熱處理電阻爐設計計算舉例課件

熱處理電阻爐設計計算舉例主講教師：管登高8/18/20231熱處理電阻爐設計計算舉例主講教師：管登高8/5/20231

重點：設計方法與步驟

教學要求：掌握箱式電阻爐的設計內(nèi)容、方法與步驟?！?—8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(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：周期式成批裝料，長時間連續(xù)生產(chǎn)。8/18/20232重點：設計方法與步驟§5—8熱處

1．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，只能用加熱能力指標法。已知生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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8/18/202331．爐底面積的確定二、爐型的選擇根8/18/202348/5/20234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8/18/20235有效面積與爐底總面積存在關系式F1/F=0.7

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8/18/202363．爐膛高度的確定爐底支撐磚厚度拱角磚矮邊爐底擱磚寬度磚

為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工件與爐膛內(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=700mm；H效=500mm8/18/20237為避免工件與爐內(nèi)壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工8/18/202388/5/20238

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。）

8/18/202394．爐襯材料及厚度的確定8/5/2023四、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)=2360mmB外=B+2×(115+50+115)=1490mmH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。8/18/202310四、砌體平均表面積計算爐底板材料選用Cr—Mn—N耐熱鋼，根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(nèi)。

F墻內(nèi)=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×(2.360+1.490)=12.058m2爐頂平均面積

2．爐墻平均面積8/18/202311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(nèi)。爐頂五、計算爐子功率1．根據(jù)經(jīng)驗公式法計算爐子功率由式(5—14)

8/18/202312五、計算爐子功率8/5/202312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(nèi)壁面積F壁

由經(jīng)驗公式法計算得P安≈75(kW)8/18/202313取式中系數(shù)C=30[(kW﹒h0.5)/(m1.8﹒C1..

(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(nèi)。2．根據(jù)熱平衡計算爐子功率8/18/202314(1)加熱工件所需的熱量Q件(2)通過爐襯的散

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8/18/202315根據(jù)式(1—15）對于爐墻散熱，如圖5—16所示，首先假定

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(nèi)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﹒℃)

8/18/202316耐火層S1的平均溫度ts1均=（950+當爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時，由附表2經(jīng)近似計算得α∑=12.17W/(m2﹒℃)（綜合傳熱系數(shù)）求熱流8/18/202317當爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時，由附表2經(jīng)近似計算得α∑②驗算交界面上的溫度t2墻、t3墻8/18/202318②驗算交界面上的溫度t2墻、t3墻8/5/202318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/m28/18/202319滿足一般熱處理電阻爐表面溫升<50℃的要求。室溫20℃③驗

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/h8/18/202320t2底=782.2℃，t3底568.54℃=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(nèi)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×=0.278m28/18/202321=0.1爐門開啟率δt=(3)開啟爐門的輻射熱損失式中：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1-148/18/202322由于爐門開啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.3(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8/18/202323(4)開啟爐門溢氣熱損失8/5/202323(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/h8/18/202324(5)其它熱損失8/5/202324(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

8/18/202325(6)熱量總支出其中K為功率儲備系數(shù)，本爐設計中K取1.4，1．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8/18/2023261．正常工作時的效率2.在保溫階段，關閉爐門時的效率六、爐子

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(nèi)。8/18/202327七、爐子空載功率計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8/18/2023281.爐墻及爐頂蓄熱0.97×(1.741+0.27

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=0.13m3

2×[(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=0.174m38/18/2023292.3×1.43×0.115=0.378m3由式（5—9）得：Ｑ蓄=V1ρ1(C1′t1′-C1t0)+V2ρ2（C2′t2′-C2t0）（kJ）（5—9）8/18/202330由式（5—9）得：Ｑ蓄=V1ρ1(C1′t1′-C1t0)+8/18/2023318/5/2023318/18/2023328/5/202332爐底蓄熱計算8/18/202333爐底蓄熱計算8/5/202333查附表3得8/18/202334查附表3得8/5/2023343．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(jīng)計算爐底板重量G=242kg，所以有Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242×（636.5-9.46）=151743.6kJ8/18/2023353．爐底板蓄熱Q蓄板=G(C板2t1-C板1t0)=242×

對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3-8小時內(nèi)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(nèi)。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=1573861.6kJ8/18/202336對于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時間在3-75kW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(wǎng)380V。核算爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負荷，對于周期式作業(yè)爐，內(nèi)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(nèi)，故符合設計要求。九、功率的分配與接線8/18/20233775kW功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成Y、△或Y

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8/18/2023381．圖表法2、理論計算法由最高使用溫度(4)每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網(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/m8/18/202339(4)每組電熱元件端電壓(3)每組電熱元件功率(2)

(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8/18/202340(5)電熱元件直徑取d=5mm每組電熱元件重量由式(5—2（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）8/18/202341（7)電熱元件的總長度和總重量式中，ρM由附表1(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，布置在兩側爐墻及爐底上，則有

布置電熱元件的爐壁長度L′=L—50=1741-50=169