熱處理爐課程設(shè)計

目錄TOC\o"1-5"\h\z設(shè)計任務(wù)（見教材80頁） 1爐型選擇 1\o"CurrentDocument"確定爐膛尺寸 1理論確定爐膛尺寸 1\o"CurrentDocument"實際確定爐膛尺寸 2\o"CurrentDocument"確定爐膛有效尺寸 3\o"CurrentDocument"爐襯材料的選擇及其厚度的確定 3\o"CurrentDocument"爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算 3\o"CurrentDocument"爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算 6爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計算 7爐子外形尺寸的確定和砌體平均表面積的計算 9用熱平衡計算法計算爐子功率 10爐子熱效率的計算 13功率的分配和接線方法 14校核爐膛內(nèi)壁表面負(fù)荷（選做） 14電熱元件材料的選擇和理論計算 14爐子技術(shù)指標(biāo) 16熱處理電阻爐設(shè)計設(shè)計任務(wù)（見教材80頁）爐型選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)給出的生產(chǎn)特點，選用中溫（650?1000°C）箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保護氣氛，為空氣介質(zhì)。確定爐膛尺寸理論確定爐膛尺寸（1）確定爐底總面積爐底總面積的確定方法有兩種：實際排料法和加熱能力指標(biāo)法。本設(shè)計用加熱能力指標(biāo)法來確定爐底面積。已知爐子生產(chǎn)率P=60kg^h，按教材表5-1選擇適用于淬火、正火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產(chǎn)率p0=120kg...??(m2?h)。因此，爐子的爐底有效面積(可以擺放工件的面積)。可按下式計算：F=P=-60=0.5m2p0 120通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.75?0.85之間選擇。爐子小取小值;爐子大取大值。本設(shè)計取中值0.8，則爐底總面積F為，F(xiàn)=Fi=0.5=0.625m200080確定爐膛的長度和寬度爐底長度和寬度之比-在3/2?2之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的B方便’本設(shè)計取牛=2，則爐子爐底長度和寬度分別為:了:F ,0.625L=' =, =1.118m;0.5 0.5L1.118B=—==0.559m2 2確定爐膛高度爐膛高度和寬度之比-在0.5?0.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大B值。本設(shè)計取中值0.7，則爐膛高度為：H=0.7B=0.7x0.559=0.391m實際確定爐膛尺寸為方便砌筑爐子，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸(230X113X65mm)，并考慮砌縫寬度(砌磚時兩塊磚之間的寬度，2mm)、上、下磚體應(yīng)互相錯開以及在爐底方便布置電熱元件等要求，進一步確定爐膛尺寸。依據(jù)理論計算的爐膛長度、寬度和高度，進一步確定爐膛尺寸如下：L=(230+2)x5=1160mm=1.16m；B=(55+2)x2+(113+2)x3+(38+2)x2=57x2+115x3+40x2=539mm=0.539mH=（65+2）x6=402mm=0.402m注意：實際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。確定爐膛有效尺寸為避免熱處理工件與爐膛內(nèi)壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發(fā)生碰撞，應(yīng)使工件與爐膛內(nèi)壁保持一定的距離。工件應(yīng)放置的爐膛的有效尺寸內(nèi)。爐膛有效尺寸確定如下：L效=950mmB效=450mmH效=350mm爐襯材料的選擇及其厚度的確定爐襯材料的選擇及其厚度的計算應(yīng)滿足在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，爐殼溫度小于60°C。由于爐子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)之和統(tǒng)稱為綜合傳熱系數(shù)?E。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部分外壁對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)不同（見教材附表2）,所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進行計算。爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算爐子的兩邊側(cè)墻和前后墻可采用相同的爐襯結(jié)構(gòu)，同時為簡化計算，將爐門看作前墻的一部分。設(shè)爐墻的爐襯結(jié)構(gòu)如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚（QN—0.8），保溫層是60mm厚、密度為350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和230mm厚的A級硅藻土磚（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4）。這種爐襯結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，是否滿足爐墻外壁溫度小于60C，應(yīng)首先求出熱流密度，然后計算進行驗證。

在爐墻內(nèi)壁溫度950°C、爐殼周圍空氣溫度20°C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐墻向周圍空氣散熱的熱流密度為:950-201+人3以ZTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"q—-— — ——950-201+人3以Z也S S S—+子+1人 人1 2S],S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的厚度（m）。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則SS],S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的厚度（m）。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S],S2,S3的厚度為:S1=113+2=115mm；S2=60mm；S3=230+2=232mm。2）氣,人2,?,知的確定氣,氣,?分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/m?c）；以￡是爐殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m?c）。要求出氣,氣,?和以￡，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t'=850C，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻2土磚之間的界面溫度t'=620C，爐墻外殼溫度t'=55C<60C。如圖所示。3 4求輕質(zhì)粘土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3,可得輕質(zhì)粘土磚（QN—0.8）的平均導(dǎo)熱率為：人1=0.294+0.212x10-3tp（tp為平均溫度）人=0.294+0.212x10-3（-l^Ll）=0.294+0.212x10-3（950+850）2 2=0.485W/m?C1求硅酸鹽耐火纖維氈的平均導(dǎo)熱率硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度t=登《=850+620=735C。根據(jù)教材附p2 2表4查得，密度為350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈700C、1000C的熱導(dǎo)率分別為0.121W/m?C和0.122W/m?C。在700C——1000C溫度范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為其平均導(dǎo)熱率與溫度成線性關(guān)系。則有：

°」22""I=%-°」21pm1000-700 735-700 2求硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率查教材附表3,可得A級硅藻土磚的平均導(dǎo)熱率為:人3=0.105+0.23x10-3tpt，+1' 620+55人3=0.105+0.23x10-3x（-3—4）=0.105+0.23x10-3x（一2一）=0.183W/mf1求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)當(dāng)爐墻外殼溫度為55°C，周圍空氣為20°C時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)為：偵2=11.81W/m2?C3）求熱流密度將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流密度為:930

2.086=445.8W.930

2.086=445.8W.初20?115—006—0.232 1~ + + + 0.4850.1210.18311.814）驗算各界面溫度和爐墻外殼溫度是否滿足設(shè)計要求1輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度12為:t=--q；=950-445.8x0115=844.3CTOC\o"1-5"\h\z1人 0.4851相對誤差為虹==844.3—850=0.67%<5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。850L硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：t=--qX=844.3-445.8x0060=623.2C；2人 0.1212相對誤差為虹三=623.2-620=0.52%<5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。6201爐墻外殼溫度為:S 0232=13-q-x=623.2-445.8x =58CV60C；3 .因爐墻外殼溫度小于60°C，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐頂?shù)臓t襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是113mm厚的輕質(zhì)粘土磚(QN—0.8),保溫層是厚度60mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和厚度113mm的膨脹珍珠巖。在爐頂內(nèi)壁溫度950C、爐殼周圍空氣溫度20C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐頂向周圍空氣散熱的熱流密度為：950-20q=ST+ +廣遴S],S2,S3的確定S『S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚(QN—0.8)、普通硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的厚度。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S『S2,S3的厚度為：S]=115mm；S2=60mm；S3=115mm。2)氣,人2,、aE的確定氣,氣,M3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的平均熱導(dǎo)率(W/m?C)；az是爐頂外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)(W/m?c)。要求出氣,M2,M3和az，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t：=860C，硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖之間的界面溫度213=580C，爐頂外殼溫度14=55C<60C。Lm1的確定LM的確定2LM3的確定Laz的確定將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流密度為:950-200.115 0.060.115 1950-200.115 0.060.115 1 + + + 0.4860.1210.11013.529301.852=502.2Wm24)驗算界面溫度和爐頂外殼溫度1輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度勺為:t=t-q島=950-502.2x0115=831.0°CTOC\o"1-5"\h\z1X 0.4861相對誤差為^2==831.0-860=3.4%<5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。12 8601硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：t=t-q?=831.0-502.2x0060=582C；2X 0.1212\o"CurrentDocument"相對誤差為七土=582-580=0.32%<5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。t； 5801爐頂外殼溫度為：t=t-q-^=582-502.2x0115=57CV60C；3X 0.1103因爐頂外殼溫度小于60C，故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐底爐襯材料的選擇及其厚度的計算設(shè)爐底的爐襯結(jié)構(gòu)為，耐火層是(65+2)X3=201mm厚的輕質(zhì)粘土磚(QN—0.8)，保溫層是厚度80mm、密度350kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和(113+2)+(65+2)X2=249mm厚的A級硅藻土磚。在爐底內(nèi)壁溫度950C、爐殼周圍空氣溫度20C的穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下，通過爐底向周圍空氣散熱的熱流密度為：950-20q=---T芋+頃^+以S],S2,S3的確定S],S2,S3分別是輕質(zhì)粘土磚(QN—0.8)、普通硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅

藻土磚的厚度。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1,S2,S3的厚度為:S1=201mm；S2=80mm；S3=249mm。2）氣,人2,、aE的確定氣,氣,X3分別是輕質(zhì)粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的平均熱導(dǎo)率（W/m.°c）；以￡是爐底外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數(shù)（W/m.°c）。要求出氣,氣,X3和以￡，首先必須假定界面溫度和爐殼溫度。設(shè)輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度t'=810C，硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚之間的2界面溫度13=560c，爐底外殼溫度14=55c<6°c。的確定的確定L以￡的確定3）熱流密度的計算將以上數(shù)據(jù)代入求熱流密度的表達式中，可求得熱流密度為:=358.5Wm2― 950-20=358.5Wm2 + + + 0.4810.1190.1789.55TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"q=0.201~~0.08~~0.249 1 + + + 0.4810.1190.1789.554）驗算界面溫度和爐底外殼溫度輕質(zhì)粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度12為:t=t-qS=950-358.5x0201=800.1C2 1人 0.4811相對誤差為堂二業(yè)=800.1-810=1.2%<5%，滿足設(shè)計要求，不必重算。12 810［硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為:t=t-qX=800.1-358.5x^008=559.2C；3 2頊、 0.1192相對誤差為七土=559.2—560=0.1%<5%,滿足設(shè)計要求，不必重算。13 560■k爐底外殼溫度為：t=t-q'=559.2-358.5x0249=57.7^<60^；3人 0.1783因爐底外殼溫度小于60°C，故爐底爐襯材料及其厚度的選擇滿足設(shè)計要求。若實際計算后，外殼溫度大于60C，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。爐子外形尺寸的確定和砌體平均表面積的計算爐子外形尺寸的確定爐子外形長度爐子的外形長度為爐膛長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：L外=1160+2x(115+60+232)=1974mm=1.974m爐子外形寬度爐子的外形寬度為爐膛寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：B外=539+2x(115+60+232)=1353mm=1.353m爐子外形高度爐子的外形高度由以下五部分組成(圖5-8右圖)：爐膛高度、拱頂高度、爐頂厚度、爐底厚度和爐底預(yù)留安裝電熱元件所需的高度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐頂厚度、爐底厚度已經(jīng)求出。若爐子采用60°標(biāo)準(zhǔn)拱頂，取拱弓瓜半徑R=B，則拱頂高度可由下式求出：f=R(1-cos30。)=539x(1—cos30。)=72mm;為方便砌筑，預(yù)留安裝電熱組件所需的高度及爐底板厚度可取65+2=67mm。綜合以上五部分的高度，爐子外形高度為：H外=402+72+(115+60+115)+(201+80+249)+67=1361mm=1.361m;砌體平均表面積的計算爐子砌體平均表面積的計算方法有兩種：算術(shù)平均值和幾何平均值。本設(shè)計采用幾何平均計算法。此方法首先需要算出爐子內(nèi)壁和外壁的面積。爐頂平均表面積的確定爐頂內(nèi)壁是孤面，內(nèi)壁面積為：F=60°-2兀R-L=-x3.14x0.539x1.160=0.654m2.頂內(nèi)360。 6 '爐頂外壁是平面，外壁面積為：F頂外二匕xB外=1?974x1.353=2們m2則爐頂平均面積為：F頂均*'F頂內(nèi)xF頂外f°.654x2面=1-32m2爐墻平均表面積的確定爐墻包括兩側(cè)墻和前、后墻。為簡化計算，將爐門視作前墻，則爐墻平均面積為：F墻均=H(L+B)x2H外(匕卜,B外)=.(2x0.402x(1.160+0.539)x2x1.361x(1.974+1.353)=3.52m2爐底平均表面積的確定爐底平均面積為：f低均=er=3bxl)x(B外x*=(0.539x1.160x1.353x1.974=1.29m2用熱平衡計算法計算爐子功率熱平衡計算法是根據(jù)爐子的輸入總功率等于各項能量消耗總和的原則，來確定爐子功率的方法。爐子的主要能量消耗項1)加熱工件所需要的熱量由教材附表6查得，低合金鋼在950°C和20°C時的比熱容分別為：C950=0.636kJ/(kg?C)和C20=0.486kJ/(kg?C),熱處理爐的生產(chǎn)率P=60kg功，則加熱工件所需要的熱量為；己件=P(C950x950-C20x20)=60x(0.636x950-0.486x20)=35669kg/h通過爐襯的散熱損失通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分，有：。散=@頂+@墻+@底=q頂.'頂均+q墻.'墻均+q底.F底均=502.2x1.32+445.8x3.52+358.5x1.29=2694.59W=9700.52kJ/h開啟爐門的輻射熱損失這部分熱損失可由下式求得：4f馬1100)式中C0——黑體輻射系數(shù);F——爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，… H 0.402故F=Bx=0.539x =0.217m2；220.201中一遮蔽系數(shù)。開啟的爐門是拉長的矩形,開啟高度為f=零頃201〃,0.201它與爐墻厚度之比為 — =0.5,查教材圖1-14曲線10.115+0.06+0.232得①=0.56；5f——爐門開啟率。設(shè)裝、出料所需時間為每小時6分鐘，則爐門開啟率為0.1；Tg——爐氣的熱力學(xué)溫度，為950+273=1223K；Ta——爐外空氣的熱力學(xué)溫度，為20+273=293K，將上述數(shù)據(jù)代入公式中，得：(1223\4(293\4=5535.82kJ/h=3.6x5.675x0.217x0.56x0.1x——-二=5535.82kJ/hI100J1100)開啟爐門的溢氣熱損失對于一般的箱式電阻爐，爐門開啟后要吸入冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需要的熱量作為該項熱損失，即有：Q產(chǎn)=qPC5("-T)溢vaaatga式中qva——爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質(zhì)電阻爐，零壓面一般位于爐膛高度的一半。由教材(5—8)式得：H:H 0.402 -'0.402q=1997B-^.-^=1997x0.539x—2—x&—2—=97m3/hPa——20°C冷空氣的密度，為1.29kg/m3；Ca——空氣在Ta?Tg(即20?950C)溫度間的平均比熱容。就本設(shè)計來說，是平均溫度(950+20)/2=485C的比熱容。查附表10可知，空氣在400C、500C的比熱容分別為1.3302kJ/(m3.C)和1.3440kJ/(mC)?？烧J(rèn)為空氣比熱容在此溫度區(qū)間的變化呈線性關(guān)系，即有：1.3340-1.3302=Ca-1.3302°C=1342 ‘500-400=485-400a=.kJ/(m"C)t——爐門開啟率。0.1。2. 2 一Tg——溢氣溫度，近似為-(Tg—Ta)+Ta=-(950—20)+20=640C。將上述數(shù)據(jù)代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為：Q溢=97x1.29x1.342x0.1x(640-20)=10411.32kJ/h其它熱損失此項熱損失包括未考慮的各種熱損失和一些不易精確計算的各種熱損失。就箱式電阻爐來說，該項熱損失可取以上各項熱損失之和的10%?20%。本設(shè)計取15%，該項熱損失為：Q =0.15(Q+Q+Q+Q)=其它5x(35668件8+9散00.5輻+55溢5.82+10411.32)=9197.47kJh爐子的理論輸入功率根據(jù)熱平衡計算法，在理論上爐子的輸入功率應(yīng)為上述各項能量消耗的總和，即：O=Q+Q+Q+Q+Q%總 ％件 散輻溢其它=35668.8+9700.52+5535.82+10411.32+9197.47=70513.93(kJ/h)爐子的安裝功率上面計算的爐子輸入功率（即各項能量消耗總和）是維持爐子正常工作必不可少的熱量支出。但在實際生產(chǎn)中還需考慮一些具體情況，如爐子長期使用后爐襯局部損壞會引起熱損失增加，電壓波動、電熱組件老化會引起爐子功率下降，有時工藝制度變更要求提高爐子功率。這些具體情況要求爐子功率應(yīng)有一定的儲備，爐子的實際功率應(yīng)比理論計算功率大，因此爐子的安裝功率為：P=竺總安3600式中K——功率儲備系數(shù)，對周期作業(yè)爐，K=1.3?1.5。本設(shè)計可取1.4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可得：=27.42kW? 1.4x=27.42kWP、= 女3600取爐子的安裝功率為30kW。爐子熱效率的計算正常工作時的熱效率由教材5-12式得，爐子正常工作時的熱效率為：門=0件X100%=35668.8x100%=50.6%Q總 70513.93一般電阻爐的熱效率在30%——80%之間。本設(shè)計的爐子熱效率在此范圍內(nèi)，設(shè)計合理。保溫時關(guān)閉爐門的熱效率保溫關(guān)閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為：門= ^件 x100%= 35668.8 x100%=65.2%Q總—（Q輻+Q溢） 70513.93-5535.82-10411.32爐子空載功率的計算爐子空載時，能量消耗項只有兩項：通過爐襯的散熱損失和其它熱損失，此時爐子的功率為：P二土Q其它二9700.52+卯9"7二5.23成空3600 3600功率的分配和接線方法爐子的安裝功率為30kW。電熱元件采用三相星形接法，也稱“Y”接法（如圖所示）。即將電熱元件分為3組，每組10kW，爐墻兩側(cè)各布置1組電熱元件，爐底布置1組電熱元件。校核爐膛內(nèi)壁表面負(fù)荷（選做）電熱元件材料的選擇和理論計算電熱元件材料的選擇爐子的最高使用溫度為950°C,可選用0Cr25Al5合金絲材，繞制成螺旋管狀作為電熱元件。爐膛950°C時電熱元件的電阻率爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高100C——200C。當(dāng)爐膛溫度為950C，電熱元件的溫度取1100C。由教材附表12得，0Cr25Al合金20C時的電阻率P20=1.40。.mm2/m，電阻溫度系數(shù)a=4x10-5C-1，則1100C時電熱元件的電阻率為：P1100=p20（1+at）=1.40x（1+4x10-5x1100）=1.46。?mm2/m確定電熱元件的允許表面負(fù)荷

由教材圖5-3(a),根據(jù)設(shè)計的爐子的工作條件，取電熱元件的允許表面負(fù)荷w=1.6W/cm2。允每組電熱元件的功率和端電壓由于采用三相星形即“Y”接法，電熱元件可分為三組。每組電熱元件的功率為:采用“Y”接法，車間動力電網(wǎng)端電壓為380V，故