10名目設(shè)計(jì)任務(wù)〔見教材80頁〕 1爐型選擇 1確定爐膛尺寸 1\l“_TOC_250005“理論確定爐膛尺寸 1\l“_TOC_250004“實(shí)際確定爐膛尺寸 2\l“_TOC_250003“確定爐膛有效尺寸 3爐襯材料的選擇及其厚度確實(shí)定 3\l“_TOC_250002“爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算 3\l“_TOC_250001“爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算 6\l“_TOC_250000“爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算 7爐子外形尺寸確實(shí)定和砌體平均外表積的計(jì)算 9用熱平衡計(jì)算法計(jì)算爐子功率 10爐子熱效率的計(jì)算 13功率的安排和接線方法 14校核爐膛內(nèi)壁外表負(fù)荷〔選做〕 14電熱元件材料的選擇和理論計(jì)算 14爐子技術(shù)指標(biāo) 16熱處理電阻爐設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)〔80頁〕爐型選擇〔650~1000℃〕箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保護(hù)氣氛，為空氣介質(zhì)。確定爐膛尺寸理論確定爐膛尺寸確定爐底總面積實(shí)際排料法和加熱力氣指標(biāo)法加熱力氣指標(biāo)法來確定爐底面積。爐子生產(chǎn)率P60kgh，按教材表5-1選擇適用于淬火正火的一般箱式爐其單位爐底面積生產(chǎn)率p 120kg (m2h)。0因此，爐子的爐底有效面積〔可以擺放工件的面積〕FP 60

可按下式計(jì)算：1F 0.5m21 p 12000.75～0.850.8，則F為，F(xiàn)F 1F

0.5 0.625m 0.80 0.80確定爐膛的長度和寬度

L3/2～2B

L2，則爐子爐底長度和寬度分別為:BL F 0.5 0.5L 1.118B 0.559m2 2確定爐膛高度H0.5～0.9B值。本設(shè)計(jì)取中值0.7，則爐膛高度為：H0.7B0.70.5590.391m實(shí)際確定爐膛尺寸為便利砌筑爐子，需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸〔230×113×65mm，并考慮砌縫寬度〔2mm進(jìn)一步確定爐膛尺寸如下：L(2302)51160mm1.16m；B(552)2(1132)3(382)25721153402539mm0.539mH(652)6402mm0.402m留意：實(shí)際確定的爐膛尺寸和理論計(jì)算的爐膛尺寸不要差異太大。確定爐膛有效尺寸效尺寸確定如下：L 950mm效B 450mm效H 350mm效爐襯材料的選擇及其厚度確實(shí)定熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱為綜合傳熱系數(shù)。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部格外壁對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)不同〔見教材附表2，所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必需分別進(jìn)展計(jì)算。爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算看作前墻的一局部。耐火層113mm60mm350kg/m3230mm厚的A級硅藻土磚〔34。這種爐襯構(gòu)造在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿足爐墻外壁溫度小于60℃，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計(jì)算進(jìn)展驗(yàn)證。20℃墻向四周空氣散熱的熱流密度為：950201) SSS確實(shí)定1 2 3

qS1S2 1

3S13 S1S,S,S厚度〔m。1 2 32mm的砌縫寬度，則SSS的厚度為：1 2 3S 1132115mmS 60mmS 2302232mm。1 2 32),,，1 2 3

確實(shí)定,,1 2 3

分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率W/m·℃〕; 是爐殼對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)〔W/m℃。要求出和1 2 3

，首先必需假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘t850℃，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻2土磚之間的界面溫度t620℃，爐墻外殼溫度t55℃<60℃。如以下圖。3 4求輕質(zhì)粘土磚的平均導(dǎo)熱率3，可得輕質(zhì)粘土磚〔QN—0.8〕的平均導(dǎo)熱率為：求輕質(zhì)粘土磚的平均導(dǎo)熱率 0.2940.212103t〔t為平均溫度〕1 p ptt 950850 0.2940.212103(11=0.485W/m·℃

2)0.2940.212103( )2 2求硅酸鹽耐火纖維氈的平均導(dǎo)熱率tt 850620求硅酸鹽耐火纖維氈的平均導(dǎo)熱率硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度t p

3 735℃。依據(jù)教材附2 2700℃、1000℃的熱導(dǎo)率W/m·℃0.122W/m·℃700℃——1000℃溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有：0.121

0.121W/m·℃求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率1000700 735700 2求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率 0.1050.23103t3 ptt

62055 0.1050.23103(3求爐墻外殼對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)=0.183W/m·℃求爐墻外殼對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)

3 4)0.1050.23103( )2 220℃2為鋼板或涂灰漆外表時，對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)為：11.81W/m2·℃求熱流密度將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：95020 930q 0.1150.060.232 10.485 0.121 0.183 11.81

2.086

445.8Wm2輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t為：2t t2 1

qS

1950445.8844.3844.3850850

0.1150.485

844.3℃

t t2 t硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：2硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：

0.67%5，滿足設(shè)計(jì)要求，不必重算。t t3 2

qS2623.2623.2620620

844.3445.8

0.0600.121

623.2℃；

t 3 t爐墻外殼溫度為：3爐墻外殼溫度為：

0.52%5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不必重算。t t4 3

qS33

623.2445.8

0.2320.183

58℃＜60℃；60℃，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計(jì)要求。假設(shè)60℃，必需重選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算113mmQ—0.8113mm珍寶巖。20℃頂向四周空氣散熱的熱流密度為：95020S1qS11)SSS確實(shí)定1 2 3

S1S2 1 2

33 S,S,S〔Q—0.81 2 32mm的砌縫寬度，則SSS的厚度為：1 2 3S 115mmS 60mmS 115mm。1 2 32),1 2

,,3

確實(shí)定,,1 2 3

1W/m℃;〔W/℃1

,,2 3和 ，首先必需假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈t860℃，硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍寶巖之間的界面溫度2t580℃，爐頂外殼溫度t55℃<60℃。確實(shí)定確實(shí)定1確實(shí)定2確實(shí)定確實(shí)定確實(shí)定3將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：95020 930q0.1150.060.115 10.486 0.121 0.110

1.852

502.2Wm2輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t2為：t t2 1

qS

1950502.2

0.1150.486

831.0℃1831.0860860t 831.0860860

2 2 3.4%5，滿足設(shè)計(jì)要求，不必重算。t硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：2硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：t t3 2

qS22

831.0502.2

0.0600.121

582℃；582580580t 582580580

3 3 0.32%5，滿足設(shè)計(jì)要求，不必重算。t爐頂外殼溫度為：3爐頂外殼溫度為：t t4 3

qSS3

582502.2

0.1150.110

57℃＜60℃；60℃，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計(jì)要求。假設(shè)60℃，必需重選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計(jì)算設(shè)爐底的爐襯構(gòu)造為，耐火層是〔 65+2〕×3=201mm厚的輕質(zhì)粘土磚Q—0.880mm350kg/m3的一般硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚。20℃底向四周空氣散熱的熱流密度為：95020S1qS11)SSS確實(shí)定1 2 3

S1S2 1 2

33 S1,S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚〔Q—0.8A級硅2mm的砌縫寬度，則S,S,S的厚度為：1 2 3S 201mmS 80mmS 249mm。1 2 32),1 2

,,3

確實(shí)定,,1 2 3

A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率〔W/m·℃〕; 是爐底外殼對四周空氣的綜合傳熱系數(shù)〔W/m·℃。要求出和1 2 3

，首先必需假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t810℃，硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚之間的2界面溫度t560℃，爐底外殼溫度t55℃<60℃。確實(shí)定確實(shí)定1確實(shí)定2確實(shí)定確實(shí)定3確實(shí)定將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達(dá)式中，可求得熱流密度為：95020q0.2010.080.249 10.481 0.119 0.178

358.5Wm2輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t為：2t t2 1

qS

1950358.5

0.2010.481

800.1℃

t t2 t硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：2硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：

1800.1810810 1.2%800.1810810t t3 2

qS22

800.1358.5

0.080.119

559.2℃；559.2560560t 559.2560560

3 3 0.1%5，滿足設(shè)計(jì)要求，不必重算。t爐底外殼溫度為：3爐底外殼溫度為：t t4 3

qS33

559.2358.5

0.2490.178

57.7℃＜60℃；60℃，故爐底爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計(jì)要求。假設(shè)60℃，必需重選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐子外形尺寸確實(shí)定和砌體平均外表積的計(jì)算爐子外形尺寸確實(shí)定爐子外形長度爐子的外形長度為爐膛長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：L 11602(11560232)1974mm1.974m外爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：B 5392(11560232)1353mm1.353m外爐子外形高度爐子的外形高度由以下五局部組成〔5-8右圖膛高度、爐頂厚度、爐底厚度已經(jīng)求出。假設(shè)爐子承受60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半RB，則拱頂高度可由下式求出：fR1cos305391cos30)72mm;65+2=67mm。綜合以上五局部的高度，爐子外形高度為：H外40272608067;砌體平均外表積的計(jì)算算術(shù)平均值和幾何平均值承受幾何平均計(jì)算法。此方法首先需要算出爐子內(nèi)壁和外壁的面積。爐頂平均外表積確實(shí)定60 2F 2RL 3.140.5391.1600.654m2；頂內(nèi) 360 6爐頂外壁是平面，外壁面積為：F L B頂外 外

1.9741.3532.67m20.6540.6542.67F F頂內(nèi) F F頂內(nèi) 頂外頂均

1.32m2爐墻平均外表積確實(shí)定積為：F F墻內(nèi) 墻外F 2H(LB)2H (L F F墻內(nèi) 墻外墻均 外 外 外 240216053)236197435〕=3.52m2F FF F低內(nèi) 低外(BL)(B外L外)F 低均0.5391.1601.3530.5391.1601.3531.974用熱平衡計(jì)算法計(jì)算爐子功率定爐子功率的方法。爐子的主要能量消耗項(xiàng)加熱工件所需要的熱量由教材附表6查得，低合金鋼在 950℃和20℃時的比熱容分別為：C 0.636kJ/(kg·℃)和C 0.486kJ/(kg·℃)，熱處理爐的生產(chǎn)率950 20P60kgh，則加熱工件所需要的熱量為;Q P(C 950C 20)60(0.6369500.48620)件 950 20=35669kg/h通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三局部，有：Q Q Q Q散 頂 墻

q F頂

q F墻

q F底 底均502.21.32445.83.52358.51.292694.59W9700.52kJ/h開啟爐門的輻射熱損失這局部熱損失可由下式求得：T

4 T

4Q 3.6C

F

g

a輻 0 100式中C——黑體輻射系數(shù)；0F——爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，F(xiàn)BH0.5390.4020.217m2；2 2H

0.402

0.201m，得=0.56；

0.201

2 20.51-141t——爐門開啟率。設(shè)裝、出料所需時間為每小時6分鐘，則爐門開啟率為0.1；Tg950+273=1223K；Ta——爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為20+273=293K，將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得：100 kJ Q3.65.6750.2170.560.112234100 kJ Q輻 開啟爐門的溢氣熱損失氣所需要的熱量作為該項(xiàng)熱損失，即有：Q q C(TT)溢 va a a t g a式中qva——爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高度的一半。由教材〔5—8〕式得：q 1997Bva

19970.539 97m3/hH2H20.402H2H20.40220.402a——20℃1.29kg/m3；C ——空氣在T ~T〔即20～950℃〕溫度間的平均比熱容。就本設(shè)計(jì)來a a g氣在400℃500℃的比熱容分別為1.3302kJ/(m3.℃)和1.3440kJ/(m3.℃)?？烧J(rèn)為空氣比熱容在此溫度區(qū)間的變化呈線性關(guān)系，即有：a1.33401.3302 C 1.3302Ca

1.342500400 485400 ——爐門開啟率。0.1。t

kJ/(m3.℃)〔TT——溢氣溫度，近似為2 T)T (95020)20640℃?！睺g 3 g a a 3將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為：Q 971.291.3420.1640-210411.32kJh溢其它熱損失10%~20%。本設(shè)計(jì)取15%，該項(xiàng)熱損失為：Q 0.5Q Q Q Q )153566.8700.5輻535.8210411.3〕9197.47kJh爐子的理論輸入功率和，即：Q Q總 件

Q Q Q Q散 輻 溢 其它=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(kJ/h)爐子的安裝功率〔即各項(xiàng)能量消耗總和是維持爐子正常工作必不行，爐子的實(shí)際功率應(yīng)比理論計(jì)算功率大，因此爐子的安裝功率為：KQP 總安 K1.3~1.51.4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得：1.470513.93安P 安3600

27.42kW30kW。爐子熱效率的計(jì)算正常工作時的熱效率由教材5-12式得，爐子正常工作時的熱效率為：Q 件QQ總

100%35668.8100%50.6%70513.9330%——80%之間。本設(shè)計(jì)的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。保溫時關(guān)閉爐門的熱效率保溫關(guān)閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為：Q QQ (Q總 輻

100% 35668.8 100%65.2%Q ) 70513.935535.8210411.32溢爐子空載功率的計(jì)算時爐子的功率為：QP 散Q

9700.529197.475.23kW空 3600 3600功率的安排和接線方法。馬上電熱元件分為3組，每組10kW，爐墻兩側(cè)各布置1組電熱元件，1組電熱元件。校核爐膛內(nèi)壁外表負(fù)荷〔選做〕電熱元件材料的選擇和理論計(jì)算電熱元件材料的選擇0Cr25Al5狀作為電熱元件。爐膛950℃時電熱元件的電阻率爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高100℃——200℃。當(dāng)爐膛1100℃12時的電阻率201.40mm2/m，電阻溫度系數(shù)4105℃1 時電熱元件的電阻率為：110020(1t)1.40(141051100)1.46mm2/m確定電熱元件的允許外表負(fù)荷5-〔a，依據(jù)設(shè)計(jì)的爐子的工作條件，取電熱元件的允許外表負(fù)荷W 1.6W/cm2。允每組電熱元件的功率和端電壓由于承受三相星形即“Y”接法，電熱元件可分為三組。每組電熱元件的功率為：30組P 3組

10kW。Y”380V，故每組電熱元件的端電壓為，3803組U 220V3組電熱元件的絲材直徑電熱元件的絲材直徑可由教材5-24式確定，P2組1100P2組11003U