785=419Q蓄 总2、加热工件的有效热量 Q 件估算空炉升温时间， ，则估计取整 312439=.36065hPA蓄升 估小时，工件升温时间用经验公式 得到工件升温时间min工 件 直 径取 2.4 小时，保温时间
16、 0.5 小时，装炉时间 0.3 小时。则： =3+2.4+0.5+0.3=6.2h工件重量：2130.87501249Gvn kgg2149.46ghK件 62Q()ct件3450.780.39)217J3、工件夹具吸热量 Q 夹因本次所设计正火炉不需使用夹具，故 Q 夹 =0。4、通过炉衬的散热损失 Q 散散热损失就是炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到车间的热损失。因为炉顶、炉底散热一个较多，一个较少，因而在计算中将炉顶、炉底简化成与炉壁散热情况一样。在炉衬传热达到热稳定的情况下，通过炉壁的散热损失，可参考下图，按照下式计算。=6.2h2149Gkg5=.0QJh件Q 夹 =0- 10
17、-D 砌H 砌S1S2S3Fm1Fm2Fm310312mm3t.61QSSFF件先求出各层炉墙材料的平均热导率： 31 95080.65.1.2wCA2 343()1733 6.7. 0.45m各层炉墙的厚度 S 列出如下：。1230.9;.1;.Sm是炉壳外表面对空气的综合传热系数 2wmC通过查表得 =12.2是各层平均面积，其公式如下所示，代入数据得：mF；220=+=10.37DH砌砌 砌炉衬蓄热情况简化计算图- 11 -；221111=(2)+2=6.03mDSFDSH砌砌 砌 21221212()+=9.1S砌砌 砌。3 332212=4.09mFSSD砌 砌砌；014.7m；22
18、19F。33.8mm公式中 t 是炉膛和室温；1t950C2将以上数据代入求 ，所示如下：Q散 95023.60.9.1.113147274982.409Q散计算得出 =8hKJ散5、开启炉门的辐射热损失 Q 辐 计算公式如下： 4412Q.673.60tTF辐分别是炉膛内部和炉外空气的绝对温度（K）；12T与F炉门开启的面积：221493Fm炉口辐射遮蔽系数：，查表可知：230.195LD0.8=29840hQKJ散Q=2186hKJ辐- 12 -炉门开启率： ；t0.34862t将以上数据代入公式计算得： Q=126hKJ辐6、炉子开启时溢气的热损失 Q 溢计算公式如下：；12Q()ttV
19、C溢其中： ；0R；.34862t221=0=350mhV21Q.4+=10683hKJ溢 （ 9） .47、其它散热 Q 它一般如下估算： (0.51)Q它 散则： 29846794KJh它8、电阻炉热损失总和 Q 总Q=3957hJ总 辐 溢 它 件 散9、计算功率及安装功率 3957P=10.89 Kw60总计安装功率应大于稳态时计算功率周期作业炉 k 取 1.3 到 1.5 之间。k安得： 取：P109.8.315安 P150wK安Q=10683hKJ溢Q=17904Jh它Q3957hJ总P109.8 Kw计P150安 =5.%- 13 -六、技术经济指标计算1、电阻炉热效率 Q219
20、73=0%0=5.%5件总一般电阻炉的热效率为 40%80%，满足要求。2、电阻炉的空载功率电阻炉的空载功率是指空炉在最高工作温度并稳定状态下所消耗的功率，又称为空炉损失。用下式计算：+2984017=3.w366QPK它散空 P9.0%空总3、空炉升温时间空炉升温时间是指在额定电压下，经过充分干燥、没有装料炉的电阻炉从冷态加热最高工作温度所需的时间。空炉升温时间： 12439=.h36050QP蓄升 安七、功率分配与接线方法1、功率分配为了使炉膛温度均匀或工艺要求分区分布炉温，需要将温度分布在炉内的各个部分。井式炉功率大于 75Kw 是要考虑分区，HD 大于 1 也要分区。综上所述，由于本次
21、设计电阻炉安装功率达到 150Kw,所以为了更合理的设计与安装电热元件，现将炉膛分三区计算，上中下区功率分别为：上区 42Kw,中区与下区都是 54Kw。=13.wPK空 =2.3h升- 14 -2、供电电压与接线方法电阻炉的供电电压，除少数因电热元件的电阻温度系数太大或要求采用低电压供电的大截面电阻板外，一般均采用车间电网电压，即220V 或 380V。电热元件的接线，应根据炉子的功率大小，功率分配等因素来决定。因炉子功率为 150Kw，即可采用三相 380V 星形，也可采用三角形接法。综上所述，本次设计采用 0Cr25Al5 电热体材料，三相 380V 星形接法。八、电热元件的设计选用 0
22、Cr25Al5 线状电热元件，电压 380V。1、I 区1.1 供电电压和接线选用三相 380V、星形接法P421KW3n安 （ ）80UV件1.2 确定电热元件的单位表面功率因炉膛最高温度不超过 950，结合选材 0Cr25Al5 查表得 3W1.7/cm件1.3 确定元件尺寸32t.4d允UP52t01t.101.m/A件三相 380V星形接法I 区：P14KW（ ）U=220(V) 31.7/cm件d=5.5mmL=56mL 总 =168（m）=85.176Gkg总- 15 -代入上式得 d=5.2mm，取 d=5.5mm 222-33t 05.UdL0.78510.78516mP4L
23、总 =nL=356=168（m）=0.169168=28.392 kgMGg=28.395.176nkg总符合要求3310P4=.1.7dL.Wwcmc1.4 电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每 3 排串接成一相。每排电热元件的展开长度： L56318.7m折每排电热元件的搁砖长度： (D0)25496.砌电热元件螺旋直径：螺旋直径 取：D46d4d.m螺旋体圈数 N 和螺距 h 分别为：圈1867023.4LD折取 h=20mm9h.5，满足 的要求。20.65h24d电热元件螺旋节距 h 在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。2、II 区和 III
24、区L18.67m折 496.D2mh=20mmII、III 区：P18KW（ ）U20V（ ） 31.7/cm件- 16 -2.1 供电电压和接线选用三相 380V、星形接法P5418KW3n安 （ ）0U2V件2.2 确定电热元件的单位表面功率同上：31.7/cm件2.3 确定元件尺寸32t.4d允WUP52t01t.1401.m/A件代入上式得 d=6.15mm，取 d=6.5mm 222-33t 6.5dL.785.7850.89P18L 总 =nL=361=183（m）=0.236183=43.188 kg MGg=43.1829.564nkg总符合要求2 330P=.1.7dL.Ww
25、cmc2.4 电热元件的绕制和布置电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每 4 排串接成一相。每排电热元件的展开长度： L6145.2m折每排电热元件的搁砖长度：d=6.5mmL=60.89mL 总 =183（m）=129.564Gkg总L15.2m折L=4496.6mD=26mmh =25mm- 17 -L(D60)25496.m砌电热元件螺旋直径：螺旋直径 取：D46d4d.螺旋体圈数 N 和螺距 h 分别为：圈1520873.46LD折取 h=25mm9h.m，满足 的要求。20.5h24d电热元件螺旋节距 h 在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。3.电热元件引出棒及其套
26、管的设计与选择3.1 引出棒的设计引出帮必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用 1Cr18Ni9Ti，=16mm，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：L 引 =40+90+100+115+80=395mm3.2.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，所以确定L 炉墙 =90+100+115=305（mm），引出棒的直径 d=16mm，因此选用 SND724018 号套管，高铝矾土，重量 0.6kg，d 套 =16mm，D 套 =36mm，长度 400mm。4.热电偶及其保护套管的设计与选择4.1 热电偶的选择由于炉内最高的温度为 950.长
27、期使用的温度在 1000以下，所L 引 =395mmd=mmD 套 =mmL=mmd=mmD 套 =mmL=mm- 18 -以选用镍铬-镍硅热电偶。所以选用型号 WRN-121 的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择，外径 16mm，插入长度为 400mm。保护材料为双层瓷管。4.2 热电偶保护套管的选择L 炉壁 =295mm。热电偶外径 16mm，插入长度为 400mm。根据这些条件，应该选用 SND724018,高矾土，重量 0.3kg。d 套 =16mm、D 套=36mm，长度为 400mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。参考书目1、热处理炉-华小珍老师编2、热处理炉课程设计指导书-华小珍，崔霞老师编3、炉温仪表-华小珍，袁永瑞老师编4、热处理设备-王淑花编
