2023/8/71熱處理電阻爐課程設(shè)計(jì)主講教師：汪炳叔2023/7/311熱處理電阻爐課程設(shè)計(jì)主講教師：汪炳叔2023/8/72電阻爐是最主要的、應(yīng)用最廣的熱處理設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：1)控溫精度和自動(dòng)化程度很高，準(zhǔn)確度可達(dá)1～5℃；2)爐溫均勻性好，波動(dòng)范圍小，可控制在3～5℃；3)熱效率高，可達(dá)45%～80%(煤氣爐＜25%)；4)便于采用可控氣氛；5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，便于組成流水線生產(chǎn)；6)其生產(chǎn)和熱處理工藝的機(jī)械化、自動(dòng)化、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量高，勞動(dòng)條件好，對(duì)環(huán)境污染較小。2023/7/312電阻爐是最主要的、應(yīng)用最廣的熱處理設(shè)備2023/8/73箱式電阻爐2023/7/313箱式電阻爐2023/8/74箱式電阻爐a、高溫箱式電阻爐：最高溫度1300℃，SiC棒作電熱元件。特點(diǎn)：①電熱元件直接布置在爐膛兩側(cè)，且不遮蔽，極少布置于爐頂和爐底，工件加熱依靠熱輻射。②砌筑材料要求高，高鋁磚或SiC制品。2023/7/314箱式電阻爐2023/8/752023/7/3152023/8/76b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950℃，合金電熱元件Ni-Cr。特點(diǎn)：1）電熱元件布置在爐子側(cè)壁和爐頂，依靠輻射加熱工件。2）爐襯采用密度不超過(guò)1.0g/cm3的輕質(zhì)耐火粘土磚砌成，保溫層采用珍珠巖保溫磚并填以蛭石粉、膨脹珍珠巖顆粒等材料。2023/7/316b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950℃，合2023/8/77b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950℃，合金電熱元件Ni-Cr。特點(diǎn)：3）在耐火層和保溫層間夾以硅酸鋁耐火纖維作為爐襯。作用：爐襯變薄、重量減輕、爐襯蓄熱量減少、熱損失減少、降低爐子空載功率并縮短升溫時(shí)間。4）較大的爐子采用溫度分區(qū)控制，增進(jìn)溫度均勻性，還可設(shè)置風(fēng)扇，以加快傳熱速度。5）爐底電熱元件上方敷蓋耐熱鋼制爐底板，其材料以鉻錳氮居多。2023/7/317b、中溫箱式電阻爐：額定溫度950℃，合2023/8/782023/7/3182023/8/79c、低溫箱式電阻爐：<650℃有強(qiáng)制氣流循環(huán)和遠(yuǎn)紅外輻射加熱爐，前者靠對(duì)流傳熱。2023/7/319c、低溫箱式電阻爐：<650℃2023/8/710★熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作：所需知識(shí)：爐子知識(shí)；熱處理工藝；機(jī)械設(shè)計(jì)；電工及溫度控制等有關(guān)內(nèi)容；設(shè)計(jì)原則：密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，綜合運(yùn)用有關(guān)知識(shí)?！镌O(shè)計(jì)準(zhǔn)備：詳盡收集有關(guān)原始資料：包括：生產(chǎn)任務(wù)(公斤或件/小時(shí)或年)及作業(yè)制度(一、二班或連續(xù)生產(chǎn))；加熱工件的材料、形狀、尺寸和重量；工件的熱處理工藝規(guī)程和質(zhì)量要求；電源及車(chē)間廠房等條件；爐子的制造維修能力和投資金額等。2023/7/3110★熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)2023/8/711★熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)爐型的選擇；(2)爐膛尺寸的確定；(3)爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(包括爐襯、構(gòu)架、爐門(mén)等)；(4)電阻爐功率的計(jì)算及功率分配；(5)電熱元件材料的選擇；(6)電熱元件材料的設(shè)計(jì)計(jì)算；(7)爐用機(jī)械設(shè)備和電氣、控溫儀表的設(shè)計(jì)與選用；(8)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的核算；(9)繪制爐子總圖、砌體圖、零部件圖、安裝圖和編制電爐使用說(shuō)明書(shū)等隨機(jī)技術(shù)文件。2023/7/3111★熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容

熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例一、設(shè)計(jì)任務(wù)

為某廠設(shè)計(jì)一臺(tái)熱處理電阻爐，其技術(shù)條件為：

(1)用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調(diào)質(zhì)處理。處理對(duì)象為中小型零件，無(wú)定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；

(2)生產(chǎn)率：160kg/h；

(3)工作溫度：最高使用溫度≤950℃；

(4)生產(chǎn)特點(diǎn)：周期式成批裝料，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)。熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例一、設(shè)計(jì)任務(wù)為某

1．爐底面積的確定因無(wú)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p0為120kg/(m2﹒h)，故可求得爐底有效面積二、爐型的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給出的生產(chǎn)特點(diǎn)，擬選用箱式熱處理電阻加熱爐，不通保護(hù)氣氛。三、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸1．爐底面積的確定二、爐型的選擇根熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例課件2023/8/7152023/7/3115

有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1/F=0.75~0.85，取系數(shù)上限，得爐底實(shí)際面積

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.741m，B=0.869m。

由于熱處理箱式電阻爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮裝出料方便，取L/B=2：1，而F=L·B=0.5L2，因此，可求得

2．爐底長(zhǎng)度和寬度的確定有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1/F=0.7

3．爐膛高度的確定按統(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=0.7左右，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，選定爐膛高度H=0.640m。因此，確定爐膛尺寸如下：爐底支撐磚厚度拱角磚矮邊高度爐底擱磚寬度磚縫長(zhǎng)度磚長(zhǎng)3．爐膛高度的確定爐底支撐磚厚度拱角磚矮邊爐底擱磚寬度磚

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=1500mm；B效=700mm；H效=500mm為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應(yīng)使工熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例課件

4．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—1.0輕質(zhì)粘土磚+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mrnB級(jí)硅藻土磚。

爐頂采用113mmQN—1.0輕質(zhì)粘土磚十80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十115mm膨脹珍珠巖。

爐底采用三層QN—1.0輕質(zhì)粘土磚(67①×3)mm+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十182mmB級(jí)硅藻土磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯。

爐門(mén)

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(jí)硅藻土磚。

爐底隔磚采用重質(zhì)粘土磚，電熱元件擱磚選用重質(zhì)高鋁磚。（注①67=65+2，2是磚縫的寬度。）

4．爐襯材料及厚度的確定2023/8/7212023/7/3121四、砌體平均表面積計(jì)算爐底板材料選用Cr—Mn—N耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。

砌體外廓尺寸如圖5—15所示（教材圖5-9）。

L外=L+2×(115+50+115)=2360mmB外=B+2×(115+50+115)=1490mmH外=H+f+(115+80+115)+67×4+50+182

爐頂厚

4塊粘土磚高

爐底保溫層厚

=640+116+310+268+50+182=1566mm

式中：f—拱頂高度，此爐子采用600標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R=B，則f可由f=R(1-co300)求得。四、砌體平均表面積計(jì)算爐底板材料選用Cr—Mn—N耐熱鋼，根爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門(mén)包括在前墻內(nèi)。

F墻內(nèi)=2LH十2BH=2H(L十B)=2×0.640×(1.741+0.869)=3.341m2F墻外=2H外(L外+B外)=2×1.566×(2.360+1.490)=12.058m2爐頂平均面積

2．爐墻平均面積爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門(mén)包括在前墻內(nèi)。爐頂五、計(jì)算爐子功率

1．根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子功率由式(5—14)

五、計(jì)算爐子功率2023/8/725式中：τ—空爐升溫時(shí)間(h)；

F—爐膛內(nèi)壁面積(m2)t—爐溫(℃)；

C—系數(shù)，熱損失大的爐子，C＝30－35；熱損失小的爐子，C＝20－25，單位為[(kw·h0.5)／(m1.8·℃1.55)]。這種方法適用于周期作業(yè)封閉式電阻爐，使用時(shí)需注意使用條件并參考有關(guān)文獻(xiàn)。2023/7/3125式中：τ—空爐升溫時(shí)間(h)；取式中系數(shù)C=30[(kW﹒h0.5)/(m1.8﹒C1..55)，空爐升溫時(shí)間假定為τ升=4h，爐溫t=950℃，爐膛內(nèi)壁面積F壁

由經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得P安≈75(kW)取式中系數(shù)C=30[(kW﹒h0.5)/(m1.8﹒C1..

(1)加熱工件所需的熱量Q件由附表6得，工件在950℃及20℃時(shí)比熱容分別為

C件2=0.63kJ/(kg﹒℃)，C件1=0.486kJ/(kg·℃)，根據(jù)式(5—1)Q件=P(C件2t1—C件1to)=160×(0.63×950-0.486×20)=95117 kJ/h（p每小時(shí)裝爐量）

(2)通過(guò)爐襯的散熱損失Q散由于爐子側(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(jiǎn)化計(jì)算，將爐門(mén)包括在前墻內(nèi)。2．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(2)通過(guò)爐襯的散

根據(jù)式(1—15）對(duì)于爐墻散熱，如圖5—16所示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t′2墻=780℃

，t′3墻=485℃，t′4墻=60℃則根據(jù)式(1—15）對(duì)于爐墻散熱，如圖5—16所示，首先假定

耐火層S1的平均溫度ts1均=（950+780）/2=865℃，硅酸鋁纖維層S2的平均溫度ts2均=（780+485）/2=632.5℃,硅藻土磚層S3的平均溫度ts3均=（485+60）/2=272.5℃，S1、S3層爐襯的熱導(dǎo)率由附表3得

λ1=0.29+0.256×10-3ts1均

=0.29+0.256×10-3×865=0.511W/(m﹒℃)λ3=0.131+0.23×10-3ts3均

=0.131+0.23×10-3×272.5=0.194W/(m﹒℃)。普通硅酸鋁纖維的熱導(dǎo)率由附表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)率與溫度成線性關(guān)系，由tS2均=632.5℃，得

λ2=0.129W/(m﹒℃)

耐火層S1的平均溫度ts1均=（950+當(dāng)爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時(shí)，由附表2經(jīng)近似計(jì)算得α∑=12.17W/(m2﹒℃)（綜合傳熱系數(shù)）求熱流當(dāng)爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時(shí)，由附表2經(jīng)近似計(jì)算得α∑②驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻、t3墻②驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻、t3墻滿足一般熱處理電阻爐表面溫升<50℃的要求。室溫20℃③驗(yàn)算爐殼溫度t4墻④計(jì)算爐墻散熱損失

Q墻散=q墻·F墻均=730.4×6.25=4562.5W同理可以求得

t2頂=844.39℃；

t3頂=562.6；

t4頂=53℃；

q頂=485.4W/m2滿足一般熱處理電阻爐表面溫升<50℃的要求。室溫20℃③驗(yàn)

t2底=782.2℃，t3底568.54℃，t4底=53.7℃，

q底=572.2W/m2

爐頂通過(guò)爐襯散熱

Q頂散=q頂·F頂均=485.4×2.29=1111.6W

爐底通過(guò)護(hù)襯散熱

Q底散=q底.F底均=572.2×2.23=1276W整個(gè)爐體散熱損失

Q散=Q墻散+Q頂散十Q底散

=4562.5+1111.6+1276=6950.1w（因?yàn)?W=3.6kJ/h）所以Q散

=3.6×6950.1=25020.4kJ/ht2底=782.2℃，t3底568.54℃=0.1爐門(mén)開(kāi)啟率δt=(3)開(kāi)啟爐門(mén)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)式(5—6)式中：C—黑體輻射系數(shù)；F—爐門(mén)開(kāi)啟面積或縫隙面積（m）；3.6—系數(shù)；φ—爐口遮蔽系數(shù)；

δt—爐門(mén)開(kāi)啟率(即平均1小時(shí)內(nèi)開(kāi)啟的時(shí)間)，對(duì)常開(kāi)爐門(mén)或爐壁縫隙而言δt=1。

因?yàn)門(mén)g=950+273=1223K，Tα=20+273=293K，由于正常工作時(shí)，爐門(mén)開(kāi)啟高度為爐膛高度的一半，故爐門(mén)開(kāi)啟面積F=B×=0.869×=0.278m2=0.1爐門(mén)開(kāi)啟率δt=(3)開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失式中：35可編輯35可編輯由于爐門(mén)開(kāi)啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.32/0.869=0.37，（可看出此為一拉長(zhǎng)的矩形），爐門(mén)開(kāi)啟高度與爐墻厚度之比為H′/S=0.32/0.28=1.14，由圖1—14第1條線查得φ=0.7，故

0.28=(0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05(m)由于爐門(mén)開(kāi)啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.337可編輯37可編輯(4)開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失溢氣熱損失由式(5—7Q吸

)得

Q溢=qVαραCα(t′g—tα)δt其中，qVα由式（5—8qva=1997BH）得(4)開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失(5)其它熱損失其它熱損失約為上述熱損失之和的10%~20%，故Q它=0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢)=0.13×(95117+25020.4+8877.75+33713)=23346.1kJ/h(5)其它熱損失(6)熱量總支出其中Q輔=0，Q控=0，由式((5—l0)得

Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+Q它

=95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1=202931.2kJ/h其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.4，則

P安==78.9Kw與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為75kW。(7)爐子安裝功率

(6)熱量總支出其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.4，1．正常工作時(shí)的效率

由式(5—12)

2.在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率

六、爐子熱效率計(jì)算1．正常工作時(shí)的效率2.在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率六、爐子

七、爐子空載功率計(jì)算八、空爐升溫時(shí)間計(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(jiǎn)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，因升溫時(shí)爐底板也隨爐升溫，也要計(jì)算在內(nèi)。七、爐子空載功率計(jì)1.爐墻及爐頂蓄熱

0.97×(1.741+0.276)×0.115=0.225m32×[(0.869+0.115×2)×(16×0.067+0.135)]=0.305m3

2×［1.741×(12×0.067+0.135)×0.115=0.376m3拱角磚的厚度1.爐墻及爐頂蓄熱0.97×(1.741+0.27

2.3×1.43×0.115=0.378m32×[1.43×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.397m32×[(12×0.067+0.135)×(1.741+0.115)×0.115=0.401m31.071×(1.741+0.276)×0.08=0.13m3

2×[(0.87+0.115×2)×(16×0.067+0.135)×0.05=0.133m32×[(1.741+0.115)×(12×0.067+0.135)×0.05=0.174m32.3×1.43×0.115=0.378m3由式（5—9）得：Ｑ蓄=V1ρ1(C1′t1′-C1t0)+V2ρ2（C2′t2′-C2t0）（kJ）（5—9）由式（5—9）得：Ｑ蓄=V1ρ1(C1′t1′-C1t0)+熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例課件熱處理電阻爐設(shè)計(jì)計(jì)算舉例課件爐底蓄熱計(jì)算爐底蓄熱計(jì)算查附表3得查附表3得3．爐底板蓄熱

根據(jù)附表6查得950℃和20℃時(shí)高合金鋼的比熱容分別為C板2=0.670kJ/(kg﹒℃)和C板1=0.473kJ/(kg﹒℃)。經(jīng)計(jì)算爐底板重量G=242kg，所以有Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242×（636.5-9.46）=151743.6kJ3．爐底板蓄熱Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242×

對(duì)于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在3-8小時(shí)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(zhǎng)，實(shí)際空爐升溫時(shí)間應(yīng)在4小時(shí)以內(nèi)。由式(5—13)得空爐升溫時(shí)間Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板

=1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ對(duì)于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在3-75kW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(chē)間動(dòng)力電網(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對(duì)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。表面負(fù)荷在20~25kW/m2常用的范圍之內(nèi)，故符合設(shè)計(jì)要求。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Y1．圖表法由附表15查得0Cr25A15電熱元件75kW箱式爐YY接線，直徑d=5mm時(shí)，其表面負(fù)荷為1.58W/cm2。每組元件長(zhǎng)度L組=50.5m，總長(zhǎng)度L總=303.0m,元件總重量G總=42.3kg,

2、理論計(jì)算法

(1)求950℃時(shí)電熱元件的電阻率ρt

當(dāng)爐溫為950℃時(shí)，電熱元件溫度取1100℃，由附表12查得0Cr25A15在20℃時(shí)電阻率ρ20=1.40Ωmm2/m，

由最高使用溫度950℃，選用線狀0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用YY。十、電熱元件材料選擇及計(jì)算1．圖表法2、理論計(jì)算法由最高使用溫度2023/8/7542023/7/31542023/8/7552023/7/3155(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車(chē)間動(dòng)力電網(wǎng)端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓(3)每組電熱元件功率由于采用YY接法，即三相雙星形接法，每組元件功率

(2)確定電熱元件表面功率由圖5—3，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取

W允=1.6W/Cm電阻溫度系數(shù)α=4×10-5℃-1，則1100℃下的電熱元件電阻率為ρt=ρ20(1+αt)=1.40×10-5×1100)=1.46Ω·mm2/m(4)每組電熱元件端電壓(3)每組電熱元件功率(2)

(5)電熱元件直徑

線狀電熱元件直徑由式(5—24)得取d=5mm

(6)每組電熱元件長(zhǎng)度和重量每組電熱元件長(zhǎng)度由式(5—25)得每組電熱元件重量由式(5—26)得(5)電熱元件直徑取d=5mm每組電熱元件重量由式(5—2（7)電熱元件的總長(zhǎng)度和總重量電熱元件總長(zhǎng)度由式(5—27)得

L總=6L組=6×52.07=312.44m

電熱元件總重量由式(5—28)得

G總

=6G組=6×7.26=43.56kg

式中，ρM由附表12查得ρM=7.1g/cm2

所以得w實(shí)<W允，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

(8)校核電熱元件表面負(fù)荷

所需電熱元件總長(zhǎng)度和總重量為

L總=nL（m）（5-27）