1、热处理设备设计说明书热处理设备设计说明书设计题目 90kW中温井式炉设计说明书学 院 材料科学与工程年 级 2009级专 业 金属材料工程学生姓名学 号指导教师佳木斯大学佳木斯大学热处理设备设计说明书目 录1 前 言 .11.1 本设计的目的、意义 .11.1.1 本设计的目的 .11.1.2 本设计的意义 .11.2 本设计的技术要求 .21.3 本课题的发展现状 .21.4 本领域存在的问题 .22 设计方案 .42.1 炉型选择的原则 .42.2 炉型选择 .43 设计说明 .53.1 炉膛尺寸的确定 .53.1.1 炉膛有效尺寸（排料法） .53.1.2 炉膛高度的确定 .63.2 炉
2、体结构设计 .63.2.1 炉壁的设计 .73.2.2 炉底的设计 .93.2.3 炉盖的设计 .103.3 炉壳的设计 .113.4 电阻炉功率的确定 .113.5 技术经济指标计算 .153.6 功率分配与接线方法 .163.7 电热元件的设计 .163.8 电热元件引出棒及其套管的设计与选择 .183.9 热电偶及其保护套管的设计与选择 .184 结 论 .194.1 炉子的技术指标 .194.2 特色及不足 .19致 谢 .21参 考 文 献 .22佳木斯大学热处理设备设计说明书佳木斯大学热处理设备设计说明书第 1 页1 前 言1.1 本设计的目的、意义课程设计是高等学校培养面向生产、
3、建设、管理和服务第一线的高等技术应用型人才的最后一个教学环节。是培养学生综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识的重要手段。通过完成课题，可以进一步检验学生处理实际问题的能力；使学生掌握基本的设计（科研）方法，受到初步的工程技术训练。并可综合衡量教学质量，以利于提高教学管理水平。1.1.1 本设计的目的通过本环节的训练，应达到以下目的： （1）使学生进一步加深对所学基础理论、基本技能和专业知识的理解与运用，迸逐步系统化、综合化； （2）努力培养学生独立工作、思考和解决实际工程技术问题的能力，进而达到培养学生独立获取新知识的能力； （3）使学生通过文献检索、数据收集与处理、工程制图、设
4、计计算、说明书编写等基本技能的训练，掌握正确运用国家标准和技术语言撰写技术报告的能力； （4）通过设计过程的训练，培养学生严谨求实，刻苦钻研、勇于创新和严肃认真的科学态度。1.1.2 本设计的意义本文研究的目的是研究 90kw 中温井式炉的设计，从而培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。综合运用设备设计课程及其他有关已修课程的理论和生产实际知识进行设备设计训练，主要内容是井式炉的炉体尺寸确定，炉子功率及电热元件的选择，井式炉的设计方案的选择。通过佳木斯大学热处理设备设计说明书第 2 页计算设计出井式炉的功率分配与接线方法，做到有计划的利用时间去生产
5、提高生产效率。1.2 本设计的技术要求（1）炉子功率为 90kW（2）碳钢、低合金钢正火用炉中温正火炉；（3）装炉量每炉 12 根（4）画出总装图、画出炉衬图、炉壳图、电热元件图。1.3 本课题的发展现状我国的热处理技术已得到了长足的发展，在热处理的基础理论和某些热处理新工艺、新技术研究方面已达到国际先进水平，但在热处理生产工艺和热处理设备方面还存在较大的差距，主要表现在少无氧化热处理应用少、产品质量不稳定、能耗大、污染严重、管理水平低、成本高。1.4 本领域存在的问题目前在我国工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，今后仍将占有重要的地位和相当大的比重，但正在日益改进和不断完善。要以少无氧化
6、加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变我国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平，将起到积极的促进作用。加强科研与生产的结合、材料研究与热处理工艺的结合，进一步挖掘材料的性能潜力，促进新材料的发展，使热处理实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产” ，这是今后热处理技术的重要发展方向。凡是符合这个方向的热处理佳木斯大学热处理设备设计说明书第 3 页技术，就会有强大的生命力，获得较快的发展，反
7、之，则将被淘汰。例如，可控气氛热处理、真空热处理、新型化学热处理、离子热处理、激光热处理、流态化热处理等，均能较好地符合上述方向，今后将获得较快的发展和广泛的应用。而盐浴热处理由于耗能高、污染严重，今后将迅速减少，甚至被淘汰。虽然电子计算机和机器人在热处理中的应用较之在其它工业领域中的应用起步较晚，但随着热处理自动化程度的不断提高，计算机和机器人的应用也将越来越广泛，这是热处理行业现代化的重要标志之一。热处理专业厂和协作网点，是组织热处理生产的一种好形式，也是促进热处理行业技术进步的一种重要手段。因此，实现热处理生产的自动化和专业化，这也是热处理行业发展的必然趋势。佳木斯大学热处理设备设计说明
8、书第 4 页2 设计方案2.1 炉型选择的原则 炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。（1）对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、多用性的，可选用箱式炉。（2）小批量的零件，可选用井式气体渗碳炉。（3）对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。（4）对冲压板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉、辊底炉。（5）对成批的定性零件，生产商可选用推杆式或传送带式电阻炉。（6）小型机械零件如：螺钉、螺母等可选用振底式炉或网带式炉。（7）钢球及滚柱热处理可选用内螺纹的回转管炉。（8）有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对
9、有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。2.2 炉型选择因为工件材料为碳钢、低合金钢，热处理工艺为正火，对于低合金钢正火最高温度为912+(3050)，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。佳木斯大学热处理设备设计说明书第 5 页3 设计说明3.1 炉膛尺寸的确定3.1.1 炉膛有效尺寸（排料法）(1) 确定炉膛内径 D工件尺寸为 F110*1300，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
10、膛的有效高度取工件的长度加150250mm。排料法如图 3-1 所示，则：226DddD=805mmD 效 =D+2(100200)=1000mm又因炉壁内径比料筐大 200300mm，故取：D 砌 =1300mm查表得可用砌墙砖为 图 3-1 排料法BSL427138(A,B,R,r)=(168,190.8,765,675)型轻质粘土扇形砖。由该砖围成的炉体的弧长为S= D=3.141300=4082mm砖的块数为：4082168=24.29 块，取整后 N=24，对 D 进行修正得：D 砌 =241683.14=1284mm，取 1280mm6dD效效2d佳木斯大学热处理设备设计说明书第
11、6 页3.1.2 炉膛高度的确定由经验公式可以得知，井式炉炉膛有效高度 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 =1300+200=1500mmH= H 效 +200=1700mm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=8，得 H 砌 =1675mm选用代号为 SND-427-09 的扇形搁砖每层搁砖数目为 N= D 砌 50=80.63，取整为 80 块。1.3 炉口直径的确定D 效 =1000mm，由于斜行楔形砖。，将 D 炉口 =1000mm 代入，得 N=27.3，取整后 N=28，则 D
12、 炉口(132)N=1025mm。1.4 炉口高度的确定按经验，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综上所述：D 砌 =1216mm，H 砌 =1675mm，D 炉口 =1098mm，H 炉口 =231mm。3.2 炉体结构设计炉体包括炉壁、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，应尽量选用轻佳木斯大学热处理设备设计说明书第 7 页质耐火材料；
13、（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 50，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。3.2.1 炉壁的设计炉壁厚度可采用计算方法确定，如图 3-2 为井式炉炉壁三层结构，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 xmm，采用普通硅酸铝纤维；第层为保温层，采用膨胀蛭石+硅藻土砖，其厚度设计为 115mm。图 3-2 三层炉衬结构在稳定传热时，对各炉衬热流密度相同。 。查表得，炉壁温度 60，40qt室温 20是 ，所以2=1.wmCA28wmRNG-0.6 型轻
14、质粘土砖：密度 3160kg热导率 3.5.190twCA件S2S1 S3t4 t0t1t2t3 佳木斯大学热处理设备设计说明书第 8 页比热容 31C0.836.210tgKJCA件硅酸铝纤维：密度 31kgm热导率 322010twmCA件比热容 2C.gKJA膨胀蛭石粉：密度 3150k热导率 33.7.210twmCA件比热容 3C.65gKJ由 222111(0.)tbtqSb233223.65.90(.51905.0.948)t =818使用迭代法计算 t3，设 t3=470 ,则： 1 950810.65.1.3wm2CA2 347().3 06051.12A34+stq= 0.
15、15683986为了计算精确再次代入迭代： 22 3.3.()0.1wmCA佳木斯大学热处理设备设计说明书第 9 页33 98600.7.251.15wm2CA36+484.t三次迭代后得到： 410，3t5%满足条件。4105%1.22 3408.3.().1wmCA3 60.7.510.2m 取 90mm。2(460).938S3.2.2 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，在平铺两层硅藻土砖，最上面为一层轻质粘土砖。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
16、。故炉底板要求又较高强度。炉底剖面结构如图 3-3：图 3-3 炉底剖面结构由底至上，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：佳木斯大学热处理设备设计说明书第 10 页 115 膨胀蛭石粉+硅藻土砖 B 级BSL427280 134 硅藻土砖 B 级 BSL427280 67 轻质粘土砖RNG-1.0RNG-1.03.2.3 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
17、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。图 3-4 炉盖设计条件：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 85 普通硅酸铝纤维第二层 115 轻质粘土砖RNG-0.6BSL427443第一层第二层佳木斯大学热处理设备设计说明书第 11 页3.3 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
18、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 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。3.4 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
19、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 、炉门和缝隙辐射散热量 Q 辐 、其他热损失 Q 它 等。（1）加热工件的有效热量 Q 件设升温时间 3 小时，保温时间 2.5 小时，装炉时间 15 分钟。则： =3+2.5+0.25=5.75h工件重量：20.1.4.3780125Gvn kgg156.72ghK件21Q()ct509.80.493)1.0hKJ佳木斯大学热处理设备设计说明书第 12 页（2）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。（3）通过炉衬的散热损失 Q 散因为炉
20、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。D 砌H 砌S1S2S3Fm1Fm2Fm3图 3-5 炉衬蓄热情况简化计算10312mm3t.61QSSFF件 31 9580.65. .wmCA22 3410.3.().13 60.7.50.59A佳木斯大学热处理设备设计说明书第 13 页，220=+=9.304mDFH件件221111(2) =.85mSS件件 22121212=()+=4.703DSFDHS 件件 3123123()2=8.79mS件件， ，2011.5mF 2213.7F22336.749503.60.915115813276742.87
21、9Q 件42.KJh（4）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；2 95081.8. =.6KJ(g)2C CA；320.3622111V()DSDHS33.04.5.9m佳木斯大学热处理设备设计说明书第 14 页5181+950Q0.956.6820.9.2810h2KJ件第层： ； ； 3Kgm12.KJ(g)CCA2 21 1112 1V()DSDSHSHS34.2973.0.948+40Q.2.9350hKJ件第层： ， 3250Kgm12.6J(g)CCA212311232112V(
22、)DSHS36.84.97.m4360+4Q5.20.6.810hKJ件 5123.91hKJ件（5）开启炉门的辐射热损失 Q 辐4412Q.673.60tTF辐其中：F炉门开启的面积：221.05.8m炉口辐射遮蔽系数：，查表可知：230.15LD.炉门开启率： ；t.257043t代入上式计算得： Q=1hKJ辐（6）炉子开启时溢气的热损失 Q 溢12Q0.5()tVCt件佳木斯大学热处理设备设计说明书第 15 页其中： ，20VR221.05.=19mhV4Q.519.4(5).43.8hKJ件（7）其它散热 Q 它一般如下估算： (0.51)件则： 442.1.6KJh件（8）电阻炉热
23、损失总和 Q 总 5Q=2.130件总 辐（9）计算功率及安装功率 51.20P9.16 Kw3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件得： 取：P59.14.3件 P90wK件3.5 技术经济指标计算（1）电阻炉热效率 Q=0%62.4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：+=1.w360QPK件件 P18.76%件总佳木斯大学热处理设备设计说明书第 16 页P 空 值越小越好，一般为炉子总功率的 15%25% ，满足要求。（3
24、）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： =2.13h60QP件件3.6 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，本次设计电阻炉分两区计算，上下区功率都为 45kW。（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
25、率分配等因素来决定。因炉子功率为 90Kw，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。3.7 电热元件的设计选用 0Cr25Al5 线状电热元件，电压 380V。（1）供电电压和接线选用三相 380V、星形接法P9015KW3n6件件佳木斯大学热处理设备设计说明书第 17 页380U2V件（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（3）确定元件尺寸32t.4d允WUP52t01t.1401.m/A件代入上式得 d=5.48mm，取 d
26、=5.5mm 222-33t 5.UdL.78510.78511PL 总 =nL=651=306（m）M 总 =0.169306=51.714 kg符合要求2 331015=.701.7d3.4Wwccm（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： L5142.7m件每排电热元件的搁砖长度： (D60)5386件电热元件螺旋直径：螺旋直径 取：D46d4d.2m螺旋体圈数 N 和螺距 h 分别为：圈1750843.2LD件佳木斯大学热处理设备设计说明书第 18 页取 h=20mmLh20.68mN，满足 的要求。3.45h
27、24d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。3.8 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 =90+90+115+100=395mm（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+90+115=295（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 =20mm，D 套 =36mm，长度 400
28、mm。3.9 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，所以选用镍铬-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。（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 SND724019,高矾土，重量 0.3kg。d 套=25mm 、D 套=40mm，长度为佳木斯大学热处理设备设计说明书第 19 页210mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。佳木斯大学热处理
29、设备设计说明书第 20 页4 结 论4.1 炉子的技术指标表 4-1 炉子参数额定功率 90kW额定电压 380v最高使用温度 950相数 3接线方法 Y工作室有效尺寸 1216*16574.2 特色及不足(1) 炉子的温度范围大该炉最高温度可达 950，热量的传递以辐射方式为主，对流为辅。热处理要求炉膛温度均匀，避免局部温度过高。(2) 炉子的炉温控制比较严格热处理炉能否保证热处理工艺所要求的温度，对产品质量有很大影响，一般上下不超过 3-10 度。被加热物断面上的温度分布应尽可能地均匀，温差不得超过 5-15 度。该炉属于电炉，在这一点上比较优越。为了达到准确控制温度的目的，该炉均匀布置烧
30、嘴，便于分段控制。(3) 炉子尽量减少金属的氧化与脱碳对钢材的热处理，不允许有表面的氧化与脱碳，应保持表面的光洁。该炉密封严格，以便控制炉气成分，有时还可以保持炉膛内某种特定的气氛。(4) 炉子的生产率及热效率低热处理时，为了使金属断面上的温度均匀，使结晶组织转变得完全，需要使金属佳木斯大学热处理设备设计说明书第 21 页在炉内停留较长的时间，不论是那一种工艺，材料在炉内都有一个或几个均热或保温阶段，冷却过程也往往在炉内进行。有些品种的工艺，甚至要进行多次加热、保温冷却。炉子多处于周期性作业，由于以上缘故，热处理炉的生产率和热效率比轧锻加热用炉低得多。佳木斯大学热处理设备设计说明书第 22 页
31、致 谢感谢我的导师 XX 教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同学们对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。此次毕业设计历时一个月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前学的知识综合在一起的过程，只要把握住以前每本书的精华、环环紧扣、增强逻辑，那么这次的任务也就不难了。我此次的任务是做一个 90kw 井式炉设备设计。如果没有秦教授耐
32、心细致的讲解和帮助，这次设计将很难完成。在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入设计到说明书的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢材料科学与工程学院和我的母校佳木斯大学四年来对我的栽培。佳木斯大学热处理设备设计说明书第 23 页参 考 文 献1 吉泽升热处理炉第 3 版哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20102 蔡红实用钢铁热处理手册第 2 版：上海科学教育出版社，1998.33 支道光机械零件材料与热处理工艺选择，机械工业出版社，2008.14 George E.Totten,Ph.D.,FASM.Steel Heat Treatmsent Equipment And Process Design.Portland State University: CRC Press, 2007
