熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)

1、 目錄 1 熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)的意義和目的12 熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)的任務(wù)13 爐型的選擇14 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸24.1 爐底面積的確定24.2 爐底長(zhǎng)度和寬度的確定24.3 爐膛高度的確定34.4 爐膛尺寸的確定34.5 爐襯材料及厚度的確定35 砌體平均表面積計(jì)算45.1 砌體外廓尺寸45.2 爐頂平均面積45.3 爐墻平均面積45.4 爐底平均面積56 計(jì)算爐子功率56.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子功率56.2 根據(jù)熱平衡法計(jì)算爐子功率66.3 爐子的安裝功率107 爐子熱效率計(jì)算117.1 爐子正常工作時(shí)的效率117.2 在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率118 爐子空載功率計(jì)算119 空爐升

2、溫時(shí)間計(jì)算119.1 爐墻和爐頂蓄熱119.2 爐底蓄熱計(jì)算139.3 爐底板蓄熱149.4 整個(gè)爐子蓄熱量149.5 空爐升溫時(shí)間1410 功率的分配與接線1511 電熱元件材料的選擇及計(jì)算1512 課程設(shè)計(jì)感想18 附圖：箱式電阻爐剖視圖25Cr2MoV車(chē)床變速器齒輪回火熱處理箱式電阻爐設(shè)計(jì)1 熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)的意義和目的熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了熱處理原理與工藝、傳熱基本原理、氣體力學(xué)、燃料與燃燒、耐火材料、電熱原理、爐子構(gòu)造等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)上開(kāi)設(shè)的。是高等工業(yè)學(xué)校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設(shè)計(jì)練習(xí)，是繼熱處理工藝課程設(shè)計(jì)后的又一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是：培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用以上

3、所學(xué)的知識(shí)獨(dú)立分析和解決熱處理工程技術(shù)問(wèn)題的能力，掌握熱處理設(shè)備（主要是熱處理爐）設(shè)計(jì)的一般程序和方法，了解如何進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備工程圖繪制，以及懂得如何查找和使用設(shè)計(jì)資料。2 熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)的任務(wù)設(shè)計(jì)一臺(tái)臺(tái)車(chē)式熱處理爐，其技術(shù)要求如下：（1） 用途：25Cr2MoV車(chē)床變速器齒輪回火熱處理（2） 生產(chǎn)率：200Kg/h（3） 最高工作溫度：750（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)3 爐型的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，綜合工件的特點(diǎn)、技術(shù)要求、產(chǎn)量大小、勞動(dòng)條件等多方面因素，以“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活”為目標(biāo)，選擇箱式電阻爐，不通入保護(hù)氣體。4 確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸4.1 爐

4、底面積的確定由于該電阻爐主要用于尺寸較小的車(chē)床變速器齒輪回火熱處理工序，生產(chǎn)批量大大，所以不宜采用實(shí)際排料法。因此爐底面積的確定采用加熱能力指標(biāo)法。既根據(jù)爐底單位面積生產(chǎn)率P0來(lái)計(jì)算（單位面積生產(chǎn)率指爐子在單位時(shí)間內(nèi)單位爐底面積所能加熱的金屬質(zhì)量）。概略計(jì)算時(shí)，可按單位爐底生產(chǎn)率P0的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算。已知生產(chǎn)率P=200kg/h，查得單位面積生產(chǎn)率P0為100kg/(m2.h)，故可求得爐底有效面積 F1 = P/P0=200/100=2m2式中 F1有效爐底面積（m2） P0單位爐底面積生產(chǎn)率（kg/(m2.h)）由于有效面積與爐底面積存在關(guān)系式F1/F= 70%-85%，取比值系數(shù)為0.80，

5、爐底實(shí)際面積 F= F1 /0.80=2/0.80=2 .5m24.2 爐底長(zhǎng)度和寬度的確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：L= B=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=L。因此可求得：L=2.236mB=L=0.5×5=1.118m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（230×114×65），為了方便砌磚，取L=2.205m，B=1.104m4.3 爐膛高度的確定據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，爐膛高度H與寬度B之比H/B多數(shù)在0.5-0.9范圍內(nèi)變動(dòng),根據(jù)電阻爐工作條件，取H/B=0.7左右，可計(jì)算爐膛高度：H=0.7×B=0.7×1.118=0.783m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)爐磚次村，選爐膛高

6、度H=0.774m。4.4 爐膛尺寸的確定綜上，確定爐膛尺寸如下：長(zhǎng) L=（230+2）×9+（230×+2)=2205mm寬 B=(120+2)×5+(65+2)×4+(114+2)×2=1110mm高 H=(65+2)×11+37=774mm注：為了避免工件與爐內(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=2000mm B=900mm H=650mm4.5 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114 mmQN-0.6輕質(zhì)黏土磚+114mm硅藻土磚（C

7、級(jí)）+60 mm密度為250 kg/m的普通硅酸鋁纖維氈爐頂采用114 mmQN-0.8輕質(zhì)黏土磚+114 mm膨脹珍珠巖+60 mm密度為250 kg/m的普通硅酸鋁纖維氈爐底采用三層QN-0.8輕質(zhì)黏土磚(67×3) mm+117mmB級(jí)硅藻磚和膨脹珍珠巖復(fù)合爐襯+50mm密度為250 kg/m的普通硅酸鋁纖維氈。爐門(mén)采用65 mm輕質(zhì)黏土磚+65mmA級(jí)硅藻土磚+60mm密度為250 kg/m的普通硅酸鋁纖維氈.爐底擱磚采用重質(zhì)粘土磚（LZ-48），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，分四塊，厚度18 mm。5 砌體平均表面積計(jì)

8、算5.1 砌體外廓尺寸 L = L+2×(116+116+60) =2789 mm B = B+2×（116+116+60）=1694 mm H = H+f+（116+116+60）+67×4+50+117 = 774+150+292+268+50+117= 1651mm式中：f-拱頂高度，此爐子采用60標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弧半徑R = B,則 f= R（1-cos30）求得f =150mm。5.2 爐頂平均面積F頂內(nèi)=×2.205=2.562m2 F頂外=B外×L外=1.694×2.789=4.725m2 F頂均=3.479m25.3 爐

9、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)。 F墻內(nèi)=2LH+2BH=2H（L+B）=2×0.774×（2.205+1.110）=5.132m2 F墻外=2H（ L +B）=2×1.651×（2.789+1.694）=14.803m2 F墻均=8.716m25.4 爐底平均面積 F底內(nèi)=B×L=1.110×2.205=2.448m2 F底外=B×L=1.694×2.789=4.725m2 F底均=3.401m26 計(jì)算爐子功率6.1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算爐子功率由下式 P安=CF0.9（）1.5

10、5取式中系數(shù)C=30(KW·h0.5）/（m1.8·1.55),空爐升溫時(shí)間定為=3h，爐溫t=750，爐膛內(nèi)壁面積： F壁=2×（2.205×0.774）+2×（1.110×0.774）+2.205×1.110+2×3.14×1.110 ××2.205 =10.141m2所以 P安=CF0.9（）1.55 =30×3-0.5×10.1410.9×（）1.55 =81.2KW由經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到爐子的安裝功率P安： P安85KW）6.2 根據(jù)熱平衡法計(jì)算爐

11、子功率6.2.1 加熱工件所需的熱量Q件由附表6得，工件在750及20，時(shí)比熱容分別為C= 1.051kJ/(kg)，C= 0.486 kJ/(kg)，根據(jù)下式： Q= P(C×t- C×t) =200×(1.051×7500.486×20) =145196KJ/h6.2.2 通過(guò)爐襯的散熱損失Q散由于爐子的側(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，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門(mén)包括在前墻內(nèi)。根據(jù)計(jì)算公式： Q散=對(duì)于爐墻散熱，如圖6.1所示圖6.1 爐墻結(jié)構(gòu)圖對(duì)于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，=，則耐火層的平均溫度 硅藻土磚層的平均溫度

12、硅酸鋁纖維層的平均溫度 層爐襯的熱導(dǎo)率由表6.1 查得： 表6.1 熱處理常用耐火材料導(dǎo)熱率 材料和牌號(hào) 導(dǎo)熱率/（） 密度（g） 比熱容 膨脹珍珠巖 0.04+0.22 輕質(zhì)粘土磚（QN-0.6） 0.165+0.194 0.60 0.84+0.26×10-3t硅藻土C級(jí) 0.159+0.31 0.65 0.81+0.28×10-3tW/（m·）0.306W/（m·）普通硅酸鋁纖維氈的熱導(dǎo)率查表得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱率與溫度成線性關(guān)系： 由，得W/（m·）。 表6.2 普通硅酸鋁導(dǎo)熱率密度/ 100 400 700 100

13、0100 0.058 0.116 0.21 0.337250 0.064 0.093 0.14 0.209350 0.070 0.081 0.121 0.122當(dāng)爐殼溫度為50，室溫為20時(shí)，由表經(jīng)近視計(jì)算達(dá)a=11.44W/（m·） 求熱流 = =416.8W/ 驗(yàn)算交界面上的溫度 =滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。 =4.9%滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算 驗(yàn)算爐殼溫度 56.5<70滿足一般熱處理電阻爐表面溫升<50的要求。 計(jì)算爐墻散熱損失 ·=416.8×8.716=3632.8W同理可求得，341.9W/，=315W/爐頂通過(guò)爐襯散熱 341.9×

14、;3.479=1189.5W爐底通過(guò)爐襯散熱 315×3.401=1071.3W 整個(gè)爐體散熱損失 =3632.8+1189.5+1071.3=5893.6W=21217kJ/h6.2.3 開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失Q輻設(shè)裝出料所需時(shí)間為每小時(shí)8分鐘設(shè)有公式： 因?yàn)?，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 爐門(mén)開(kāi)啟率由于爐門(mén)開(kāi)啟后。輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.387/1.110=0.35,爐門(mén)開(kāi)啟高度與爐墻厚之比為0.387/0.28=1.38,查孔口的遮蔽系數(shù)得5，故 =3.6×5.675×0.43×0.1×0.75&

15、#215; = 5856.8KJ/h6.2.4 開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失Q溢由溢氣損失公式 其中=1997BH=1997×1.110×0.387×=533.7m3/h冷空氣密度查表得 ·), , 為溢氣溫度，近似認(rèn)為 =533.7×1.29×1.373×（473.3-20）×0.1=42849.2kJ/h6.2.5 其他熱損失Q他其他熱損失約上述之和的10%20%，故取15%， =0.15×(145196+21217+5856.8+42849.2) =32267.9kJ/h6.2.6 熱量總支出Q總其中 則 =

16、145196+21217+5856.8+42849.2+32267.9 =247386.9kJ/h6.3 爐子的安裝功率由式子 P安= 其中，K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，本爐設(shè)計(jì)中K取1.2，則 P安=KW與標(biāo)準(zhǔn)爐子相比較，取爐子功率為85KW.7 爐子熱效率計(jì)算7.1 爐子正常工作時(shí)的效率由式子 =58.7%7.2 在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率73.1%8 爐子空載功率計(jì)算P空=9.6KW9 空爐升溫時(shí)間計(jì)算由于設(shè)計(jì)的爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層由于比熱容小，蓄熱量較少，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經(jīng)行單獨(dú)計(jì)算，因升溫時(shí)爐底板也隨爐升溫，故也納入計(jì)算中。9

17、.1 爐墻和爐頂蓄熱2×2.205×(12×0.067+0.135)×0.116=0.480m32×(1.110+0.116×2)×(15×0.067+0.135)×0.116=0.355m3 0.97×(2.205+0.276)×0.116=0.279 2×(12×0.067+0.135)×(2.205+0.116) ×0.116=0.472 2×1.694×(25×0.067+0.135)×0.116=

18、0.711 2.789×1.694×0.116=0.548 2×(2.205+0.116）×(12×0.067+0.135)×0.060=0.262 2×(0.67+0.116×2)×(15×0.067+0.135) ×0.060=0.123 1.071×(2.205+0.276)×0.06=0.159有如下公式計(jì)算輕質(zhì)粘土磚比熱容C黏因?yàn)閠黏=615.5查附表經(jīng)計(jì)算得輕質(zhì)粘土磚比熱容：C黏=0.84+0.26×10-3t黏=0.8+0.26×1

19、0-3×615.5=0.96KJ/(kg)計(jì)算硅藻土磚比熱容C硅因?yàn)?查附表經(jīng)計(jì)算得硅藻土磚比熱容： c= 0.84+0.25×10-3=0.84+0.25×10-3×425=0.95KJ/(kg)計(jì)算硅酸鋁纖維氈保溫層比熱容C纖因?yàn)椴楦奖斫?jīng)計(jì)算得硅酸鋁纖維氈比熱容： c= 0.81+0.28×10-3=0.81+0.28×10-3×214.75=0.87KJ/(kg)爐頂珍珠巖按硅藻土磚進(jìn)行近似計(jì)算，爐頂溫度按側(cè)墻溫度進(jìn)行近似計(jì)算，所以得：（+）+（+） +（+） =（0.480+0.355+0.279）×0.6

20、×103×0.96×（615.520） （0.472+0.711+0.548）×0.65×103×0.95×（45220） （0.262+0.123+0.159）×0.135 ×103×0.87×（214.7520） =382110.9+461761.6+12443.1 =856315.6kJ9.2 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)粘土磚。爐底的復(fù)合爐襯按硅藻土計(jì)算。 +=（0.120×0.020×5+0.065×0.230×4+

21、0.114×0.230×2)×2.205=0.274m3=(0.114×0.065×5+0.114×0.065×3)×2.205+(1.6940.114×2) ×(2.7890.114)×0.065 =0.386m3=2,789×1.694×0.05=0.236m3=2,789×1.694×0.114=0.539m3由于近視將重質(zhì)磚和輕質(zhì)磚平均溫度看作相等。經(jīng)查表計(jì)算可得：=0.88+0.23×10-3t=0.88+0.23×

22、10-3×625.8=1.04KJ/(kg)=0.84+0.26×10-3t=0.84+0.26×10-3×625.8=1.01KJ/(kg)經(jīng)查表計(jì)算得：=0.84+0.26×10-3t=0.84+0.26×10-3×411.25=0.95KJ/(kg) 經(jīng)查表計(jì)算得：=0.81+0.28×10-3t=0.81+0.28×10-3×158.3=0.854KJ/(kg) 所以可以計(jì)算得到：=+ + =0.274×2.4×103×1.04×(625.8-20

23、)+0.368×0.8×103×1.01×(625.8-20) + 0.539×0.65×103×0.95×(411.25-20)+0.2360×0.125×103 ×0.854×(158.3-20) =414309+188941.8+130220.7+3484.2=736955.7kJ 9.3 爐底板蓄熱知750和20時(shí)高合金鋼的比熱容分別為=0.875kJ/(kg)和=0.437 kJ/(kg)。經(jīng)計(jì)算爐底板質(zhì)量G=312kg，所以有 =G（-）= 312×(0

24、.875×750-0.437×20）=188373kJ9.4 整個(gè)爐子蓄熱量 =+ + =856315.6+736955.7+188373=1781644.4kJ9.5 空爐升溫時(shí)間 對(duì)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。因計(jì)算蓄熱時(shí)是按穩(wěn)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4h以內(nèi)10 功率的分配與接線85KW功率均勻分布在爐膛兩側(cè)及爐底，組成YY連線。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20-25 KW/m2 之間。F電=2F電側(cè)

25、+F電底=2×2.205×0.774+2.205×1.110=5.86m2 W=15KW/m2 表面負(fù)荷在常用的范圍15-25KW/m2之內(nèi)，故符合設(shè)計(jì)要求。11 電熱元件材料的選擇及計(jì)算由最高使用溫度750，選用線狀Cr15Ni60合金元件，接線方式采用YY。理論計(jì)算法：（1）求700時(shí)電熱元件的電阻率 當(dāng)爐溫為700時(shí)，電熱元件溫度取900，由附表12查得Cr15Ni60在20的電阻率=1.10mm2/m，電阻溫度系數(shù)=14×10-5-1，則900下的電熱元件電阻率為 =（1+t）=1.10×(1+14×10-5×900

26、)=1.24mm2/m(2) 確定電熱元件表面功率 根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取=1.5W/cm2(3)由于采用YY接法，即三相雙星形接法，每組元件功率=14.2kW(4) 由于采用YY接法，車(chē)間動(dòng)力電網(wǎng)端電壓為380V，故組電熱元件端電壓即為每相電壓 =220V(5) 電熱元件直徑線狀電熱元件直徑d=34.35.16mm取d=6mm。(6) 每組電熱元件長(zhǎng)度 =0.785×10-3=0.785×10-3×=78.23m 每組電熱元件重量 = 式中，=8.2g/cm2 所以得=18.35kg(7) 電熱元件的總長(zhǎng)度和總重量電熱元件總長(zhǎng)度=6×78.23=469.4m電熱元件總重量=6×18.35=110.1kg(8) 校核電熱元件表面負(fù)荷 =0.96W/cm² ，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求(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 =15.65m布置電熱元件的爐壁長(zhǎng)度L=L-50=2205-50=2155mm絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于900，查表可知，螺旋節(jié)經(jīng)D=（4-