一、設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：設(shè)計(jì)一臺中溫箱式熱處理電阻爐；爐子用途：中小型零件的熱處理；材料及熱處理工藝：中碳鋼毛坯或零件的淬火、正火及調(diào)制處理；生產(chǎn)率：160kg/h；生產(chǎn)要求：無定型產(chǎn)品，小批量多品種，周期式成批裝料，長時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)；要求：完整的設(shè)計(jì)計(jì)算書一份和爐子總圖一張。二、爐型的選擇根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用中溫箱式熱處理電阻爐，最高使用溫度950C，不通保護(hù)氣氛。三、確定爐體結(jié)構(gòu)及尺寸1?爐底面積的確定因無定型產(chǎn)品，故不能用實(shí)際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。已知生產(chǎn)

率p為160kg/h，按照教材表5-1選擇箱式爐用于正火和淬火時(shí)的單位面積生產(chǎn)率po為120kg/(m2-h),故可求得爐底有效面積：TOC\o"1-5"\h\zP1602F1===1.33m21P0120由于有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式R?F=0.75~0.85，取系數(shù)上限，得爐底實(shí)際面積：F11.332F===1.57m2爐底長度和寬度的確定由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮出料方便，取L?B=2,因此，可求得：L=VF?0.5=V1.57?0.5=1.772mB=L?2=1.772?2=0.886m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.741m,B=0.869m，如總圖所示。爐膛高度的確定按照統(tǒng)計(jì)資料，爐膛高度H與寬度B之比H?B通常在0.5~0.9之間，根據(jù)爐子工作條件，取H?B=0.640m。因此，確定爐膛尺寸如下：1長L=(230+2)X7+(230X^+2)=1741m寬B=(120+2)X4+(65+2)+(40+2)X2+(113+2)X2=869mm高H=(65+2)X9+37=640mm為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為：L效=1500mmB效=700mmH效=500mm爐襯材料及厚度的確定由于側(cè)墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結(jié)構(gòu)，即113mmQN-0.8輕質(zhì)粘土磚，+80mm密度為250kg?m3的普通硅酸鋁纖維氈，+113mmB級硅藻土磚。爐頂采用113mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚，+80mm密度為250kg?m3的普通硅酸鋁纖維氈，

+115mm膨脹珍珠巖。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)粘土磚（67x3）mm,+50mm密度為250kg?m3的普通硅酸鋁纖維氈，+182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。爐門用65mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚，+80mm密度為250kg?m3的普通硅酸鋁纖維氈，+65mmA級硅藻土磚。爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚（NZ-35），電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-N耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或者四塊，厚20mm。四、砌體平均表面積計(jì)算砌體外廓尺寸如下：L外=L+2x（115+80+115）=2360mmBB外=B+2x(115+B外=B外=B+2x(115+80+115)=1490mmH外=H+f+(115+H外=H+f+(115+80+115)+67x4+50+182=1566mm試中f——H外=H+f+(115+80+115)+67x4+50+182=1566mm試中f——拱頂高度，此爐子采用cos30。求得。1.爐頂平均面積60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R=B,則f可由f=R（1-F頂內(nèi)=2nR2x3.14x0.8692〒xL=—z—x1.741=1.585m2F頂外=B外xL外=1.490x2.360=3.516m2F頂內(nèi)=■vF頂內(nèi)xF頂外=a/1.585x3.516=2.360m?2?爐墻平均面積爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡化計(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。F墻內(nèi)=2LH+2BH=2H(L+B)=2x0.640x(1.741+=3.341m2=2x0.640x(1.741+=2x0.640x(1.741+=3.341m20.869)F墻外=2H外（L外+B外）=2x1.566x(2.360+=12.058m21.490)F墻均F墻均F墻均=/墻內(nèi)xF墻外F底內(nèi)F底外=v3.341F底內(nèi)F底外=6.347m23?爐底平均面積2=BxL=0.869x1.741=1.510m2=B外xL外=1.490x2.360=3.516m?

F底均=時(shí)底內(nèi)XF底外=VI.510X3.516=2.304m2五、計(jì)算爐子功率1.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子功率由教材式(5-14)t1.55P安=6升.5F°.9(頑)升=4h，爐溫t=取式中系數(shù)C=30[(kW?h°.5)?(m1.8?C1,55升=4h，爐溫t=所以F避=2X(1.741X0.640)+2+2X3.14X0.869X36°=6.440m2t1.55P安=6升.F°.9(碩)30X4-0.5X6.440.9X(74.1kW由經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得P安~75kW2.根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率(1)加熱工件所需的熱量Q件X(0.869X0.640)+1.741X0.869X1.7411559501.551000)由教材附表6得，工件在950C及20C時(shí)比熱容分別為c件2=0.548kJ?(kg?C),c件1=0.486kJ?(kg?C)，根據(jù)式(5-1)Q件=P(c件2t1-c#110)=160X(0.548X950-0.486X20)=81740.8kJ?h(2)通過爐襯的散熱損失的熱量Q散I.爐墻的散熱損失由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計(jì)算，將爐門包括在前墻內(nèi)。根據(jù)式(1-15)t1-tn+1Q散=可^=1汗iSi450C,t4墻=65C,則耐火層耐火層s1的平均溫度ts1耐火層s1的平均溫度ts1_950+800均二—廠纖維層S2的平均溫度ts2均=2800+450=625S3的平均溫度tS3均=450+竺耐火層s1的平均溫度ts1_950+800均二—廠纖維層S2的平均溫度ts2均=2800+450=625S3的平均溫度tS3均=450+竺=257.5cS1,S3層爐襯的導(dǎo)熱率由教材附表3得h=0.294+0.212X10-3ts1均0.294=0.480+0.212X875X10-3W?(m?C)875C,硅酸鋁C硅藻土磚層h=0.131+0.23X10-3ts3均=0.131+0.23X257.5X10-3=0.190W?(m?C)。普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由教材附表4查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成直線關(guān)系，由ts2均=625C,得血=0.128W?(m?C)當(dāng)爐殼溫度為65C，室溫為20C是，由教材附表2可得爐墻外表面對車間的綜合傳熱系數(shù)a刀=12.50W?(m2?C)①求熱流tg-taq墻=S1+S2+S3+1+++—

hhha刀950-200.115,0.080,0.115,1+++=600.06W?m2②驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻和t3墻t2墻=t1-q墻聖=950-600.06X001^5=806.24C2墻1r墻h0.480?」墻't2墻1=806.24-800t2#800=0.78%誤差?<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需要重新估算。S2七3墻=12墻-q墻^=806.24-600.06X3墻2墻^墻h0.128型=431.2C?=|t3?=|t3墻't3墻1t3墻1431.2-450|4504.18%誤差?<5%，同樣滿足設(shè)計(jì)要求，不需要重新估算。③驗(yàn)算爐殼溫度t4墻S30.115t4墻=t3墻-q墻顯=431.2-600.06=68C<70C滿足一般熱處理電阻爐表面升溫<50C的要求。計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散=q墻XF墻均=600.06X6.347=3808.58II.爐頂?shù)纳釗p失和爐墻散熱損失同理，首先假定界面上的溫度及爐頂殼的溫度，t2頂=840C,t3頂=560C,t4頂=52C。則：耐火層s1的平均溫度ts1均=950+2840=895C，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度ts2均840+5602560+52=700C,膨脹珍珠巖層S3的平均溫度ts3均==306C。S1,s3層爐襯的熱導(dǎo)率由教材附表3得：入=:0.294+0.212X10-3ts1均=0.294+0.212X895X10-3=0.484W?(m?C)=0.040+0.220X10-3ts3均=0.040+0.220X306X10-3=0.107W?(m?C)普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由教材附表4查得，ts2均=700時(shí)，?2=0.140W?(m?C)。當(dāng)爐殼溫度為52C，室溫為20C是，由教材附表2可查得爐殼表面對空氣的綜合傳熱系數(shù)a刀=11.59W?(m?C)。求熱流Q二tg-taTOC\o"1-5"\h\z頂s1+s2+S3+1九^2心a刀950-20=0.115.0.080.0.115.+++

=472.06W?m2驗(yàn)算交界面上的溫度t2頂和t3頂S10.115t2頂=t1-q頂=950-472.06X'=837.9C人IU.484?=印頂亠=二竺=0.26%t2頂840?<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需要重新估算。s20.080-q頂一=837.9-472.06X=568.15C頂h0.140t3頂=t2頂?=〔也亠=|568.15-560|=1.46%t3頂560③驗(yàn)算爐殼溫度t4頂S30.115t4頂=t3頂-q頂一=568.15-472.06X=60.8C70C4頂3頂頂h0.107滿足一般熱處理電阻爐表面升溫要求。④計(jì)算爐頂?shù)纳釗p失Q頂散=q頂？F頂均=472.06X2.360=1114.06W?m2III.爐底的散熱損失假定各層界面的溫度及爐底溫度，t2底=750C,t3底=550Ct4底=53C則耐火層S1的平均溫度ts1均=950+；5°=850C,硅酸鋁纖維層S2的平均溫度ts2均=750；550=650C,硅藻土磚層S3的平均溫度ts3均=更詳=301.5Csi和S3層爐襯的熱導(dǎo)率同樣可由教材附表3得h=0.294+0.212X10-3ts1均=0.474W?(m?C)h=0.131+0.230X10-3ts3均=0.200W?(m?C)普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率同樣可由教材附表4由插入法得h=0.132W?(m?C)。當(dāng)爐殼溫度為53C，室溫為20C是，由教材附表2可得a刀=11.72W?(m?C)。①求熱流tg-taQ底=S1+S2+S3+1+++——hhhaL950-20+0.132+0200+1172=523.8W?m20.474②驗(yàn)算交界面上的溫度t2底和t3底t2底=t10.195q底h=950-523.8X0.474=734.5Csi?=|t2底't2底1t2底1734.5-750|_7502.1%?<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需要重新估算。s20.050t3底=t2底-q底壬=734.5-523?8X0132=536」c|t3底-t3底1?=‘t3底?<5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需要重新估算。③驗(yàn)算爐殼溫度t4底1536.1-550|_5502.5%S3t4底=上3底-q底嘔=536.1滿足一般熱處理電阻爐表面升溫要求。0.180523.8X=64.68C0.200④計(jì)算爐底散熱損失Q底散=q底？F底均=523.8X2.304=1206.8W?m2整個(gè)爐體散熱損失Q散=Q墻散+Q頂散+Q底散=3808.58+1114.06+1206.8=6129.44W=22066kJ?h（3）開啟爐門的輻射熱損失設(shè)裝出料所需時(shí)間為每小時(shí)6分鐘，根據(jù)教材式（5-6）T4Q輻=3.6X5.675F?飆盤-4(點(diǎn)］Ta因?yàn)門g=950+273=1223K,Ta=20+273=293K,由于正常工作是，爐門開啟高

度為爐膛高度一半，故爐門開啟面積F=BXH=0.869X呼=0.278m2，爐門開啟率?=6?60=0.1。由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H?2與B之比為0.320?0.869=0.37,爐門開啟高度與爐墻厚度之比為0.32?0.31=1.03，由教材圖1-14第一條線查得孔口遮蔽系數(shù)？=0.7，故Tg4t4Q輻=3.6X5.675F?噸益）-（益）］122342934=5.675X3.6X0.278X0.1X0.7X［（）-（）］1001007」=8865.1kJ?h（4）開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由教材式（5-7）得°溢=qvapca(tg-ta)§式中，qva由教材式（5-7）得qvakJ?(m3?C),ta=20C,tg為1997B?2?丐=1997XqvakJ?(m3?C),ta=20C,tg為冷空氣密度Pa=1.29kg?m3,由教材附表10得Ca=1.301溢氣溫度，近似認(rèn)為j22tg=ta+3(tg-ta)=20+-(950-20)=640C簽=qv簽=qvaPaCa(tg-ta)St=314.1X1.29X1.302X(640-20)X0.1=32658.2kJ?h其他熱損失其他熱損失約為上述熱損失之和的10%~20%，故Q他=0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=0.13X(81740.8+22066+8865.1+32658.2)=18892.9kJ?h爐子熱量總支出其中Q輔=0,Q控=0,由教材式(5-10)得=81740.8+22066+8865.1+32658.2+18892.9=164223.02kJ?h爐子安裝功率

由教材式(5-11)KQ總P安=3600其中，K為功率儲備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.4，則1.4X1.4X164223.0236001.4X164223.021.4X164223.023600=63.86kW與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為75kW。六、爐子熱效率計(jì)算正常工作時(shí)的效率由教材式(5-12)=49.77%=49.77%=49.77%Q件81740.8Q總=164223.02=49.77%心、Q件QQ件Q總-(Q輻+Q溢)164223.02-8865.1-32658.2=66.6%七、爐子空載功率計(jì)算

由于所設(shè)計(jì)爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計(jì)算，將爐子側(cè)墻、前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，因?yàn)樯郎貢r(shí)爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。Q散+Q他22066+18892.9P空=八、空爐升溫時(shí)間計(jì)算=3600=3600="38kW1.爐墻及爐頂蓄熱TOC\o"1-5"\h\z狽y3V&=2X[1.741X(12X0.067+0.135)X0.115]=0.376m3V；：。后=2X[(0.869+0.115X2)X(16X0.067+0.135)X0.115]=0.305m3V頂=0.97X(1.741+0.276)X0.115=0.225m3側(cè)3V纖=2X[(1.741+0.115)x(12X0.067+0.135)X0.080]=0.279m3=2X[(0.87+0.115X2)X(16X0.067+0.135)X0.080]=0.212m頂3V纖=1.071X(1.741+0.276)X0.08=0.172m3V側(cè)=2X[(12X0.067+0.135)X(1.741+0.115)X0.115]=0.401m3前。后V硅=2X[1.490X(16X0.067+0.135)X0.115]=0.414m3'，頂3V珍~2.360X1.490X0.115=0.404m3由教材式（5-9）Q蓄=V；P占C黏（t黏-to）+7纖P纖乞千（t纖-to）+%硅P圭c圭（t硅-to）因?yàn)?50+806?24=878.12C查教材附表3,經(jīng)計(jì)算得c黏查教材附表3,經(jīng)計(jì)算得c黏=0.84+0.26X10-3t黏=0.84+0.26X10-3X878.12=1.068kJ?(kg?C)t2墻+t3墻2t2墻t2墻+t3墻2806.24+431.2=618.72C查教材附表3,查教材附表3,經(jīng)計(jì)算得c纖查教材附表3,經(jīng)計(jì)算得c纖=0.81+0.28X10-3t纖=0.81+0.28X10-3X618.72=0.983kJ?(kg?C)=421^=249.6C22查教材附表3查教材附表3,經(jīng)計(jì)算得c硅=0.84+0.25X10-3t硅=0.84+0.25X10-3X249.6=0.90kJ?(kg?C)爐頂珍珠巖按硅藻土磚近似計(jì)算，爐頂溫度均按側(cè)墻近似計(jì)算，所以得，側(cè)前。后頂Q蓄1=(V黏+V黏+診）嗪c黏(t黏-to)硅前。后頂+(V纖+V纖+V纖）P千c纖(t纖-to)側(cè)前。后頂+(V硅+V硅+v硅）P圭c硅(t硅■-t0)=(0.376+0.305+0.225)X0.8X103X1.07X(878.1-20)+(0.279+0.212+0.173)X0.25X103X0.98X(618.7-20)+(0.401+0.414+0.404)X0.55X103x0.90X(249.6-20)=901441.3kJ2.爐底蓄熱計(jì)算爐底高鋁質(zhì)電熱元件擱磚，近似看成重質(zhì)黏土磚。爐底的復(fù)合爐襯按硅藻土計(jì)算。底底底底v底=v重黏+v輕黏+鬼千+y硅底.、V黏重=(0.120X0.020X4+0.065X0.230+0.040X0.230X2+0.113X0.230X2)X1.741=0.165m3底V輕黏=(0.113X0.065X4+0.113X0.065X3)X1.741+(1.490-0.113X2)X(2.360-0.113)X0.065=0.274m3近似將重質(zhì)磚和輕質(zhì)磚平均溫度看成相等。差教材附表3，經(jīng)計(jì)算得V底:纖=2.360X1.490X0.05=30.176m3底3V硅:=2.360X1.490X0.180=0.633m3底t1+t2底950+734.5由于t黏=2=2—=842.25C底c重黏=0.88+0.23X10-3底Xt=重黏0.88+0.23X10-3X842.3==1.07kJ?(kg?C)底c輕黏=0.84+0.26X10-3底Xt=輕黏0.84+0.26X10-3X842.3==1.06kJ?(kg?C)4底t纖=t2底+t3底734.5+536.1=635.3C2一2查教材附表3，經(jīng)計(jì)算得底底c纖=0.81+0.28X103Xt纖=0.81+0.28X103X635.3=0.99kJ?(kg?C)'底t3底+t4底536.1+64.68t硅=一T-=―2—=300.4C查教材附表3，經(jīng)計(jì)算得底_3底-3c硅=0.84+0.25X103Xt硅=0.84+0.25X103X300.4=0.92kJ?(kg?C)

所以得所以得所以得=0.165X2.1X103X1.07X(842.3-20)+0.274所以得=0.165X2.1X103X1.07X(842.3-20)+0.176X0.25X103x0.99X(635.3-20)+0.633X0.5X103X0.92X(300.4-20)=652117kJ爐底板蓄熱計(jì)算根據(jù)教材附表6查得950C和20C時(shí)高合金鋼的比熱容分別為c板2=0.670kJ?(kg?C)和c板1=0.473kJ?(kg?C)。經(jīng)計(jì)算爐底板質(zhì)量G=238kg，所以有G(cG(c板2t1G(c板2t1c板1t0)=238X(0.670X950-G(c板2t1因此，綜上可得爐子蓄熱Q蓄1+qJ+Q蓄=910441.3+652117+149235.5=1734240.8kJ由教材式(5-13)得空爐升溫時(shí)間3600P安3600P安=3600P安=3600P安=1734240.83600X75=6餉對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在3~8h內(nèi)均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合要求。因計(jì)算蓄熱時(shí)是按穩(wěn)定態(tài)計(jì)算的，誤差大，時(shí)間偏長，實(shí)際空爐升溫時(shí)間應(yīng)在4h以內(nèi)。九、功率的分配與接線75kW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成Y、？或YY、??接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15~35kW?m2之間，常用為20~25kW?m2之間。F電=2F電側(cè)+F電底=2X1.741X0.640+1.741X0.869=3.74m2P安752W===20.05kW?m2F電3.74表面負(fù)荷在常用的范圍20~25kW?m2之內(nèi)，故符合設(shè)計(jì)要求。十、電熱元件材料選擇及計(jì)算由最高使用溫度950C,選用線狀0Cr25AI5合金作電熱元件，接線方式采用YY。圖表法有教材附表15查得0Cr25AI5電熱元件，75kW箱式電阻爐YY接線，直徑d=5mm時(shí)，其表面負(fù)荷為1.58W?cm2。每組元件長度L組=50.5m,總長度L總=303.0m,元件總質(zhì)量G總=42.3kg。理論計(jì)算法(1)求950C時(shí)電熱元件的電阻率p當(dāng)爐溫為950C時(shí)，電熱元件溫度取1100C,由教材附表12查得0Cr25AI5在20C時(shí)電阻

=1.40Q?mm2?m，電阻溫度系數(shù)a=4X10-5C1，則1100C下的電熱元件電阻率為X1100)=1.46Q?mm2?m由教材圖5-3，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6W?cm2。(3)每組電熱元件功率由于采用YY接法，即兩組電熱元件并聯(lián)后再接成753X2丫的三相雙星形接法，每組電熱元件功率75P組=V12.5kW(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為C1，則1100C下的電熱元件電阻率為X1100)=1.46Q?mm2?m由教材圖5-3，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6W?cm2。(3)每組電熱元件功率由于采用YY接法，即兩組電熱元件并聯(lián)后再接成753X2丫的三相雙星形接法，每組電熱元件功率75P組=V12.5kW(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，