電阻爐設計舉例演示文稿

電阻爐設計舉例演示文稿2023/6/201本文檔共50頁；當前第1頁；編輯于星期二\17點26分

重點：設計方法與步驟

教學要求：了解箱式電阻爐的設計內容、方法與步驟。

熱處理電阻爐設計計算舉例一、設計任務

為某廠設計一臺熱處理電阻爐，其技術條件為：

(1)用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調質處理。處理對象為中小型零件，無定型產品，處理批量為多品種，小批量；

(2)生產率：160kg/h；

(3)工作溫度：最高使用溫度≤950℃；

(4)生產特點：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產。本文檔共50頁；當前第2頁；編輯于星期二\17點26分

1．爐底面積的確定因無定型產品，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。已知生產率p為160kg/h，按表5—1選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產率p0為120kg/(m2﹒h)，故可求得爐底有效面積二、爐型的選擇

根據(jù)設計任務給出的生產特點，擬選用箱式熱處理電阻加熱爐，不通保護氣氛。三、確定爐體結構和尺寸本文檔共50頁；當前第3頁；編輯于星期二\17點26分本文檔共50頁；當前第4頁；編輯于星期二\17點26分

有效面積與爐底總面積存在關系式F1/F=0.75~0.85，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L=1.741m，B=0.869m。

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F=L·B=0.5L2，因此，可求得見圖示

2．爐底長度和寬度的確定本文檔共50頁；當前第5頁；編輯于星期二\17點26分

3．爐膛高度的確定按統(tǒng)計資料，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)標準磚尺寸，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度磚長本文檔共50頁；當前第6頁；編輯于星期二\17點26分

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空間，確定工作室有效尺寸為：L效=1500mm；B效=700mm；H效=500mm本文檔共50頁；當前第7頁；編輯于星期二\17點26分本文檔共50頁；當前第8頁；編輯于星期二\17點26分

4．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，采用相同爐襯結構，即113mmQN—1.0輕質粘土磚+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mrnB級硅藻土磚。

爐頂采用113mmQN—1.0輕質粘土磚十80mm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輕質粘土磚(67①×3)mm+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈十182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。

爐門用65mmQN—1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+65mmA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高鋁磚。（注①67=65+2，2是磚縫的寬度。）

本文檔共50頁；當前第9頁；編輯于星期二\17點26分四、砌體平均表面積計算爐底板材料選用Cr—Mn—N耐熱鋼，根據(jù)爐底實際尺寸給出，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)=2300mmB外=B+2×(115+50+115)=1430mmH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標準拱頂，取拱弧半徑R=B，則f可由f=R(1-co300)求得。本文檔共50頁；當前第10頁；編輯于星期二\17點26分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。

F墻內=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×(2.300+1.430)=11.68m2爐頂平均面積

2．爐墻平均面積本文檔共50頁；當前第11頁；編輯于星期二\17點26分五、計算爐子功率

1．根據(jù)經驗公式法計算爐子功率由式(5—14)本文檔共50頁；當前第12頁；編輯于星期二\17點26分取式中系數(shù)C=30[(kW﹒h0.5)/(m1.8﹒C1..55)，空爐升溫時間假定為τ升=4h，爐溫t=950℃，爐膛內壁面積F壁

由經驗公式法計算得P安≈75(kW)本文檔共50頁；當前第13頁；編輯于星期二\17點26分

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

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每小時裝爐量）

(2)通過爐襯的散熱損失Q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)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本文檔共50頁；當前第14頁；編輯于星期二\17點26分

根據(jù)式(1—15）對于爐墻散熱，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℃則本文檔共50頁；當前第15頁；編輯于星期二\17點26分

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率由附表4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，由tS2均=632.5℃，得

λ2=0.129W/(m﹒℃)

本文檔共50頁；當前第16頁；編輯于星期二\17點26分當爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時，由附表2經近似計算得α∑=12.17W/(m2﹒℃)（綜合傳熱系數(shù)）求熱流本文檔共50頁；當前第17頁；編輯于星期二\17點26分②驗算交界面上的溫度t2墻、t3墻本文檔共50頁；當前第18頁；編輯于星期二\17點26分滿足一般熱處理電阻爐表面溫升<50℃的要求。室溫20℃③驗算爐殼溫度t4墻④計算爐墻散熱損失

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本文檔共50頁；當前第19頁；編輯于星期二\17點26分t2底=782.2℃，t3底568.54℃，t4底=53.7℃，

q底=572.2W/m2

爐頂通過爐襯散熱

Q頂散=q頂·F頂均=485.4×2.29=1111.6W

爐底通過護襯散熱

Q底散=q底.F底均=572.2×2.23=1276W整個爐體散熱損失

Q散=Q墻散+Q頂散十Q底散

=4562.5+1111.6+1276=6950.1w（因為1W=3.6kJ/h）所以Q散

=3.6×6950.1=25020.4kJ/h本文檔共50頁；當前第20頁；編輯于星期二\17點26分=0.1爐門開啟率δt=(3)開啟爐門的輻射熱損失設裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據(jù)式(5—6)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)；φ—爐口遮蔽系數(shù)；

δt—爐門開啟率(即平均1小時內開啟的時間)，對常開爐門或爐壁縫隙而言δt=1。

因為Tg=950+273=1223K，Tα=20+273=293K，由于正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故爐門開啟面積F=B×=0.869×=0.278m2本文檔共50頁；當前第21頁；編輯于星期二\17點26分由于爐門開啟后，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)圖1-14本文檔共50頁；當前第22頁；編輯于星期二\17點26分(4)開啟爐門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）得本文檔共50頁；當前第23頁；編輯于星期二\17點26分(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本文檔共50頁；當前第24頁；編輯于星期二\17點26分(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為功率儲備系數(shù)，本爐設計中K取1.4，則

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

本文檔共50頁；當前第25頁；編輯于星期二\17點26分1．正常工作時的效率由式(5—12)

2.在保溫階段，關閉爐門時的效率

六、爐子熱效率計算本文檔共50頁；當前第26頁；編輯于星期二\17點26分

七、爐子空載功率計算八、空爐升溫時間計算

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。本文檔共50頁；當前第27頁；編輯于星期二\17點26分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拱角磚的厚度本文檔共50頁；當前第28頁；編輯于星期二\17點26分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=0.13m32×[(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=0.174m3本文檔共50頁；當前第29頁；編輯于星期二\17點26分由式（5—9）得：Ｑ蓄=V1ρ1(C1′t1′-C1t0)+V2ρ2（C2′t2′-C2t0）（kJ）（5—9）本文檔共50頁；當前第30頁；編輯于星期二\17點26分本文檔共50頁；當前第31頁；編輯于星期二\17點26分本文檔共50頁；當前第32頁；編輯于星期二\17點26分爐底蓄熱計算本文檔共50頁；當前第33頁；編輯于星期二\17點26分查附表3得本文檔共50頁；當前第34頁；編輯于星期二\17點26分3．爐底板蓄熱根據(jù)附表6查得950℃和20℃時高合金鋼的比熱容分別為C板2=0.670kJ/(kg﹒℃)和C板1=0.473kJ/(kg﹒℃)。經計算爐底板重量G=242kg，所以有Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242×（）=151743.6kJ本文檔共50頁；當前第35頁；編輯于星期二\17點26分

對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3-8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)計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間應在4小時以內。由式(5—13)得空爐升溫時間Q蓄=Q蓄1+Q蓄底+Q蓄板

=1032238+389880+15174.36=1573861.6kJ本文檔共50頁；當前第36頁；編輯于星期二\17點26分75kW功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成Y、△或YY,、△△接線。供電電壓為車間動力電網380V。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15~35kw/m2之間，常用為20~25kw/m2之間。表面負荷在20~25kW/m2常用的范圍之內，故符合設計要求。九、功率的分配與接線本文檔共50頁；當前第37頁；編輯于星期二\17點26分

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，其表面負荷為1.58W/cm2。每組元件長度L組=50.5m，總長度L總=303.0m,元件總重量G總=42.3kg,

2、理論計算法

(1)求950℃時電熱元件的電阻率ρt

當爐溫為950℃時，電熱元件溫度取1100℃，由附表12查得0Cr25A15在20℃時電阻率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算本文檔共50頁；當前第38頁；編輯于星期二\17點26分(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網端電壓為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本文檔共50頁；當前第39頁；編輯于星期二\17點26分

(5)電熱元件直徑線狀電熱元件直徑由式(5—24)得取d=5mm

(6)每組電熱元件長度和重量每組電熱元件長度由式(5—25)得每組電熱元件重量由式(5—26)得本文檔共50頁；當前第40頁；編輯于星期二\17點26分（7)電熱元件的總長度和總重量電熱元件總長度由式(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<W允，結果滿足設計要求。

(8)校核電熱元件表面負荷所需電熱元件總長度和總重量為

L總=nL（m）（5-27）

G總=nG（kg）（5-28）本文檔共50頁；當前第41頁；編輯于星期二\17點26分(9)電熱元件在爐膛內的布置將6組電熱元件每組分為4折，布置在兩側爐墻及爐底上，則有

布置電熱元件的爐壁長度

L′=L—50=1741-50=1691mm

絲狀電熱元件繞