電阻爐設計舉例[1]

1、2022-3-141熱處理設備熱處理設備主講教師：范濤主講教師：范濤北華航天工業(yè)學院北華航天工業(yè)學院 金屬材料工程教研室金屬材料工程教研室 重重 點：點： 設計方法與步驟設計方法與步驟 教學要求教學要求：了解箱式電阻爐的設計內容、方法與步驟。了解箱式電阻爐的設計內容、方法與步驟。 為某廠設計一臺熱處理電阻爐，其技術條件為：為某廠設計一臺熱處理電阻爐，其技術條件為： (1)(1)用途：用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調質處理。處理對象為中小型零件，無定型產(chǎn)品，處火及調質處理。處理對象為中小型零件，無定型產(chǎn)品，處理批量為多品種，小批量；理批量為多品

2、種，小批量； (2)(2)生產(chǎn)率生產(chǎn)率：160kg/h； (3)(3)工作溫度工作溫度：最高使用溫度最高使用溫度950； (4)(4)生產(chǎn)特點生產(chǎn)特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。 1 1爐底面積的確定爐底面積的確定 因無定型產(chǎn)品，故不能用實際排料法確定爐底面積，因無定型產(chǎn)品，故不能用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標法。已知生產(chǎn)率只能用加熱能力指標法。已知生產(chǎn)率p為為160kg/h，按表，按表51選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產(chǎn)率p0為為120kg/(m2h)，故可求得爐底有效面積，故可求得爐底有效

3、面積 根據(jù)設計任務給出的生產(chǎn)特點，擬選用箱式熱處理電根據(jù)設計任務給出的生產(chǎn)特點，擬選用箱式熱處理電阻加熱爐，不通保護氣氛。阻加熱爐，不通保護氣氛。20133.1120160mPPF 有效面積與爐底總面積存在關系式有效面積與爐底總面積存在關系式F1/F=0.750.85，取系數(shù)上限，得爐底實際面積取系數(shù)上限，得爐底實際面積 根據(jù)標準磚尺寸，為便于砌磚，取根據(jù)標準磚尺寸，為便于砌磚，取L =1.741m， B=0 .869m。2157.185.033.185.0mFF 由于熱處理箱式電阻爐設計時應考慮裝出料方便，取由于熱處理箱式電阻爐設計時應考慮裝出料方便，取L/B=2：1，而，而F=LB=0.5

4、L2，因此，可求得，因此，可求得mLBmFL886. 02/772. 12/772. 15 . 0/57. 15 . 0/見圖示 2 2爐底長度和寬度的確定爐底長度和寬度的確定 3 3爐膛高度的確定爐膛高度的確定 按統(tǒng)計資料，爐膛高度按統(tǒng)計資料，爐膛高度H與寬度與寬度B之比之比H/B通常在通常在0.50.9之間，根據(jù)爐子工作條件，取之間，根據(jù)爐子工作條件，取H/B=0.7左右，根據(jù)左右，根據(jù)標準磚尺寸，選定爐膛高度標準磚尺寸，選定爐膛高度H=0.640m。因此，確定爐膛尺寸如下：因此，確定爐膛尺寸如下：mmHmmBmmL6403792658692211322402654212017412212

5、3072230）（高）（）（）（）（寬）（）（長爐底支撐磚厚度爐底支撐磚厚度拱角磚矮邊拱角磚矮邊高度高度爐底擱磚寬度爐底擱磚寬度磚磚 縫縫長度長度磚長磚長 為避免工件與爐內壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工為避免工件與爐內壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工件與爐膛內壁之間有一定的件與爐膛內壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為：空間，確定工作室有效尺寸為： L效效=1500mm ； B效效=700 mm； H效效=500mm 4 4爐襯材料及厚度的確定爐襯材料及厚度的確定 由于側墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同由于側墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結構，即爐襯結構，即113mmQN1

6、.0輕質粘土磚輕質粘土磚+50mm密度為密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈的普通硅酸鋁纖維氈+ 113mrnB級硅藻土磚。級硅藻土磚。 爐頂爐頂 采用采用113mmQN 1. 0輕質粘土磚十輕質粘土磚十80mm密度為密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十的普通硅酸鋁纖維氈十115mm膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖。 爐底爐底 采用三層采用三層QN1.0輕質粘土磚輕質粘土磚(67 3)mm + 50mm密度為密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十的普通硅酸鋁纖維氈十182mmB級級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。 爐門爐門 用用65mmQN1.0輕質粘土磚輕質粘

7、土磚+80mm密度為密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈的普通硅酸鋁纖維氈+65mmA級硅藻土磚。級硅藻土磚。 爐底隔磚采用重質粘土磚，電熱元件擱磚選用重質爐底隔磚采用重質粘土磚，電熱元件擱磚選用重質高鋁磚。高鋁磚。（注（注67=65+2，2是磚縫的寬度。）是磚縫的寬度。） 爐底板材料選用爐底板材料選用CrMnN耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，分三塊或四塊，厚給出，分三塊或四塊，厚20mm。 砌體外廓尺寸如圖砌體外廓尺寸如圖515所示所示（教材圖（教材圖5-9）。）。 L外外=L+2(115+50+115) = 2300mm B外外=B+2(115+50+115)=1

8、430mm H外外=H+f+(115+80+115)+674+50+182 爐爐 頂頂 厚厚 4 塊粘土磚高塊粘土磚高 爐爐 底保溫層厚底保溫層厚 =640+116+310+268+50+182 =1566 mm 式中：式中：f 拱頂高度，此爐子采用拱頂高度，此爐子采用600標準拱頂，取拱弧標準拱頂，取拱弧半徑半徑R=B，則，則f可由可由f =R(1- co300 )求得。求得。爐墻面積包括側墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在爐墻面積包括側墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內。前墻內。 F墻內墻內=2LH十十2BH= 2H(L十十B) =20.640(1.741+0.869) =3 .34

9、1m2 F墻外墻外=2H外外(L外外+B外外)=21.566 (2.300+1.430) =11 .68m2爐頂平均面積爐頂平均面積 22229. 2318. 3585. 1318. 3300. 2430. 1585. 1741. 16869. 014. 3262mFFFmLBFmLRF頂外內頂頂均外外頂外頂內2爐墻平均面積爐墻平均面積五、計算爐子功率五、計算爐子功率 1 1根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率 由式由式(514) 22223. 236. 351. 136. 3300. 2430. 151. 1741. 1869. 0mFFFmLBFmLBF底外底內底均外外底外

10、底內55.19.05.0)1000(tFCP升安爐底平均面積墻外墻內墻均.3)(25.668.11341.32mFFF取式中系數(shù)取式中系數(shù)C=30(kW Wh0.5)/(m1.8 8C1.55)，空爐升溫時間，空爐升溫時間假定為假定為升升= 4h，爐溫，爐溫t =950，爐膛內壁面積，爐膛內壁面積F壁壁 由經(jīng)驗公式法計算得由經(jīng)驗公式法計算得P安安75 (kW)kWtFCPmF1 .74)1000950(44. 6430)1000(44. 6741. 136060869. 014. 32869. 0741. 1)64. 0869. 0(2)640. 0741. 1255. 19 . 05 . 0

11、55. 19 . 05 . 0200升安壁所以（ (1)(1)加熱工件所需的熱量加熱工件所需的熱量Q Q件件 由附表由附表6得，工件在得，工件在950及及20時比熱容分別為時比熱容分別為 C件件2 = 0. 63kJ/(kg ) ， C件件1=0.486kJ/(kg)，根據(jù)式根據(jù)式(51) Q件件= P(C件件2 t1C件件1to) =160 (0.63950-0.486 20) =95117 kJ/h （ p每小時裝爐量）每小時裝爐量） (2)通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失Q散散 由于爐子側壁和前后墻爐襯結構相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)由于爐子側壁和前后墻爐襯結構相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，為簡化計

12、算，將爐門包括在前墻內處理，為簡化計算，將爐門包括在前墻內。2根據(jù)熱平衡計算爐子功率根據(jù)熱平衡計算爐子功率）（）（）（件15/1122hkJtctcPQ 根據(jù)式根據(jù)式(115）niiinFstt111散對于爐墻散熱，如圖對于爐墻散熱，如圖516所所示，首先假定界面上的溫度及爐示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，殼溫度，t2 墻墻 = 7800 ，t3 墻墻 = 485，t t4 墻墻=60則則 耐火層耐火層S1的平均溫度的平均溫度 ts1均均=（950+780）/2=865，硅酸鋁纖維層硅酸鋁纖維層S2的平均溫度的平均溫度 ts2均均=（780+485）/2=632.5,硅藻土磚層硅藻土磚層S

13、3的平均溫度的平均溫度 ts3均均=（485+60）/2=272.5，S1、S3層爐襯的熱導率由附表層爐襯的熱導率由附表3得得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均均 =0.29+0.256 10-3 865=0.511W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3均均 =0.131+0.23 10-3 272.5=0.194W/(m)。 普通硅酸鋁纖維的熱導率由附表普通硅酸鋁纖維的熱導率由附表4查得，在與給定溫查得，在與給定溫度相差較小范圍內近似認為其熱導率與溫度成線性關系，度相差較小范圍內近似認為其熱導率與溫度成線性關系，由由tS2均均= 632.5 ，得，得 2=0 .

14、129W/ ( m) 當爐殼溫度為當爐殼溫度為60，室溫為，室溫為20時，由附表時，由附表2經(jīng)近似經(jīng)近似計算得計算得=12. 17W /(m2 2) （綜合傳熱系數(shù)）（綜合傳熱系數(shù)） 求熱流求熱流2332211/4.73017.121194.0115.0129.005.0511.0115.0209501mWasssttgqa墻不需重算。不需重算。滿足設計要求墻墻墻墻墻墻墻墻墻墻墻%,5%64. 2%1004854858 .4978 .497129. 005. 04 .7306 .788,%,5%1 . 1%1007807806 .7886 .788511. 0115. 04 .73095033

15、322232221112tttSqtttttSqtt驗算交界面上的溫度驗算交界面上的溫度t t2 2墻墻、t t3 3墻墻滿足一般熱處理電阻爐表面溫升滿足一般熱處理電阻爐表面溫升50的要求。室溫的要求。室溫20 驗算爐殼溫度驗算爐殼溫度t t4 4墻墻Sqtt709 .64194. 0115. 04 .7308 .4973334墻墻墻計算爐墻散熱損失計算爐墻散熱損失 Q墻散墻散=q墻墻F墻均墻均=730 .4 6.25=4562.5W同理可以求得同理可以求得 t2頂頂=844 .39； t3頂頂=562 .6 ； t4頂頂=53； q 頂頂= 485 .4 W/m2 t2底底=782 .2，t

16、3底底568 .54，t4底底=53.7， q底底=572 . 2 W/m2 爐頂通過爐襯散熱爐頂通過爐襯散熱 Q頂散頂散=q頂頂F頂均頂均=485.42.29=1111.6 W 爐底通過護襯散熱爐底通過護襯散熱 Q底散底散=q底底.F底均底均=572.2 2.23=1276 W整個爐體散熱損失整個爐體散熱損失 Q散散=Q墻散墻散+Q頂散十頂散十Q底散底散 =4562 .5+1111 .6+1276 =6950 .1w （因為（因為1W=3.6kJ/h）所以所以 Q散散 =3.6 6950.1=25020 .4kJ/h606=0.1爐門開啟率爐門開啟率 t =(3)(3)開啟爐門的輻射熱損失開

17、啟爐門的輻射熱損失 設裝出料所需時間為每小時設裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據(jù)式分鐘，根據(jù)式(56) 100100675. 56 . 344）（）（輻TaTgFt式中：式中：C黑體輻射系數(shù)；黑體輻射系數(shù)； F爐門開啟面積或縫隙面積（爐門開啟面積或縫隙面積（m）；）； 3.6系數(shù)；系數(shù)；爐口遮蔽系數(shù)；爐口遮蔽系數(shù)； t爐門開啟率爐門開啟率(即平均即平均1小時內開啟的時間小時內開啟的時間)，對常開爐門或爐壁，對常開爐門或爐壁縫隙而言縫隙而言t=1。2640. 02H 因為因為Tg=950+273=1223K，T=20+273=293K，由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故由于正常工作

18、時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故 爐門開啟面積爐門開啟面積 F=B =0.869=0.278m2由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H/2與與B之比為之比為 0.32/0.869= 0.37，（可看出此為一拉長，（可看出此為一拉長的矩形），爐門開啟高度與爐墻厚度之比為的矩形），爐門開啟高度與爐墻厚度之比為H/S=0.32/0.28=1.14，由圖，由圖114第第1條線查得條線查得=0.7，故，故 hkJTTgFQ/75.8877)100293()1001223(7 . 01 . 0278. 06 . 3675. 5100100675. 56 . 34444）（）

19、（輻0.28 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.05 (m)圖圖1-14ttttttmkJCamkgagaggaa640)20950(3220)(32,20)/(342. 110/29. 133近似認為：為溢氣溫度，得，由附表冷空氣密度hmHHBqVa/1 .31432. 032. 0869. 019972219973(4)(4)開啟爐門溢氣熱損失開啟爐門溢氣熱損失 溢氣熱損失由式溢氣熱損失由式(57 Q吸吸 )得得 Q溢溢 =qVC(ttg t)t其中，其中，qV由式（由式（58 qva=1997BH ）得）得 H 其它熱損失約為上述熱損失之和的其它熱損失約為上

20、述熱損失之和的10%20%，故，故 Q它它=0.13(Q件件+Q散散+Q輻輻+Q溢溢)=0.13 (95117+25020.4+8877.75+33713) =23346 .1 kJ/hhkJttCqQtagaaVa/337131 . 0)20640(342. 129. 11 .314）（溢3600115總安）由式（KQP其中其中Q輔輔=0，Q控控=0，由式，由式(5l0)得得 Q總總=Q件件+Q輔輔+Q控控+Q散散+Q輻輻+Q溢溢+Q它它 =95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2 kJ/h360020293124 . 1 其中其中K為功率儲

21、備系數(shù)，本爐設計中為功率儲備系數(shù)，本爐設計中K取取1.4，則，則 P安安= =78.9 Kw與標準爐子相比較，取爐子功率為與標準爐子相比較，取爐子功率為75kW。 由式由式(512)(512) %3 .59%100)337137 .8877(2 .20293195117）（溢輻總件QQQQ%2.47%1002.20293195117%100總件QQ）（總件125%100QQ kwQQP4 .1336001 .233464 .250203600它散空 由于所設計爐子的耐火層結構相似，而保溫層蓄由于所設計爐子的耐火層結構相似，而保溫層蓄熱較少，為簡化計算，將爐子側墻、前后墻及爐頂按熱較少，為簡化計

22、算，將爐子側墻、前后墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計算，爐底由于砌磚方法不同，進行單獨計相同數(shù)據(jù)計算，爐底由于砌磚方法不同，進行單獨計算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內。算，因升溫時爐底板也隨爐升溫，也要計算在內。1.爐墻及爐頂蓄熱爐墻及爐頂蓄熱頂粘 0.97(1.741+0.276) 0.115=0.225m3后前粘2(0.869+0.1152)(160.067+0.135)=0.305m3側粘 21.741(120.067+0.135) 0.115=0.376m3拱角磚的厚度拱角磚的厚度頂珍 2.31.430.115=0.378 m3后前硅21.43(160.067+0.135) 0.115=

23、0.397 m3側硅2(120.067+0.135) (1.741+0.115) 0.115=0.401 m3頂纖1.071(1.741+0.276)0.08=0.13 m3后前粘 2(0.87+0.1152)(160.067+0.135)0.05=0.133 m3側纖2(1.741+0.115) (120.067+0.135) 0.05=0.174 m3由式（由式（59）得：得：tttkgkJtCtttttCVttCVttCVQ2 .64328 .4976 .7882/ )()/(066.13 .8691026. 084.01026.084.033 .86926 .7889502/33210

24、00纖粘粘墻粘硅硅硅硅纖纖纖纖粘粘粘粘蓄得查附表）（因為）（）（）（蓄蓄=V11(C1t1-C1t0)+V22（C2t2-C2t0）（）（kJ） （59）)/(91. 04 .2781025. 084. 01025. 084. 033 .28126498 .4972/ )()/(99. 02 .6431028. 081. 01028. 081. 03334333kgkJtCtttkgkJtC硅硅墻墻硅纖纖得查附表得查附表爐底蓄熱計算爐底蓄熱計算kJttCVVVttCVVVttCVVVQ1032238203 .28191. 0105 . 0378. 0397. 0401. 0202 .64399

25、. 01025. 0173. 0133. 0174. 0203 .869. 0066. 1100 . 1225. 0305. 0376. 03330001）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（所以得硅硅硅頂硅前后硅側硅纖纖纖頂纖前后纖側纖粘粘粘頂粘前后粘側粘蓄查附表3得tttkgkJtCtttkgkJtCtttmVmV3112/7 .535 .5682/999. 06751028. 081. 01028. 081. 036752/5 .5682 .7882/065. 11 .8661026. 084. 01026. 084. 01 .8662/2 .7829502/600. 0182

26、. 043. 13 . 2164. 005. 043. 13 . 2433332332133）（）（）（得查附表）（）（）（）（）（由于底底底硅底纖底纖底底底纖底粘底粘底底粘底硅底纖3 3爐底板蓄熱爐底板蓄熱 根據(jù)附表根據(jù)附表6查得查得950和和20時高合金鋼的比熱容分時高合金鋼的比熱容分別為別為C板板2 = 0 . 670kJ/( kg )和和C板板1 =0.473kJ/(kg)。經(jīng)計算爐底板重量經(jīng)計算爐底板重量G=242kg，所以有，所以有Q蓄板蓄板=G(C板板2t1-C板板1t0)=242（636.5-9.46）=151743.6kJkJQkgkJtC389880)20311(918.0

27、105.06.0)20675(990.01025.0164.0)201.866(065.1100.134.0)/(918.03111025.084.01025.084.033333底蓄底硅底硅所以得 對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3-8小時內小時內均可，故本爐子設計符合要求。因計算蓄熱時是按穩(wěn)定態(tài)均可，故本爐子設計符合要求。因計算蓄熱時是按穩(wěn)定態(tài)計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應在計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應在4小小時以內。時以內。由由式式(513)(513)得空爐升溫時間得空爐升溫時間Q蓄蓄=Q蓄蓄1+Q蓄底蓄底+Q蓄板蓄板

28、 =1032238+389880+15174.36=1573861.6kJhPQ8 . 57536006 蓄升 75kW功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成Y、或或YY,、接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)接線。供電電壓為車間動力電網(wǎng)380 V 。核算爐膛布置電熱元件內壁表面負荷，對于周期式作業(yè)核算爐膛布置電熱元件內壁表面負荷，對于周期式作業(yè)爐，內壁表面負荷應在爐，內壁表面負荷應在1535kw/m2之間，常用為20 25kw/m2之間。表面負荷在表面負荷在20 25kW/m2常用的范圍之內，故符合設計常用的范圍之內，故符合設計要求。要求。22

29、/05.2074. 375/74. 3869. 0741. 164. 0741. 122mkWFPWmFFF電安電底電側電 1 1圖表法圖表法 由附表由附表15查得查得0Cr25A15電熱元件電熱元件75kW箱式爐箱式爐YY接接線，直徑線，直徑d = 5mm時，其表面負荷為時，其表面負荷為1. 58W/cm2。每組元。每組元件長度件長度L組組=50.5m，總長度，總長度L總總 = 303. 0m,元件總重量元件總重量G總總=42 .3kg, 2 2、理論計算法、理論計算法 (1)求求950時電熱元件的電阻率時電熱元件的電阻率t 當爐溫為當爐溫為950時，電熱元件溫度取時，電熱元件溫度取1100

30、，由附表，由附表12查得查得0Cr25A15在在20時電阻率時電阻率20=1.40mm2/m， 由最高使用溫度由最高使用溫度950，選用線狀，選用線狀0Cr25Al5合金合金作電熱元件，接線方式采用作電熱元件，接線方式采用YY。(4)(4)每組電熱元件端電壓每組電熱元件端電壓 由于采用由于采用YY接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380V，故，故每組電熱元件端電壓即為每相電壓每組電熱元件端電壓即為每相電壓 由于采用由于采用YY接法，即三相雙星形接法，每組元件功率接法，即三相雙星形接法，每組元件功率 (2)(2)確定電熱元件表面功率確定電熱元件表面功率 由圖由圖53，根據(jù)本爐子

31、電熱元件工作條件取，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取 W允允 =1.6W/CmkWnP5 .12237575組電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)=410-5-1，則，則1100下的電熱元件電阻下的電熱元件電阻率為率為t=20(1+t)=1.4010-51100)=1.46mm2/m (5)(5)電熱元件直徑電熱元件直徑 線狀電熱元件直徑由式線狀電熱元件直徑由式(524)得得取取d=5mm (6)(6)每組電熱元件長度和重量每組電熱元件長度和重量 每組電熱元件長度由式每組電熱元件長度由式(525)得得每組電熱元件重量由式每組電熱元件重量由式(526)得得VU2203380組mmWUPdt9 . 4)6 . 1220/(46. 15 .123 .34)/(3 .34322322允組組mPdULt07.5246. 15 .12522010785. 010785. 0223223組組組MLdG組組24 電熱元件總長度由式電熱元件總長度由式(527)得得 L總總=6L組組 =652.07=312.4