1、2020/9/3,1,熱處理設(shè)備,北華航天工業(yè)學(xué)院 金屬材料工程教研室,重 點(diǎn)： 設(shè)計(jì)方法與步驟 教學(xué)要求：了解箱式電阻爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法與步驟。,課八 58 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)。,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/

2、h，按表51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/(m2h)，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,有效面積與爐底總面積存在關(guān)系式F1/F=0.750.85，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=LB=0.5L2，因此，可求得,見(jiàn)圖示,2爐底長(zhǎng)度和寬度的確定,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0.50.9之間，根據(jù)爐子

3、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),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=700 mm； H效=500mm,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113mmQN1.0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

4、/m3的普通硅酸鋁纖維氈十115mm膨脹珍珠巖。 爐底 采用三層QN1.0輕質(zhì)粘土磚(67 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 用65mmQN1.0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67=65+2，2是磚縫的寬度。）,四、砌體平均表面積計(jì)算,爐底板材料選用CrMnN耐熱鋼，根據(jù)爐底實(shí)際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。,爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門包括在前墻內(nèi)。 F墻內(nèi)=2LH十2BH= 2H

5、(L十B) =20.640(1.741+0.869) =3 .341m2 F墻外=2H外(L外+B外)=21.566 (2.300+1.430) =11 .68m2,爐頂平均面積,2爐墻平均面積,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(514),取式中系數(shù)C=30(kWh0.5)/(m1.8C1.55)，空爐升溫時(shí)間假定為升= 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),(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(51) Q件

6、= P(C件2 t1C件1to) =160 (0.63950-0.486 20) =95117kJ/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，將爐門包括在前墻內(nèi)。,2根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率,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 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均 =0.29+0.256 10-3

7、865=0.511W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3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 2=0 .129W/ ( m),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=12. 17W /(m2) （綜合傳熱系數(shù)） 求熱流,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 ,驗(yàn)算爐殼溫度t4墻,計(jì)算爐墻散熱損失 Q墻散=q墻F墻均=730 .4 6.25=4562.5W 同

8、理可以求得 t2頂=844 .39； t3頂=562 .6 ； t4頂=53； q 頂= 485 .4 W/m2,t2底=782 .2，t3底568 .54，t4底=53.7， q底=572 . 2 W/m2 爐頂通過(guò)爐襯散熱 Q頂散=q頂F頂均=485.42.29=1111.6 W 爐底通過(guò)護(hù)襯散熱 Q底散=q底.F底均=572.2 2.23=1276 W,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/h,(3)開啟爐門的輻射熱損失 設(shè)裝出

9、料所需時(shí)間為每小時(shí)6分鐘，根據(jù)式(56),式中：C黑體輻射系數(shù)； F爐門開啟面積或縫隙面積（m）； 3.6系數(shù)；爐口遮蔽系數(shù)； t爐門開啟率(即平均1小時(shí)內(nèi)開啟的時(shí)間)，對(duì)常開爐門或爐壁縫隙而言t=1。,由于爐門開啟后，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），爐門開啟高度與爐墻厚度之比為H/S=0.32/0.28=1.14，由圖114第1條線查得=0.7，故,0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m),圖1-14,(4)開啟爐門溢氣熱損失 溢氣熱損失由式(57 Q吸 )得 Q溢 =qVC(tg

10、t)t 其中，qV由式（58 qva=1997BH ）得,(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 .1 kJ/h,(6)熱量總支出 其中Q輔=0，Q控=0，由式(5l0)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 =202931.2 kJ/h,與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為75kW。,(7)爐子安裝功率,1正常工作時(shí)的效率 由式(512),2.在保溫階段，關(guān)閉爐

11、門時(shí)的效率,六、爐子熱效率計(jì)算,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)。,1.爐墻及爐頂蓄熱,由式（59）,得：,蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（kJ） （59）,爐底蓄熱計(jì)算,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

12、(C板2t1-C板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJ,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(513)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,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(dòng)力電網(wǎng)380 V 。 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1535kw/m2之間，常用為20 25kw/m2之間。,

13、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,1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t 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20=1.40mm2/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,(4)每組電熱元

14、件端電壓 由于采用YY接法，車間動(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53，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)=410-5-1，則1100下的電熱元件電阻率為 t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m,（7)電熱元件的總長(zhǎng)度和總重量 電熱元件總長(zhǎng)度由式(527)得 L總=6L組 =652.07=312.44m 電熱元件總重量由式(528)得 G總 = 6 G組=67 .26 = 43 .56kg,式中，M由附表

15、12查得M =7. 1g/cm2 所以得,所需電熱元件總長(zhǎng)度和總重量為 L總= nL （m） （5-27） G總= nG （kg） （5-28）,(9)電熱元件在爐膛內(nèi)的布置 將6組電熱元件每組分為4折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則有,布置電熱元件的爐壁長(zhǎng)度 L=L50=1741-50=1691 mm 絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000，由表55可知，螺旋節(jié)徑D=(46)d， 取D=6d=65=30mm 螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為,h=L/N=1691/138=12.3mm h/d=12.3/5=2.46 按規(guī)定，h/d在24范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)計(jì)算，選用YY方式接線，采用d = 5mm所用電熱元件重量最小，成本最低。 電熱元件節(jié)距h在安裝時(shí)適當(dāng)調(diào)整，爐口部分增大功率。 電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti, =12mm, L= 500mm。 十一、爐子構(gòu)架、爐門啟閉機(jī)構(gòu)和儀表圖（略)。 十二、爐子總圖（ ），主要零部件