材料加熱爐基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè) 計(jì) 題 目 低溫井式電阻爐的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 * 學(xué)生學(xué) 號(hào) * 專 業(yè) 班 級(jí) * 指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)題目低溫井式電阻爐的設(shè)計(jì) 成績課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 根據(jù)所給的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行低溫井式電阻爐的爐膛的尺寸設(shè)計(jì)，爐子砌磚體的設(shè)計(jì)，包括爐襯材料的選擇、爐墻設(shè)計(jì)、爐底設(shè)計(jì)、爐頂設(shè)計(jì)、爐門設(shè)計(jì)，爐子功率計(jì)算和分配，有效熱Q件計(jì)算、輔助構(gòu)件熱損失Q輔計(jì)算、爐襯熱損失Q散計(jì)算、 Q輻計(jì)算、爐門溢氣熱損失Q溢計(jì)算、其它熱損失Q它計(jì)算、爐子安裝功率計(jì)算、爐子熱效率計(jì)算、爐子空載功率計(jì)算、爐子升溫時(shí)間計(jì)算、功率分配、井式電阻爐接線方式、功率的調(diào)節(jié)方法，電熱元件的設(shè)計(jì)，包括電熱元件材料的選擇、電熱元件單位表面功率的確定、電熱元件尺寸的確定、電熱元件重量的計(jì)算、電熱元件的安裝；爐溫儀表的選擇；爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）；低溫井式電阻爐使用說明書，包括開爐前的準(zhǔn)備、開爐生產(chǎn)、使用注意事項(xiàng)及維護(hù)。指導(dǎo)教師評(píng)語目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)22、爐膛尺寸的確定23、爐子砌磚體的設(shè)計(jì)3.1爐襯材料的選擇43.2爐墻設(shè)計(jì)43.3爐底設(shè)計(jì)53.4爐頂設(shè)計(jì)53.5爐門設(shè)計(jì)64、爐子功率計(jì)算和分配4.1有效熱Q件計(jì)算84.2輔助構(gòu)件熱損失Q輔計(jì)算84.3爐襯熱損失Q散84.4 Q輻計(jì)算94.5爐門溢氣熱損失Q溢104.6其它熱損失Q它104.7爐子安裝功率計(jì)算104.8爐子熱效率計(jì)算104.9爐子空載功率114.10爐子升溫時(shí)間計(jì)算 124.11功率分配124.12接線方式124.13功率的調(diào)節(jié)方法125、電熱元件的設(shè)計(jì)5.1電熱元件材料的選擇135.2電熱元件單位表面功率的確定135.3電熱元件尺寸的確定135.4電熱元件重量的計(jì)算145.5電熱元件的安裝146、爐溫儀表的選擇167、爐子技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)牌）168、使用說明書16 8.1開爐前的準(zhǔn)備16 8.2開爐生產(chǎn)16 8.3使用注意事項(xiàng)及維護(hù)179、參考資料 171、 設(shè)計(jì)任務(wù)： 1設(shè)計(jì)題目：低溫井式電阻爐的設(shè)計(jì) 2設(shè)計(jì)任務(wù)： （1）設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)可用于碳鋼、合金鋼回火的低溫箱式電阻爐 （2）設(shè)計(jì)參數(shù)： 1)工件長1500mm采用吊裝；周期性成批裝料，長時(shí)間連續(xù)生 產(chǎn)；爐膛尺寸：900mm； 2)最高使用溫度：650； 3)空爐升溫時(shí)間：2h 4)爐殼表面溫升602、爐膛尺寸的確定：爐膛尺寸主要根據(jù)工件形狀、尺寸、技術(shù)要求、裝卸料方式、操作方法和生產(chǎn)率等來確定，同時(shí)還應(yīng)考慮工件在爐內(nèi)對(duì)方方式和運(yùn)動(dòng)方式、傳熱條件與爐溫分布、電熱元件及爐內(nèi)構(gòu)件的維修等問題，包括爐膛空間尺寸和有效加熱區(qū)尺寸。本次所設(shè)計(jì)電阻爐，工作對(duì)象為L1500的軸類、桿件和長管類低碳鋼、低合金鋼工件的回火加熱。對(duì)于工件加熱周期和裝爐量不明確的情況下，如通用爐設(shè)計(jì)，此時(shí)常采用加熱能力指標(biāo)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，求出B、L后，與標(biāo)準(zhǔn)系列爐尺寸進(jìn)行比較后確定實(shí)際爐底尺寸，以便選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸爐底板：假設(shè)：1）爐底單位面積生產(chǎn)率為P（單位時(shí)間內(nèi)單位爐底面積所能加熱金屬重量）；2）爐底有效面積為F1，總面積為F，且F1=（0.7-0.85）F；3）爐子生產(chǎn)率為P，F(xiàn)1=p/p0；因?yàn)闋t膛直徑D=900mm,取B=900mm；低溫爐以對(duì)流為主，爐膛應(yīng)低些，以提高熱效率。）同時(shí)，一般在裝料上、下方應(yīng)保持200-300mm的空間，工件距加熱元件100200mm。標(biāo)準(zhǔn)擱磚每層高度67mm（包括灰縫）。則?。篖=2000mm P一般在80120/h；取P=100/h，F(xiàn)1=0.8F；由已知P=1000.80.92=144/h，綜上所述：取爐膛高度為H=2000mm，直徑為D=900mm3、爐子砌磚體的設(shè)計(jì)：3.1爐襯材料的選擇爐襯由耐火材料與保溫材料砌筑成耐火層和保溫層，其直接受爐內(nèi)高溫影響，因此其應(yīng)耐高溫，同時(shí)，耐火材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定了耐火層的強(qiáng)度，保溫層其隔熱保溫作用。在低溫?zé)崽幚頎t中常用的耐火材料為粘土磚、高鋁磚、少量碳化硅制品等等。目前在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，一般都用輕質(zhì)磚，其比重輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫強(qiáng)度滿足要求等優(yōu)點(diǎn)。3.2爐墻設(shè)計(jì)爐墻主要為砌體，外部包爐殼鋼板。低溫爐爐墻一般分兩層，內(nèi)層耐火層常用輕質(zhì)粘土磚砌筑，外層為保溫層，由保溫材料構(gòu)成。因此爐膛尺寸應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（23011365mm）加磚縫尺寸（一般2mm）的倍數(shù)。1：鐵板； 2：保溫層； 3：耐火層參考材料加熱爐基礎(chǔ)P140爐墻，在爐溫400650，爐子功率150KW時(shí)，耐火層厚度為115mm，保溫層厚度150200mm，再綜合標(biāo)準(zhǔn)砌筑時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，課確定本低溫井式爐輕質(zhì)耐火粘土磚厚115mm，保溫層為輕質(zhì)硅藻磚，厚170mm。同時(shí)，為防止?fàn)t墻反復(fù)熱脹冷縮，發(fā)生開裂，在此爐墻黏土層內(nèi)，每米長度應(yīng)留56mm的膨脹縫，個(gè)層間的膨脹縫應(yīng)錯(cuò)開，縫內(nèi)填入馬糞紙或不完全灰漿。3.3爐底設(shè)計(jì)爐底起保持爐內(nèi)熱量和承載工件的作用，通常電阻爐爐底結(jié)構(gòu)是在爐底外殼鋼板上用保溫磚（硅藻磚）砌成方格子狀，在格子內(nèi)填充保溫材料散料（蛭石粉），再在上面平鋪1-2層保溫磚，接著鋪一層輕質(zhì)粘土磚，上面安置支撐爐底板或?qū)к壍闹刭|(zhì)粘土磚和電熱元件擱磚。其厚度可參考爐墻的厚度來決定，故兩層厚度取300mm，爐底砌筑如下：上半部分為格子形式，下半部分為平鋪實(shí)砌3.4爐頂設(shè)計(jì)爐頂結(jié)構(gòu)有平頂和拱頂兩種，一般簡單的熱處理爐大都采用拱頂，標(biāo)準(zhǔn)拱角60，拱頂質(zhì)量及其受熱時(shí)產(chǎn)生的膨脹力形成的側(cè)推力作用在拱角上。因此，拱角常用輕質(zhì)楔形磚砌筑，上砌筑輕質(zhì)保溫制品，而拱角則用重質(zhì)磚砌筑，以承受較大的側(cè)推力，厚度115mm的輕質(zhì)耐火磚和230mm的蛭石粉，拱頂?shù)钠鲋椒ㄓ绣e(cuò)砌和環(huán)砌兩種，錯(cuò)砌用于爐內(nèi)各處工作溫度一致，不須經(jīng)常拆修的熱處理爐及煙道的拱頂；環(huán)砌用于各段溫度不一致的連續(xù)作業(yè)爐的拱頂或工作溫度比較高、損壞快、要經(jīng)常修理的設(shè)計(jì)，因此，本次設(shè)計(jì)爐采用錯(cuò)砌，其結(jié)構(gòu)如下：1.拱頂 2.拱頂磚 3.拱頂磚厚 4拱頂矢高h(yuǎn)=R（1-sin）（1-sin）R為拱頂內(nèi)半徑；B為爐膛寬度mm =60 R=B/23.5爐門設(shè)計(jì)爐門部分包括爐門洞口、爐門框和爐門。爐門洞口截面尺寸要保證裝出料方便和爐子安裝電熱元件和維修的需要，通常應(yīng)小于爐膛截面尺寸，以減少熱損失和保護(hù)電熱元件。高溫爐的爐門洞口長度應(yīng)較大，以減少爐門洞口的輻射熱損失。爐門洞口的砌體常受工件摩擦碰撞，應(yīng)采用重質(zhì)磚或其它較堅(jiān)固的耐火磚砌筑。爐門應(yīng)保證爐子操作方便，爐口密封好（特別是可控氣氛）和減少熱損失。其基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：要有足夠厚的保溫層，爐門邊緣與爐門框要重疊65130mm，爐門要壓緊爐門框，爐門下緣常楔入工作臺(tái)上的砂槽內(nèi)，爐門與爐門框間加密封墊圈，并考慮減輕爐門重量等。最常用的爐門壓緊方法是在爐門側(cè)面設(shè)置楔鐵或滾輪，當(dāng)爐門落下時(shí)，楔鐵或滾輪滑入爐門框上的楔形滑槽或滑道內(nèi)，爐門越向下，爐門將越壓緊爐門框。一般靠自重使楔鐵滑入楔形槽內(nèi)，有時(shí)在爐門下設(shè)一氣缸，靠氣缸的活塞桿作用把爐門拉下，使?jié)L輪或楔鐵與滑道或楔形槽配合更緊密，將爐門緊壓在爐門框上。4、爐子功率計(jì)算（平衡法）和分配一般爐子的能量消耗項(xiàng)包括加熱工件吸收的能量Q件（有效熱）、通過爐壁的散熱損失Q散（空載時(shí)主要能量消耗項(xiàng)，無效熱損失）、砌體畜熱量Q畜（周期作業(yè)爐主要能量消耗項(xiàng)，無效熱損失）、爐內(nèi)氣體外溢和對(duì)外輻射熱損失Q溢和Q輻（與爐子溫度和操作狀態(tài)有關(guān)，對(duì)高溫爐應(yīng)特別注意該兩項(xiàng)能量損失，對(duì)敞開爐門的爐子，此項(xiàng)熱損失有時(shí)成為能量消耗的重要項(xiàng)目）、可控氣體的熱損失Q控（決定于氣體消耗量，采用密封式自動(dòng)裝卸料的爐子，其氣體消耗量和熱能損失可大為降低）、爐內(nèi)金屬構(gòu)件直接伸出爐外的短路損失Q短（在機(jī)械化作業(yè)爐子上較為嚴(yán)重，對(duì)于一般爐子應(yīng)盡量避免）、料盤和夾具等反復(fù)加熱和冷卻帶來的輔助構(gòu)件熱損失Q輔（有時(shí)也占較大比例，在可能的情況下應(yīng)盡可能減少輔助構(gòu)件或不使輔助構(gòu)件反復(fù)拉出爐外）、供電設(shè)備和導(dǎo)線引起的電能消耗Q供（對(duì)直接從電網(wǎng)供電的爐子一般較小，僅占總損失的1，但對(duì)經(jīng)變壓器降壓、低壓大電流供電的爐子，此項(xiàng)電能消耗也很可觀），此外，爐子能量消耗還有許多項(xiàng)目難于計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)歸入其它熱損失Q它項(xiàng)目中。4.1有效熱Q件計(jì)算：Q件P件（c2t2-c1t1），式中P件為爐子的生產(chǎn)率（kg/h），t1和t2為工件加熱的初始和終了溫度（），c1和c2為工件在t1和t2時(shí)的比熱容（KJ/kg），其中P件150kg/h，t120，t2650；對(duì)中碳鋼和低合金鋼而言，其20和650溫度時(shí)的比熱為0.486KJ/kg和0.605KJ/kg，則Q件P件（c2t2-c1t1）57529.5KJ/h如以加熱階段作為熱平衡計(jì)算時(shí)間單位，則：Q件G裝（c2t2-c1t1）/加，式中G裝為一次裝爐料重量（kg），加為加熱階段時(shí)間（h）。4.2 輔助構(gòu)件熱損失Q輔（包括料筐、工夾具、支承架、爐底板及料盤等）Q輔P輔（c2t2-c1t1），式中P輔為每小時(shí)加熱輔助構(gòu)件的重量(kg/h)，t1和t2為輔助構(gòu)件加熱的初始和終了溫度（），c1和c2為輔助構(gòu)件在t1和t2時(shí)的比熱容（KJ/kg），其值大小主要由加熱輔助構(gòu)件來決定，應(yīng)在使用環(huán)境中合理計(jì)算,一般也可取爐襯散熱的5%10%,在本低溫井式爐中去上限Q輔10% Q散392.7KJ/h4.3爐襯熱損失Q散在爐體處于穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，通過雙層爐襯的散熱損失為：Q散，對(duì)于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t=530，t=60，則耐火層的平均溫度為t1=（650+530）/2=590，保溫層平均溫度為t2=（530+60）/2=295，耐火層、保溫層的熱導(dǎo)率分別為：1=0.29+0.25610t1=0.441W/m2=0.1310.2310t2=0.1988W/m則q=566.87 W/m 校驗(yàn)界面上的溫度t和t：t=650-q=650-566.870.1130.441=504.76；=4.7%5%； 滿足設(shè)計(jì)需要，不需要重算；t= t- q=504.76-566.870.170.1988=20.01，很顯然滿足設(shè)計(jì)需要，不需要重算。則爐墻的輻射散熱為：Q散=qF=566.87（2R*R+DH）=566.87（23.14160.90.9+3.14160.92）=3926.8KJ/h 4.4 Q輻（開啟爐門或爐壁縫隙的輻射熱損失）Q輻3.60Ai(Tg4-Ta4)，式中A為爐門開啟面積或縫隙面積（）；3.6為時(shí)間系數(shù)；為爐口遮蔽輻射系數(shù)（見圖），查熱處理爐圖1-14，=0.8；i為爐門開啟率，對(duì)常開爐門和爐壁縫隙而言，i1。設(shè)每次裝出料所需時(shí)間為t=6分鐘，則開啟率為i=0.1則：Tg650+273=923KTa20+273=293K爐門開啟面積為F=R=0.6362Q輻3.65.6750.6362i=7470.1KJ/h4.5開啟爐門溢氣熱損失Q溢：根據(jù)材料加熱爐基礎(chǔ)P74式4.32g可知,開啟爐門溢氣熱為：Q溢5.675Fi 其中,根據(jù)圖4.11可查得圓形路口輻射換熱的遮蔽系數(shù)為0.8,則經(jīng)計(jì)算得:Q溢2075.2KJ/h4.6其它熱損失Q它：一般對(duì)電阻爐,其它熱損失約為上述熱損失的10%20%,故:Q它（Q件Q輔Q散Q輻Q溢）20%=14278.9 KJ/h熱量總支出為Q總:其中Q短0,由下式得:Q總Q件Q輔Q散Q輻Q溢Q它Q短85673.2KJ/h4.7爐子安裝功率計(jì)算:P安 其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)為1.31.5,本設(shè)計(jì)爐為間歇式周期作業(yè)爐,取K=1.5,則: P安30.935.7KW,與標(biāo)準(zhǔn)爐子比,取P安35KW.4.8爐子熱效率計(jì)算:67.15%4.9爐子空載功率:P空5.06KW4.10爐子升溫時(shí)間計(jì)算:加熱爐的空爐升溫時(shí)間:t=0.46h加熱爐的裝爐升溫時(shí)間為：t=0.60h4.11功率分配:本設(shè)計(jì)中井式爐功率較小，故將35kW功率平均分布在爐壁，在低溫井式爐中，爐膛內(nèi)壁表面的功率密度約為：15kW/，則35kW功率均勻分布在爐壁，其密度為15kW/。但因井式爐的爐口部分密封不嚴(yán)產(chǎn)生溢氣，爐蓋較薄散熱厲害，爐底因爐氣上浮和散熱面較大，爐溫也偏低，且此爐中無強(qiáng)制對(duì)流，故在爐口和爐底部位適當(dāng)加大功率。4.12接線方式 采用車間電網(wǎng)電壓380V。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的爐子功率為35kW，采用三相星形接法。4.13功率的調(diào)節(jié)方法 本設(shè)計(jì)中采用變壓器調(diào)節(jié)法：對(duì)功率在100kW以下的中小型電爐，可將電加熱體與變壓器的次級(jí)線圈串聯(lián)起來，通過調(diào)節(jié)改變次級(jí)線圈的電壓即可改變爐子的功率。變壓器具有較多的電壓調(diào)變分頭，可使?fàn)t子的功率十分均勻地進(jìn)行調(diào)變。目前應(yīng)用較多的是可以帶負(fù)荷調(diào)節(jié)的磁性調(diào)壓器。五、電熱元件的設(shè)計(jì)5.1電熱元件材料的選擇因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中爐子的最高使用溫度為650，采用0Cr25Al5合金，此種合金電阻率大，電阻溫度系數(shù)小，功率穩(wěn)定，耐熱性好，抗?jié)B碳，耐硫蝕，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。5.2電熱元件單位表面功率的確定由以上計(jì)算可知，電阻爐總功率為P安35kW，同時(shí)采用380V星形接法，其端電壓為U組=380/=220V。參照熱處理爐附表15，選用電熱體組數(shù)n1=3，則每組電熱體的設(shè)計(jì)功率為P組=P安/n1=35/3 =811.67kW在爐子工作溫度為650時(shí)，每組電熱元件的電阻為R組=U組2/P組10-3=2202/11.6710-3=4.15。5.3電熱元件尺寸的確定電熱元件工作溫度一般比爐溫高100200，所以當(dāng)爐溫為650時(shí)，電熱元件的溫度大約在800，查熱處理爐表5-3得，此時(shí)0Cr25Al5電熱合金的表面允許負(fù)荷為W允=3.1W/cm。查熱處理爐附表得20時(shí)0Cr25Al5的電阻率為=1.40mm /m，電阻溫度系數(shù)=410-5-1，則800時(shí)電熱元件的電阻率為t=20（1+t）=1.40（1+410-5800）=1.44mm /m則線狀電熱元件的直徑d為d=34.3=34.3=3.75mm線狀電熱元件的總長度L為L組=0.78510-3RU組d/t=0.78510-32dP/(P組t)=0.78510-3220232/(11.671.44)=31.78m所以電熱元件的總長度L總=nL組=331.78=95.35m絲狀電阻絲一般繞成螺旋管狀，繞制節(jié)徑D和螺距h應(yīng)保證不坍塌，同時(shí)又要熱屏蔽小。D和h小，雖然不易坍塌，但熱屏蔽大，所以不能過大或過小。查熱處理爐表5-5可知，對(duì)于鐵鉻鋁合金，工作溫度小于1000時(shí)，節(jié)徑D=（68）d=（68）3.75=22.530mm，螺距h=（24）d=（24）3.75=7.515mm。取節(jié)徑D=25mm，螺距h=10mm，螺旋柱長度L組=L組h/(D)= 31.7810/(3.141625）=4.05m。5.4電熱元件重量的計(jì)算查表得0Cr25Al5電熱元件的密度為M =7.1g/cm，則電熱元件的重量為G組=(3.14163.75 2/4)31.787.110-3=2.49Kg所以電熱元件的總重量為G總=nG組=32.49=7.48KgW實(shí)=P組/(dL組)=(11.67103)/(3.14160.3753178) =3W/cmW允,滿足設(shè)計(jì)要求。 5.5電熱元件的安裝1電熱元件在爐膛內(nèi)的布置本設(shè)計(jì)的爐子中為螺旋狀電熱元件，均勻分布在爐墻上，因?yàn)闋t膛內(nèi)墻水平面圓周長為3.14160.9=2.83m，因?yàn)?.05/2.83=1.43，所以將每組電阻絲平均分為2折，每折長2.83m，并將每折繞成圈，超出部分與引出端相連，水平擱在爐壁的擱磚上。因?yàn)橐还灿?3=6根電阻絲，且爐膛高度為2.0m，每相鄰兩根電阻絲中心在豎直面上相距2000/7=285.6，取電阻絲間距286mm，電阻絲距上下285mm.即2852+2865=2000mm。如簡圖：a.螺旋形電熱元件放在爐墻擱絲磚上b.螺旋形電熱元件放在爐底溝槽中2電熱元件的引出端電熱元件穿過爐壁引出爐外的部分稱為引出端。引出端與爐殼的連接必須保證密封、牢固、絕緣和拆卸方便。電熱元件引出端需穿過爐壁，散熱條件很差，為防止引出端溫度過高，應(yīng)加大引出端尺寸。對(duì)金屬電熱元件需另外焊接一不銹鋼引出棒，其截面積應(yīng)為元件的3倍以上。3電熱元件的焊接電熱元件的焊接質(zhì)量非常重要，質(zhì)量不好容易產(chǎn)生局部燒壞，并且有可能產(chǎn)生脆性，易于折斷。本設(shè)計(jì)中使用的鐵鉻鋁合金焊接時(shí)會(huì)晶粒粗大，并且無法熱處理細(xì)化，需快速焊接，一般質(zhì)量要求的可用電弧焊，質(zhì)量要求較高時(shí)應(yīng)采用氬弧焊，元件各部分直接按的焊接常采用搭焊，元件與引出棒之間采用鉆孔焊。6、爐溫儀表的選擇：本次設(shè)計(jì)的低溫井式電阻爐，加熱區(qū)為一個(gè)區(qū)，且加熱溫度區(qū)間為0650