課程設計第13頁箱式電阻爐的設計任務設計書1.電阻爐形式：箱式電阻爐2.爐膛尺寸：400×200×160mm3.使用溫度：1100℃4.爐體表面溫度：80℃5.電源電壓：三相，220V，380V。摘要本熱工課程設計說明書根據(jù)教學計劃的熱工課程要求設計而成，著重在于闡述箱式電阻爐的具體設計過程。設計包括：爐膛設計，容積的設計，爐體材料的選擇和爐體機構設計，功率的計算，電熱體布置及供電電路設計，電熱體積尺寸計算，測溫熱電偶選擇等六部分。著重在于闡述電阻爐結構的確定、發(fā)熱體材料的選擇和供電電路的設計等一系列設計箱式電阻爐需要解決的問題。本設計說明書可為實驗室實用箱式電阻爐提供參考，亦可為實驗室箱式電阻爐維護提供依據(jù)。本設計是綜合運用《熱工過程與設備》課程所學的傳熱學、耐火材料、保溫材料、電熱體材料、窯爐結構等方面的知識進行電阻爐的設計，通過本設計使學生進一步的了解和掌握課程所學的知識，同時對學生進行查閱資料、參數(shù)的選擇和確定、設計計算、制圖等設計技能的訓練。引言電阻爐是利用電流使爐內電熱元件或加熱介質發(fā)熱，從而對工件或物料加熱的工業(yè)爐。電阻爐在機械工業(yè)中用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、粉末冶金燒結、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點金屬熔化、砂型和油漆膜層干燥等。電阻爐與火焰爐相比，它具有結構簡單，占地面積少，加熱空間緊湊，空間熱強度高，熱效率高，溫度便于實現(xiàn)精確控制等特點。本次課程設計的目的就是將熱工課程的理論知識應用到電阻爐設計的實驗中去，理論與實踐相結合，從而了解電阻爐的各部分元件的性能要求、構造及設計方法。通過本次設計增強了理論與實踐相結合的能力，加強了動手動腦能力和邏輯思維能力，為今后的實驗工作奠定了基礎，積累了豐富的經驗。陶瓷工業(yè)在社會主義建設、國防科學和人民生活中都占有重要的地位，它不僅與人類的日常生活文化有密切的關系，而且隨著科學技術的發(fā)展，運用于電子、原子能等尖端材料中。第一章電阻爐的特點及其分類§1.1電熱窯爐的簡介電熱窯爐是一種可以把電能轉化為熱能，使制品溫度上升，并完成燒結過程的一種窯爐。其優(yōu)點有：可以達到2000℃以上的高溫，且控溫精度高；爐內氣氛潔凈，產品質量好；結構緊湊，空間熱強度高，即熱效率高；不需要燃燒系統(tǒng)、通風系統(tǒng)，占地面積小，結構簡單；對環(huán)境污染小；易實現(xiàn)自動化。其缺點有：附屬的電器設備比較復雜；燒還原氣氛時，須人工引入還原氣體；電耗高，電費較貴。§1.2電阻爐簡介電阻爐通常按照爐膛的結構形式及制品在電阻爐內的移動方式加以劃分，可分為如下幾類：間歇操作電爐：按爐溫的高低，分為低溫（工作溫度低于600～700℃）、中溫（工作溫度為700～1250℃）和高溫（工作溫度大于1250℃）三類。按其結構特點來分可分為：①箱式電阻爐：外形象箱子，爐膛呈六面體，靠近爐膛內壁放置電熱體，爐溫在1200℃以下，通常采用鎳鉻絲、鐵鉻鋁絲；爐溫為1350～1400℃時采用硅碳棒；爐溫為1600℃時可采用二硅化鉬。箱式電阻爐主要用于單個小批量的大、中、小型制品的燒成。②井式電阻爐：爐膛高度大于長度和寬度，爐門開在爐頂面，用爐蓋密封。電熱體通常布置在爐膛的側壁上，多為圓形、正方形或長方形，適宜于燒制管狀制品。深井電爐通常沿高度分成幾個加熱區(qū)，各區(qū)溫度通過分別控制功率來調節(jié)，使電爐沿整個高度溫度分布均勻。噶問陶瓷氫氣鉬絲爐最高工作溫度為1700～1800℃，鎢棒爐可達2500℃。半連續(xù)操作電阻爐：這種窯爐不在狹長的爐室內裝制品，這樣有便于操作，改善勞動條件的優(yōu)點。按結構可分為：①鐘罩式電阻爐：它由爐罩和底座構成，形狀大多是圓形，密封性好，熱效率高。②臺車式電阻爐：它易于適應生產上的變化情況，比普通電爐熱利用率高。連續(xù)操作電熱窯爐：電熱隧道窯較其他窯型有先進的熱工設備，已廣泛使效果好，它的結構與煤氣隧道窯很相似，具有連續(xù)大批量生產的優(yōu)點。工業(yè)應用較多的連續(xù)操作電熱窯有：①窯車式電熱隧道窯：可以做成雙軌，兩個隧道靠的很近，以減少向外熱損失。②推板式電熱隧道窯：通道由一個或數(shù)個隧道所組成。通道底由堅固的耐火磚精確砌成滑道，制品裝在推板上由頂推機構推入窯室內燒成。③輥底式電熱隧道窯：這種窯溫度分布均勻適宜快速燒成，有利于實現(xiàn)燒成工序的機械化和自動化。④傳帶式電阻爐：具有一條由兩個輪滾撐緊的傳送帶，兩個輪滾中的一個是主輪滾，由電動機驅動。傳動帶用耐火合金材料制成，電熱體安裝在爐頂和爐底。⑤鏈式電阻爐：電熱體用鐵鉻鋁高電阻電熱合金絲，采用帶狀加工成波紋型懸掛于爐膛四周或采用絲狀盤繞成螺旋形懸掛于爐膛兩側及擱置在爐底?！?.3選用箱式電阻爐的原因本設計我選用箱式電阻爐。箱式電阻爐的使用范圍廣，不同溫度下可采用不同的電熱元件，且制品的燒成范圍比較廣，適用于大、中、小型的各類制品的生產加工。第二章爐膛容積和尺寸的確定§2.1爐內寬與高的尺寸確定原則(1).窯爐體積大，產量大，單位窯積所占外表面積比容積小的窯爐相應小些，因此單位制品的電阻爐體積蓄、散熱量要小些。電阻爐的容積過大會使爐內溫度分布不均勻，降低燒成產品的質量。(2).爐膛容積小，單位制品熱耗大但爐內溫度分布均勻，爐內氣氛均勻。窯爐的容積過小，其開設爐門散熱損失所占比重大。綜上所述，爐膛容積不是越大越好，也不是越小越好，視情況而定。§2.2爐膛尺寸的確定爐膛尺寸的大小應根據(jù)工件、盛料器或工件模具所需要的空間及發(fā)熱元件的分布予以確定。工件與爐壁的距離隨爐型和熱工的要求不同而異，電爐的有效容積不包括電熱體所占空間。確定電爐的長、寬、高等各項尺寸時，除考慮產品尺寸外還要考慮以下特點：電熱體裝在爐膛兩旁寬度不能太大，否則爐膛方向上溫度就不夠均勻。具體參考數(shù)據(jù)如下：功率大于5000W的大中型電阻爐，其工件到爐壁距離為10～50mm；功率小于5000W的小型電阻爐，工件與爐壁距離約為10～25mm。本次設計所選爐膛尺寸為：400×200×160mm。第三章爐體材料選擇和爐體結構設計§3.1材料的選擇3.1.1耐火材料的選擇1、耐火材料的要求：耐火材料的質里主要從它的高溫實用性和耐火度，高溫荷重，軟化溫度，熱穩(wěn)定性，抗化學腐蝕性和高溫體積穩(wěn)定性等幾個方面綜合考慮。2、幾種可選的耐火材料的性能特點：（1）粘土耐火磚：粘土磚屬于耐酸性耐火材料，熱穩(wěn)定性好，荷重軟化開始溫度在1250～1300℃以上，軟化開始和坍塌變形溫度間隔很大，拈七磚在陶瓷工業(yè)窯爐上使用很廣，使用溫度在1300℃以下。（2）高鋁磚：高鋁磚是用高鋁礬土熟料加綜合粘土成型，在1450～1500℃下燒成，它的耐火度及荷重軟化溫度均比粘土磚高，開始軟化溫度在1400～1500℃以上，抗化學腐蝕性也比較好，但是熱穩(wěn)定性較差，使用溫度在1400～1600℃。（3）半硅磚：屬于半酸性耐火材料，荷重軟化溫度比粘土磚稍高，極冷極熱性能比硅磚好，比粘土磚差。（4）硅磚：含氧化硅95%以上，以石英砂燒制，若在其中加入Fe或者P，用石灰乳做礦化劑，以亞硫酸汁漿做。使用溫度在1350～1400℃。荷重軟化溫度在1620℃以上，但熱穩(wěn)定性差，不適合砌筑間歇式窯爐。（5）鎂硅磚：是以方鎂石（MgC）為主要礦物組成，鎂橄欖石為基質結合的，燒成溫度1620～1650℃，荷重軟化點1550℃以上。（6）鎂磚：耐火度超過2000℃，荷重軟化溫度1500℃，使用溫度1650～1700℃，但熱穩(wěn)定性不好。（7）鎂鋁磚：氧化鎂大于80%，氧化鋁為51%，耐火度高達2130℃。（8）剛玉磚：剛玉磚和氧化鋁為原料，1600～1800℃燒制而成，使用溫度1800℃以下。3.1.2隔熱保溫材料的選擇1.目的：減少窯體的熱損失，提高熱效率。2.要求：①要有較低的熱導系數(shù)，工作熱阻要高。②有較低的比熱和密度。③使用溫度要高（要有一定耐火度）。④具有一定的機械強度，高溫下體積穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，壽命長。⑤便于施工，便于取得。3、分類：①低溫隔熱保溫材料如：硅藻上、珍珠鹽、石棉、礦渣棉,使用溫度小于600℃。②中溫輕質耐火材料如：輕質硅磚、輕質粘土磚、輕質高鋁磚③高溫耐火隔熱材料：耐火纖維及制品，氧化鋁空心小球及制品。特點：隔熱保溫效果好，用于陶瓷窯爐。綜合上述因素考慮，所選保溫材料應為輕質粘土磚。3.1.3箱體材料普通鋼板（5mm）§3.2爐膛結構與熱量計算窯內溫度與窯外溫度的傳導主要為導熱傳熱，而對流和輻射可以忽略不計，所以電阻爐熱量的損失計算轉化為雙層平壁導熱。窯墻示意圖如：80℃127080℃1270℃耐火材料隔熱材料δ1δ21300℃窯內1300℃窯外80℃耐火材料選擇粘土磚厚度為20～30mm粘土磚：輕質粘土磚：=t=1100℃t3=80℃設t=1080℃則Q=校核℃誤差：||×100%=0.203%＜5%所以t2=1080℃Q=1317.1W/mδ1=23mm，δ2=140mm綜上t2溫度適合耐火材料。保溫層厚度＝內外壁厚度－磚的厚度爐體長：400＋2×﹙23＋140＋5﹚＝736mm爐體寬：200＋2×﹙23＋140＋5﹚＝536mm爐體高：160＋2×﹙23＋140＋5﹚＝496mm電阻爐的主視結構圖：爐壁和爐底均采用此種結構砌筑，在爐壁外表面用厚約2mm的耐火陶瓷棉做成的布覆蓋。爐頂蓋在設計時，考慮到其常移動打開，而且全部用輕質的陶瓷纖維做成的板材砌筑，使其密封性良好，將其周圍研磨平整，在爐蓋上壓一定重量的重物。保溫材料要能承重，選用輕質粘土上磚?！?.3爐殼、爐門3.3.1爐殼結構爐殼是一個密封結構件，爐殼的結構應便于對每一個焊縫進行檢漏。工作時應充分冷卻不許變形。1.爐殼材料爐殼應根據(jù)加熱爐的工作條件，焊接性能和密封性能選用復合鋼板，空爐殼的復層厚度有1～2mm即可。起支撐保護作用。2.爐門設計爐門功能：開關，便于樣品存放與取出。要求保溫，密封性好。尺寸約為200×500mm2，實驗室用兩塊耐火磚即可。第四章功率的計算§4.1確定功率4.1.1按面積負荷法確定功率爐膛內表面每平方米上布置的功率大，爐溫就高，布置功率越小，爐溫就低。一般推薦如下：爐溫，℃布置功率，kw/m215～2010～156～104～7功率計算公式：N=KF（F表示爐的內表面積）。已知爐膛尺寸：400×200×160mm爐膛內表面積：F＝2×﹙0.4×0.2＋0.4×0.16＋0.2×0.16﹚＝0.352m2因為爐子使用溫度為1100℃，取13kw/m2N＝k1F＝13×0.352＝4.576kw4.1.2按容積負荷法確定功率根據(jù)箱式電阻爐，井式電阻爐長期實踐總結可知電阻爐的功率與電爐的爐膛容積有一定關系，其關系如下：N=KV2/3kw式中：V=爐膛的有效容積，m3；K=隨爐溫不同的系數(shù)。對于箱式電阻爐：當爐溫為1200℃時，K=150；當爐溫為1000℃時，K=100；當爐溫為700℃時，K=75；當爐溫為400℃時，K=50。爐子有效容積V＝0.4×0.2×0.16＝12.4×10mk＝120則N＝kV＝120×﹙12.4×10﹚＝6.43kw4.1.3實際功率由于計算功率并不是所實際爐子的實際功率，實際考慮到進一步提高產量的可能，或者計算中選用數(shù)據(jù)與實際不一樣，或者供電壓的波動對功率的影響，電熱體長期使用后的老化現(xiàn)象使電阻增大，以及縮短升溫冷卻時間等因素，在設計爐子時，一方面應考慮爐子的安全系數(shù)，另一方面應考慮爐子的功率儲備，故實際功率應為：N實=KN計（K取1.2~1.5）取k＝1.3N實＝kN＝1.2×6.43=7.716因此取最大功率7.716kw§4.2功率校核由第三節(jié)、第四節(jié)計算散失熱量q=1330.1w/m散熱功率：1330.1×F表＝1330.1：1330.1×F表＝1330.1×0.352＝0.4682kw由上計算功率為7.716kw＞0.4682kw，可以使溫度迅速升溫，符合要求。第五章電熱體材料的選擇§5.1材料要求1.電熱體的發(fā)熱溫度應當滿足工藝要求。電熱體的溫度應比爐膛溫度高50～100℃。2.具有較高的比熱阻和較小的電阻溫度系數(shù)。3.在高溫下電熱體必須穩(wěn)定，不易氧化，不與爐內的襯磚和氣體發(fā)生化學反應。4.具有優(yōu)良的機械性能。在高溫下不變形，有足夠的機械強度和良好的塑性和韌性，易于加工。5.熱膨脹系數(shù)不能太大。如果熱膨脹系數(shù)過大，電阻爐容易受損。6.電熱體成本要低，盡量合理利用材料。§5.2可選材料1、鉬屬于高熔點的稀有金屬，熔點2630℃，具有金屬光澤，硬而堅韌。鉬在高溫下具有加大的持久強度導電性能優(yōu)良，膨脹系數(shù)小。具有抗腐蝕性，是一種易氧化的金屬。鉬絲爐必須有調節(jié)范圍很寬的調壓裝置，一般采用感應變壓器或自耦變壓器。2、鎳鉻合金也稱為鎳基合金，其熔點隨合金成分而定，約為1400℃左右，可用于1100℃以下的電阻爐，其特點：高溫氧化性能好，因為在其表面能生成CrO薄膜，它可以保護內部的鎳合金不被氧化，所以不需要任何氣體保護。3、鐵鉻鋁合金熔點比鎳合金高，約為1500℃左右，目前我國生產的高溫鎳鉻合金的溫度可達1300—1400℃，鐵鉻合金加熱火在其表面生成一層AlO保護層，此保護層的熔點高，而且不容易氧化，它適合氧化或中性氣氛。但對碳、氯、氧的抗侵蝕能力不強，在高溫與酸性耐火材料及氧化鐵的反應劇烈。4、硅碳棒是最常用的非金屬元件，其他主要成分是SiC94.4％,SiO3.6％,其余為鐵鋁氧化鈣等使用溫度為1400℃左右，具有良好的導熱性、導電性和耐磨性，能承受較高的加熱溫度，低溫時其電阻與溫度成反比，硅碳棒在高溫的條件下使用與空氣中的CO2，O2等強烈反應，使其氧化，生成玻璃態(tài)的SiO2薄膜，因此電阻大。綜合以上條件和性質，本實驗選擇硅碳棒作電熱體材料。第六章電熱體尺寸計算§6.1硅碳棒規(guī)格的確定查鐵鉻鋁合金實際表面功率與電阻爐溫度關系圖可知（《硅酸鹽工業(yè)熱工設備》）選定鐵鉻鋁合金作為電熱元件，則其表面溫度為：1100+100=1200℃（假設電熱元件表面溫度比爐膛溫度高100℃）查表可知：則=1.4[1+8.5×10-5（1200-20）]=1.54查表可知：鐵鉻鋁合金在1100℃工作溫度下允許的最高表面功率W允=1(w/cm2)因為供電系統(tǒng)采用三相星型連接，故相電壓為220V，電爐的額定總功率為6.43KW，則每相功率2.14KW則電熱絲的斷面直徑d==1.8mm根據(jù)電阻絲的規(guī)格決定使用d=2mm的鐵鉻鋁合金絲。由公式==37.35（m）考慮到引出端接線取L為38m.則全爐共用的鐵鉻鋁合金絲總長為：3×38=114（m）第七章供電電路、功率分布、功率調節(jié)§7.1供電電路電阻爐通常用工業(yè)頻率（50Hz）的交流電，由車間電網(wǎng)供電，電壓為220V,或380V,爐子電壓不宜過高，因為高溫下耐火材料的導電性急劇增加，并使電流漏損的可能性增大，供電線路盡可能縮短，以減少電能在線路中的損耗。三相電荷應盡可能平衡，兩相不需平衡。

§7.2功率分布功率大的需要功率分布。升溫、保溫時采用不同的功率分布。本設計電阻爐功率不大，所以不用功率分布?！?.3功率調節(jié)為了調節(jié)爐內的溫度制度及爐內溫度穩(wěn)定，以滿足制品的燒成工藝需要，必須對電阻爐進行功率的調節(jié)，即調節(jié)電熱元件的發(fā)熱功率，其調節(jié)方法，一般來說有兩種：

1.利用變壓器調節(jié)。

2.改變電熱元件的連接方法來調節(jié)。

本電阻爐設計使用的是單相交流電，電壓為220V。采用兩根長電熱體并聯(lián)的方式連接電路。測溫熱點偶的選擇§8.1常用熱電偶1、鉑鍺—鉑熱電偶，WELB型鉑含量90%，銠10%。這是一種貴金屬熱電偶，正極為鉑鍺合金，負極為純鉑。比熱電偶可用于較高溫度的測量，若長時間使用可在0～1300℃工作。優(yōu)點：復線性好，靈敏度高。缺點：小于800℃時測量有誤差。2、鎳鉻—鎳鈷電偶，