推桿式熱處理爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

推桿式熱處理爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)院：材料與冶金學(xué)院班級(jí)：材料1003班姓名：寧檬學(xué)號(hào)：20101637指導(dǎo)老師：申勇峰設(shè)計(jì)日期：2013-07-10前言熱處理電阻爐是以電能為熱源，電流通過(guò)電熱元件而發(fā)出熱量，借助輻射和對(duì)流的傳熱方式將熱量傳給工件，使工件加熱到所要求的溫度。熱處理電阻爐優(yōu)點(diǎn)：其工作范圍寬，爐溫一般可以從60℃到1600℃；能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制爐溫，控溫精度一般為±（3～8）℃；若采用計(jì)算機(jī)控制爐溫，其精度可達(dá)±1℃。爐膛溫度分布比較均勻，能夠滿足多種熱處理工藝要求，電阻爐熱效率高，一般為40～80%。此外，熱處理電阻爐結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于車間布置安裝，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，勞動(dòng)條件好，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。也便于通入可控氣氛，實(shí)現(xiàn)光亮保護(hù)加熱和化學(xué)熱處理。三、熱處理電阻爐缺點(diǎn)：爐子造價(jià)高，耗電量大，工件加熱速度較慢，不通保護(hù)氣氛加熱時(shí)工件容易氧化脫碳。四、熱處理電阻爐種類：熱處理電阻爐可分為：周期作業(yè)爐和連續(xù)作業(yè)爐兩大類。1、周期作業(yè)式電阻爐主要特點(diǎn)是工件整批入爐，在爐中完成加熱、保溫等工序，出爐后，另一批工件再重新入爐，如此周期式的生產(chǎn)。這類爐子大都間歇使用，因此要求爐子的升溫要快，蓄熱量要小。常用的有箱式爐、井式爐、臺(tái)車式爐。2、連續(xù)作業(yè)式電阻爐，加熱的工件是連續(xù)地（或脈動(dòng)地）進(jìn)入爐膛，并不斷向前移動(dòng)，完成整個(gè)加熱、保溫等工序后工件即出爐。特點(diǎn)是生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，能力大，爐子機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，適用于大批量生產(chǎn)。主要有輸送帶式爐、網(wǎng)帶式爐、推桿式爐等。五、推桿式熱處理爐簡(jiǎn)介推桿式熱處理電阻爐，屬于連續(xù)作業(yè)式電阻爐，下面做簡(jiǎn)要介紹。1、原理：推桿式熱處理爐是借助于推料機(jī)構(gòu)，將裝有工件的料盤(pán)或料筐間接地從爐子一端推入爐內(nèi)，根據(jù)不同工藝要求完成熱處理后，依次從另一端將工件推出的一種連續(xù)作業(yè)爐。2、適用范圍：這類爐子由于對(duì)工件的適應(yīng)性強(qiáng)，便于組成生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用于淬火、正火、回火、滲碳和滲氮等熱處理。3、缺點(diǎn)：料盤(pán)反復(fù)進(jìn)爐加熱和出爐冷卻，造成較大能源浪費(fèi)，熱效率較低，且料盤(pán)易損壞；另一缺點(diǎn)是對(duì)不同品種的零件實(shí)施不同技術(shù)要求時(shí)，常需把原有的爐料全部推出，工藝變動(dòng)適應(yīng)性差。目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)1二、爐型選擇1三、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸11.爐底長(zhǎng)寬高的確定12.爐襯材料及厚度的確定2四、砌體平均面積計(jì)算31.爐頂平均面積32.爐墻平均面積33.爐底平均面積4五、計(jì)算爐子功率4六、爐子熱效率的計(jì)算111.正常工作時(shí)的效率112.在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)的效率11七、爐子空載功率計(jì)算11八、功率的分配與接線11九、電熱元件材料選擇及計(jì)算12十、設(shè)計(jì)小結(jié)16十一、爐子技術(shù)指標(biāo)17【參考文獻(xiàn)】17【附表】…………………………18設(shè)計(jì)任務(wù)：為某廠設(shè)計(jì)一臺(tái)熱處理電阻爐，主要用于中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及退火處理。所處理零件主要為中小型零件，生產(chǎn)量大且品種單一，工藝穩(wěn)定。其主要技術(shù)參數(shù)要求如下表所示：項(xiàng)目單位指標(biāo)爐子有效尺寸mm6100×700×600最大裝爐量kg1000額定功率kW168最高工作溫度℃950最高生產(chǎn)率Kg/h350加熱區(qū)數(shù)4爐型選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)中對(duì)產(chǎn)品種類、產(chǎn)量大小和生產(chǎn)工藝的敘述，擬選用推桿式熱處理爐對(duì)材料進(jìn)行加工。確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸由技術(shù)參數(shù)，爐子有效尺寸為6100×700×600mm3故知：L效=6100mmB效=700mmH效=600mm由于推桿式熱處理爐加熱工件由推料機(jī)從前門(mén)推入，后門(mén)推出，不需人工取出，因此其爐膛長(zhǎng)度取L=6105mm為防止工件裝、出料時(shí)碰撞電熱元件和保證工件溫度的均勻性，工件與電加熱體擱磚應(yīng)相距100~150mm，故爐膛寬度:B=B效+200~300mm=900~1000mm，取B=900mm按資料統(tǒng)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)磚尺寸，選定爐膛高度H=620mm因此，確定爐膛尺寸如下：爐膛尺寸：長(zhǎng)L=6105mmL=6105mm寬B=900mmB=900mm高H=620mmH=620mm由于側(cè)墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同的爐襯結(jié)構(gòu)，即113mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚+85mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mmB級(jí)硅藻土磚。爐頂采用兩層113mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚（115×2）mm+320mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈。爐底采用三層QN-1.0輕質(zhì)粘土磚（67×3）mm+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+182mmB級(jí)硅藻土磚和膨脹珍珠巖符合爐襯。粘土磚上方再鋪一層67mm支撐導(dǎo)軌用的重質(zhì)粘土磚和安置電熱元件的重質(zhì)高鋁磚。爐門(mén)采用65mmQN-1.0輕質(zhì)粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+65mmA級(jí)硅藻土磚。砌體平均面積的計(jì)算砌體外廓尺寸計(jì)算如下：砌體外廓尺寸：L外=L+2×(85+115+115)=6735mmL外=6735mmB外=B+2×(85+115+115)=1530mmB外=1530mmH外=H+f+(2×115+320)+(67+67×3+50+182)=1700mmH外=1700mm式中：f—拱頂高度，此爐子采用30°拱頂，取拱弧半徑R=B。QUOTEQUOTE爐頂平均面積QUOTEF頂內(nèi)2QUOTEF頂外2QUOTEF頂均2爐墻面積包括側(cè)墻及前后墻，為簡(jiǎn)化計(jì)算將爐門(mén)包括在前后墻內(nèi)。F墻內(nèi)=2LH+2BH=2H(L+B)=2×0.620×(6.105+0.900)爐墻平均面積2F墻內(nèi)2F墻外=2H外(L外+B外)=2××(6.735+1.530)F墻外22F墻均2QUOTE爐底平均面積F底內(nèi)=B××2F底內(nèi)2F底外=B外×L外×2F底外2QUOTEQUOTE=mF底均5m計(jì)算爐子功率根據(jù)熱平衡法計(jì)算爐子功率熱平衡法計(jì)算是根據(jù)爐子的輸入總功率（收入項(xiàng)）應(yīng)等于各項(xiàng)能量消耗（支出項(xiàng)）總和的原則確定爐子功率的方法。在此設(shè)計(jì)中，主要支出項(xiàng)包括如下幾個(gè)方面：加熱工件所需熱量Q件，加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔，通過(guò)爐襯的散熱損失Q散，通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)或爐壁縫隙的輻射熱損失Q輻，通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)的溢氣熱損失Q溢以及其他熱損失Q他。具體計(jì)算過(guò)程如下：（1）加熱工件所需的熱量Q件由附表6【1】得，工件在950℃和20℃時(shí)比熱容分別為c件2=0.636kJ/(kg·℃)及c件1=0.486kJ/(kg·℃)，故有：Q件=p(c件2t1-c件1t0)=350×××20)加熱工件所需的熱量Q件=208068kJ/hQ件=208068kJ/h（2）加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔推桿式熱處理爐的加熱輔件主要有導(dǎo)軌和料盤(pán)，其材質(zhì)均為耐熱鋼，由附表6【1】得，取其950℃時(shí)比熱容為c2=0.670kJ/(kg·℃)，20℃比熱為c1=0.473kJ/(kg·℃)，取每小時(shí)加熱輔件的重量P輔=40Kg/h，則有：Q輔=p輔(c2t1-c1t0)=40×××20)加熱輔助構(gòu)件所需熱量Q輔=25081.6kJ/hQ輔（3）通過(guò)爐襯的散熱損失Q散由于爐子側(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，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐門(mén)包括在前墻內(nèi)。對(duì)于爐墻散熱，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，QUOTE=820℃，QUOTE=420℃，QUOTE=60℃則耐火層S1的平均溫度：QUOTE==885℃硅酸鋁耐火纖維層S2的平均溫度：QUOTE==620℃硅藻土磚層S3的平均溫度：QUOTE==240℃S1、S3層爐襯的熱導(dǎo)率由下附表3【2】查得QUOTE=0.29+0.256×10-3ts1均=0.29+0.256×10-3×8857W/(m·℃)QUOTE=0.131+0.23×10-3=0.131+0.23×10-3×240=0.186W/(m·℃)普通硅酸鋁耐火纖維的熱導(dǎo)率由附表4【3】查得，在與給定溫度相差較小范圍內(nèi)近似認(rèn)為其熱導(dǎo)率與溫度成線性關(guān)系，由QUOTE=620℃，得：QUOTE=(0.140-0.093)×QUOTE=W/(m·℃)當(dāng)爐殼溫度為60℃，室溫為20℃時(shí)，由附表2【4】得QUOTE=12.17W/(m2·℃)。①求熱流=QUOTE2②驗(yàn)算交界面上的溫度t2墻、t3墻QUOTE=QUOTE-QUOTE=950–584.106×QUOTE℃Δ==×100%=0.0089%Δ＜5%，滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。QUOTE=QUOTE-QUOTE=83–584.106×6℃Δ==×100%5%Δ＜5%，也滿足設(shè)計(jì)要求，不需重算。③驗(yàn)算爐殼溫度QUOTE=QUOTE-QUOTE6–584.106×5℃＜70℃滿足一般熱處理電阻爐表面溫升小于70℃的要求，不需重算。④計(jì)算爐墻散熱損失Q墻散=q墻·F墻均×15.623=同理可以求得：QUOTE℃，QUOTE℃QUOTE2；QUOTE℃，QUOTE℃，QUOTE℃，QUOTE2；爐頂通過(guò)爐襯散熱Q頂散=q頂·F頂均×7.698=W爐底通過(guò)爐襯散熱Q底散=q底·F底均×5=W整個(gè)爐體散熱損失Q散=Q墻散+Q底散+Q頂散=9125.5W+459+2=16W通過(guò)爐襯的散熱損失Q散=5kJ/hQ散=5kJ/h（4）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9min/h，Tg=950+273=1223K，Tα=20+273=293K。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)啟面積為：=×QUOTE2爐門(mén)開(kāi)啟率：δt=QUOTE=5由于爐門(mén)開(kāi)啟后，輻射口為矩形，且H/2與B之比為0.310/0.900=0.344屬拉長(zhǎng)的矩形，爐門(mén)開(kāi)啟高度與爐墻厚度之比為0.310/0.345=0.899，由圖1-14【5】第1條線查得φ又推桿式爐每次進(jìn)出料時(shí)前后門(mén)一起打開(kāi)，故有：=2××××××22298.4開(kāi)啟爐門(mén)的輻射熱損失Q輻輻（5）開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失Q溢溢氣熱損失計(jì)算公式為：其中溢氣量=1997×××3/h冷空氣密度QUOTE3，由附表10【6】可查得：QUOTE=1.342kJ/（m3·℃）溢氣溫度可近似為：640因此：×××(640-20)×0.15開(kāi)啟爐門(mén)溢氣熱損失Q溢溢（6）其他熱損失Q他其它熱損失為上述熱損失之和的10%~20%，故：Q他=0.15(Q件+Q輔+Q散+Q輻+Q溢)5×(208068++5+25928.4+49942.1)其他熱損失Q他=kJ/hQ他=55kJ/h（7）熱量總支出Q總Q總=Q件+Q輔+Q散+Q輻+Q溢+Q他=QUOTE熱量總支出Q總=42kJ/hQ總=42kJ/h（8）爐子安裝功率P安，其中K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，對(duì)于連續(xù)作業(yè)爐，K=1.2~1.3，本爐設(shè)計(jì)中K取1.3，則取P安=154kWP安=154kW爐子熱效率計(jì)算1．正常工作時(shí)的效率正常工作時(shí)的效率=%η=49.2%2．在保溫階段，關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率η=QUOTE×100%=QUOTE×100%關(guān)閉爐門(mén)時(shí)的效率=60.0%η=%爐子空載功率計(jì)算爐子空載功率=31.5kWP空=31.5kW功率的分配與接線連續(xù)加熱爐的爐膛長(zhǎng)度較大，分為預(yù)熱、加熱、保溫、冷卻等不同區(qū)段，各段功率大小不同，要分區(qū)獨(dú)立控制。本爐設(shè)計(jì)中，各區(qū)段功率分配為：20%，40%，20%，20%，則：P預(yù)熱=20%P安=154×20%=3kWP加熱=40%P安=154×40%=kWP保溫=20%P安=154×20%=kWP冷卻=20%P安=154×20%=kW由于四個(gè)區(qū)段功率均在25~75kW內(nèi)，故四區(qū)段均采用三相380V星形接法，即Y接線方式。對(duì)于加熱區(qū)，計(jì)算其內(nèi)壁表面負(fù)荷：F加熱電=(2×0.62+0.9)×QUOTE2W加熱==QUOTE=kW/m2W加熱=kW/m2加熱區(qū)內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15~35kW/m2之間，故設(shè)計(jì)符合要求。電熱元件材料選擇及計(jì)算由最高使用溫度950℃，選用線狀0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用Y。（1）求950℃時(shí)電熱元件的電阻率ρt當(dāng)爐溫為950℃時(shí)，電熱元件溫度取1100℃，由附表12【7】得0Cr25A15在20℃時(shí)電阻率ρ20Ωmm2/m。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×(1+4×10-5×1100)=1.46Ω·mm2/m（2）確定電熱元件表面功率由圖5-3【8】知，根據(jù)本爐子電熱元件工作條件取W允=1.7W/cm2（3）每組電熱元件功率由于四個(gè)區(qū)段均采用Y接法，則各區(qū)段中每組元件功率分別為：=10.3kW=20.5kW=10.3kW=10.3kW（4）每組電熱元件端電壓由于采用Y接法，車間動(dòng)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為=220V（5）電熱元件直徑加熱區(qū)線狀電熱元件直徑為：=6.7mm取d加熱=7mm，同理可得：d預(yù)熱=5mmd保溫=5mmd冷卻=5mm（6）每組電熱元件長(zhǎng)度和重量加熱區(qū)每組電熱元件長(zhǎng)度為QUOTE×10-3×QUOTE=6m同理可得其它各區(qū)段電熱元件長(zhǎng)度為：L組預(yù)熱=6mL組保溫=6mL組冷卻=6m加熱區(qū)每組電熱元件重量為=××6×=16.99kg同理可得其它各區(qū)段電熱元件重量為：G組預(yù)熱=8.80kgG組保溫=8.80kgG組冷卻=8.80kg（7）電熱元件的總長(zhǎng)度和總重量電熱元件總長(zhǎng)度為L(zhǎng)總=3L組預(yù)熱+3L組加熱+3L組保溫+3L組冷卻=3×(6+6+6+6)=m電熱元件總重量為G總=3G組預(yù)熱+3G組加熱+3G組保溫+3G組冷卻=3×(8.80+16.99+8.80+8.80)=1kg（8）校核電熱元件表面負(fù)荷=0W/cm2同理可得其它區(qū)段各電熱元件表面負(fù)荷為：W實(shí)預(yù)熱4W/cm2W實(shí)保溫4W/cm2W實(shí)冷卻4W/cm2可以看出各區(qū)段W實(shí)均小于W允，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。（9）電熱元件在爐膛內(nèi)的布置將每區(qū)段3組電熱元件每組分為5折，布置在兩側(cè)爐墻及爐底上，則在加熱區(qū)段中，如下所示：==QUOTE=12.44m布置電熱元件的爐壁長(zhǎng)度L′=L–50=6100/4–50=1475mm絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000℃，由表5-5【9】可知，螺旋節(jié)徑D=(4~6)d，取D=6d=6×7=42mm螺旋體圈數(shù)N和螺距h分別為N=QUOTE=QUOTE=95圈h=L′/N=1475/95=15.53mmh/d=15.53/7=2按規(guī)定，h/d在2~4范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。同理也可計(jì)算得，在其它三個(gè)區(qū)段h/d均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)計(jì)算，在加熱區(qū)段選用Y方式接線，采用d=7mm所用電熱元件重量最小，成本最低。在其它三個(gè)區(qū)段中選用Y方式接線，采用d=5mm所用電熱元件最小，成本最低。電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti，φ=12mm，L=500mm。設(shè)計(jì)小結(jié)1、總結(jié)：通過(guò)上述的設(shè)計(jì)讓我了解到推桿式熱處理爐的設(shè)計(jì)的基本方法。上面分別對(duì)爐子的爐型及爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)爐墻、爐底、爐頂爐襯等的結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)該電阻爐的基本結(jié)構(gòu)及構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的敘述及計(jì)算。在隨后的熱處理爐的功率計(jì)算中對(duì)爐子采用了平衡法進(jìn)行了核算，得到了爐子的正常工作功率，并計(jì)算了爐子的熱效率。在之后的功率分配核算中，其加熱區(qū)內(nèi)壁表面負(fù)荷為每平方米18.40千瓦，也屬