105KW中温箱式电阻炉设计.docx

热解决设备设计阐明书设计题目105KW中温箱式电阻炉设计佳木斯大学1前言错误!未定义书签。1.1 本设计目、意义错误!未定义书签。1.1.1 本设计目错误!未定义书签。1.1.2 本设计意义错误!未定义书签。1.2 本设计技术规定错误!未定义书签。1.2.1 技术规定错误!未定义书签。1.3 热解决炉发呈现状错误!未定义书签。1.3.1 国外热解决行业能源运用状况错误!未定义书签。1.4 国内热解决行业存在问题错误!未定义书签。2设计阐明错误!未定义书签。2.1 炉型选取错误!未定义书签。2.2 拟定炉体构造和尺寸错误!未定义书签。2.2.1 依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸1.*B*H错误!未定义书签。2.2.2 拟定工作室有效尺寸1.效B效H效错误!未定义书签。2.2.3 炉衬材料及厚度拟定错误!未定义书签。2.2.4 砌体平均表面积计算错误!未定义书签。2.2.5 炉顶平均面积错误!未定义书签。2.2.6 炉墙平均面积错误!未定义书签。1.1.1 求热流量错误!未定义书签。1.1.2 验算交界面上温度t2墙t3w错误!未定义书签。1.1.3 验算炉壳温度t,lift错误!未定义书签。2.4 计算炉墙散热损失Q堵敢错误!未定义书签。2.4.1 计算炉墙散热损失错误!未定义书签。2.4.2 启动炉门辐射热损失Q辐错误!未定义书签。2.4.3 启动炉门溢气热损失Q低错误!未定义书签。2.4.4 其他热损失Q它错误!未定义书签。2.4.5 工件吸取热量错误!未定义书签。2.5 炉子生产率计算错误!未定义书签。2.5.1 炉子生产率计算错误!未定义书签。2.5.2 正常工作时效率错误!未定义书签。2.5.3 保温阶段关闭炉门时效率错误!未定义书签。2.6 炉子空载功率计算错误!未定义书签。2.7 空炉升温时间计算错误!未定义书签。2.7.1 炉墙及炉顶蓄热错误!未定义书签。2.7.2 炉底蓄热计算错误!未定义书签。2.7.3 炉底板蓄热错误!未定义书签。2.8 功率分派与接线错误!未定义书签。2.9.2 拟定电热元件表面功率错误!未定义书签。2.9.3 每组电热元件功率错误!未定义书签。2.9.4 每组电热元件端电压错误!未定义书签。2.9.5 电热元件直径错误!未定义书签。2.9.6 每组电热元件长度和重量错误!未定义书签。2.9.7 电热元件总长度和总重量错误!未定义书签。2.9.8 校核电热元件表面负荷错误!未定义书签。2.9.9 电热元件在炉膛内布置错误!未定义书签。2.10炉子技术指标错误!未定义书签。3附录错误!未定义书签。3.1 装配图错误!未定义书签。3.2 电阻丝错误!未定义书签。3.3 电阻丝接线示意图错误!未定义书签。4参考文献错误!未定义书签。1.1 本设计目、意义1.1.1 本设计目设计一台电阻加热炉，额定功率为105KW,使其加热温度在650-100Oc之间，周期式成批装料，长时间持续生产。用于中碳钢，低合金钢毛坯或零件淬火，正火及调质解决，解决对象为中小型零件，无定型产品，解决批量为多品种，小批量。1.1.2 本设计意义通过本次热解决炉设计，理解中温热解决炉基本构造，掌握热解决炉设计基本办法，熟悉热解决炉在工厂中实际应用以及进一步纯熟工程制图办法，为后来工厂实际奠定基本。1.2 本设计技术规定1.2.1 技术规定1用途：中碳钢，低合金钢毛坯或零件淬火，正火及调质解决，解决对象为中小型零件，无定型产品，解决批量为多品种，小批量。2额定功率：105KW3工作温度：中温(650oC-1000oC)4生产特点：周期式成批装料，长时间持续生产。1.3 热解决炉发呈现状1.3.1 国外热解决行业能源运用状况在国外推出热解决节能办法中，重要考虑就是改进设备和革新工艺技术办法，重要办法有如下几种方面：1.加强合理运用热能理论研究和实际应用。2 .采用直接控制炉内氛围碳势、氮势、氧势传感器和执行机构，可以获得一定节能效果。3 .采用新型保温材料，可减少20%以上热损失。4 .采用直接加热工件办法，可减少蓄热损失和辐射损失，也可有效节约能源。5 .改进料盘、夹具构造，减轻耐热钢构件重量，增长强度，减少料盘夹具无效加热损失。1.4国内热解决行业存在问题由于国内工业起步较晚，现行热解决装备水平普遍落后，重要有如下几种方面：1 .设备负荷率低，装炉量局限性。2 .设备运用率低。3 .加热设备落后。4 .无效热消耗多。5 .工艺落后。当前，国内热解决工艺普遍落后，过于保守。2设计阐明2.1 炉型选取依照设计任务给出生产特点，拟选用中温箱式热解决电阻炉，不通保护氛围。2.2 拟定炉体构造和尺寸2.2.1 依照经验公式法计算炉子炉膛砌砖体内腔尺寸1.*B*H经验公式：P安=Ct升°F9(T/1000)155由于炉门为启动式，故散热量较大，取C=30(kw*h°5)/(In1.8*C25),空炉升温时间假定为4h,炉温为T=100O,故105=30*4°5*f°9*(1000/1000)155计算得F=8.69m2依照炉膛面积计算公式F=2*B*H+2*1.*H+B*1.+2*11*B礼*(607360°)(1)依照经验普通有1.=2BH=0.7B(2)依照(1)(2)式计算得1.=2.05mB=l.03mH=0.72m依照原则热解决炉砖尺寸(230mm*113mm*65mm)及在各方向上砖缝不能重叠，以保持其强度，必要用半块砖，故取1.=l.96mB=0.9mH=0.68m考虑每块砖之间缝隙2mm,拟定最后尺寸1.=(230+2)*8+(230*0.5+2)=1973mnB=(120+2)*4+(113+2)+(65+2)*2+(113+2)*2=967mmH=(65+2)*10+37=707mm2.2.2 拟定工作室有效尺寸1.效B效H效为避免工件与炉内壁或电热元件砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定空间，拟定工作室有效尺寸为1.1700mmB效=70OmmH效=500mm2.2.3炉衬材料及厚度拟定由于侧墙，前墙及后墙工作条件相似，采用相似炉衬构造，即113mmQN-1.0轻质黏土转+50Innl密度为ZSOkg/n?普通硅酸铝纤维毡÷113mmB级硅藻土砖。炉顶采用11311三QNT.0轻质黏土砖+80mm密度为ZSOkg/n?普通硅酸铝纤维毡，+115n三膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN-I.0轻质黏土砖(67*3)mm+50mm密度为250kg11)3普通硅酸铝纤维毡+182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mmQN-l.0轻质黏土砖+8OmiTl密度为250kg11?普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质黏土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr-Mn-N耐热钢，依照炉底实际尺寸给出，分三块或四块,厚20mm。2.2.4砌体平均表面积计算1.=1.+2*(115+50+115)=1973+115+50+115+230=2483mmB外=B+2*(115+50+115)=967+2*(115+50+115)=1527mmH外=H+f+(115+80+115)+67*4+50+182=707+130+310+268+50+182=1647式中：f拱顶高度，此炉采用6(原则拱顶，取拱弧半径R=B,则f可由f=R(l-cos300)求得。2.2.5炉顶平均面积Fm=211R6*1.=2*3.14*0.967*1.973/6=2.025m2F顶外=B外*1.外=2.483*1.527=3.903m2F顶均二JF顶内*F顶外二J2.025*3.9032.82m22.2.6炉墙平均面积炉墙平均面积涉及侧墙及先后墙，为简化计算将炉门涉及在前墙。F墙内=21.H+2BH=2H(1.+B)=2*0.707(1.973+0.967)=4.150m2F墙外二2H外(1.外+B外)=2*1.647(2.483+1.527)=13.39m2F墙为二JF墙内*F墙外=V4.15*13.39=7.45m2.2.7炉底平均面积F底内=B*1.=0.967*1.973=1.93m2F底夕卜二B外*1.外=2.483*1.527=3.90m2F幌均=JF炭内F帐外二1.93*3.9=2.74m22.3计算炉体热散失由于炉子侧壁和先后墙炉衬构造相似，故作统一数据解决，为简化计算，将炉门涉及在前墙内。依照公式Q散二ttn+l/£Si/入iFi对于炉墙散热，一方面假定界面上温度及炉壳温度，t2780oC,t3=485,J'墙二60则耐火层Sl平均温度ts均=(950+780)/2=865硅酸铝纤维层SZ平均温度ts2均二(780÷485)/2=632.5硅酸土砖层S3平均温度ts3后(485+60)/2=272.5S2S3层炉衬热导率由附表3查得人尸O.29÷0.256*10%S均=0.29+0.256*103*865=0.511W(m)3=0.131+0.23*103ts3jj=0.131+0.23*10272.5=0.194W/(m)普通硅酸铝纤维热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范畴内近似以为其热导率与温度呈线形关系由ts2均=632.5得2=0.129W/(m)当炉壳温度为60室温为20由附表2经近似计算得1.1.1 求热流q墙二(tg-ta)/(Si/入1+S2/入2+S3/入3+la,)=(950-20)/(0.115/0.511+0.05/0.129+0.115/0.194+1/12.1)=730.4Wm21.1.2 验算交界面上温度t2«t3«t2墙墙*(s11)=950-730.4*(0.115/0.511)=788.6二(t21i-t2)/t2fi=(788.6-780)/780=1.1%<5%满足设计规定不需要重算。t3=t2墙-q墙*(s22)=788.6-730.4*(0.05/0.129)=497.8二(t3j-t3墙)/t3墙二(497.8-485)/485=2.64%<5%满足设计规定不需要重算。1.1.3 验算炉壳温度墙t4ft=t3墙-q堵*(s33)=497.8-730.4*(0.115/0.194)=64.9(70满足普通热解决电阻炉表面升温不大于50规定。2.4 计算炉墙散热损失QJW2.4.1 计算炉墙散热损失Q墙散=q墙*F墙均=730.4*7.455441.48W同理可以求得t2顶=844.3t3顶=562.61.顶=53q顶=485.4Wm2t2底=782.2t3底=568.5t4=53.7q底=572.2Wm2炉顶通过炉衬散热Q顶散二Q顶*F顶均=485.4*2.82=1368.83W炉底通过炉衬散热Q底散二q底*F底均=572.2*2.74=1567.83W则整个炉体散热损失(其中1W=3.6KJh)Q散二Q墙散+Q底放+Q顶散=5441.48+1368.83+1567.82=8378.13=30161.32KJh2.4.2 启动炉门辐射热损失Q«设装出料所需时间为每小时6分钟CU=3.6*5.765FO)8t(Tg100)4-(Ta100)Tg=950+273=1223KTa=20+273=293K由于正常工作时，炉门启动高度为炉膛高度一半，故炉门启动面积F=B*(H/2)=0.967*0.707/2=0.343m2炉门启动率6t=660=0.1由于炉门启动后，辐射口为矩形，且H/2与B之比为0.351/0.978=0.36,炉门启动高度与炉墙厚度之比为0.351/0.28=1.25,由图1-14第一条线查得Qffi=5.675*3.6Ft(Tg100)4-(Ta100)Q二5675*3.6*0.343*0.1*0.7*(22372-73.7)=11406.62KJh243启动炉门溢气热损失Q溢Q溢二q,aPaCa(tg-tu)3t近似以为qv=1997B*H2=1997*0.978*0.351*J0.351=406.14冷空气密度Pa=1.29kg11)2有附表得Ca=1.342KJ/(m2)ta=20t,为溢气温度，近似以为t=3+2/3(tg-ta)=20+2/3(950-20)=640Q溢=QvaPaCa(t-ta)t=406.14*1.29*1.342*(640-20)*0.1=43592.29KJ/h2.4.4 其他热损失Q它普通其他热损失为上述热损失10%20%则Q它=0.13(Q件+Qfi+Q辐+Q溢)=0.13(Q11+30161.32÷11406.62+43592.29)=0.13Q件+11070.83KJ/h2.4.5 工件吸取热量由于炉子安装功率为105K肌又P安=KQ3600其中K为功率储备系数，本炉子设计中取K=1.4则P安=1.4Q总/3600=75KWQ总二105*3600/1.4=270000KJ/h得Qn=I53777.82KJ/hQe-31061.95KJ/h2.5 炉子生产率计算2.5.1 炉子生产率计算低合金钢工件在650和20比热容为C件2=0.770KJ/(kg)C件厂0.486KJ/(kg)由Q件=P(C件2C件ItO)得P=Q件/(C件2t-C件1to)=153777.82/(0.77*650-0.486*20)-313.37Kg/h2.5.2正常工作时效率=Q件/Q总二153777.82/270000=56.95%2.5.3保温阶段关闭炉门时效率n=Q件/Q总-QlB-Q溢=153777.82/215001.09=71.52%2.6炉子空载功率计算P空=Q散+Q它/3600=(30161.32+31061.95)/3600=17KW2.7空炉升温时间计算由于所设计炉子耐火层相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、先后墙及炉顶按相似数据计算，炉底由于砌砖办法不同，进行单独计算。因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。2.7.1炉墙及炉顶蓄热Vjb2*1.973*(13*0.067+0.135)*0.115=0.458m3V粘先后=2*(O.967÷0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05=0.354m3V粘顶=0.97*(1.973+0.276)*0.05=0.251m3V纤侧=2*(1.973+0.115)*(13*0.067+0.135)*0.05=0.187m3V纤先后=2*(0.967+0.115*2)*(17*0.067+0.135)*0.05=0.154m3V纤顶=1.071*(1.973+0.276)*0.08=0.193m3Vj=2*(13*0.067+0.135)*(1.973+0.115)*0.115=0.484m3V硅先后=2*1.43*(17*0.067÷0.135)*0.115>0.419m3V硅顶=2.3*1.43*0.115=0.378m3由式Q爵=V粘P粘C粘(t拈-to)+V纤P纤C纤(t纤-to)+V硅p硅(t硅一to)其中t拈=(t1+t2ifi)/2=(950+788.6)/2=869.3t纤二(t2+t3ffi)/2=(788.6÷497.8)/2=643.2t硅二(t3墙+t,墙)/2=(497.8+64)/2=281.3查附表3得Cw=0.84+0.26*103ttt=l.066KJ/(kg)C纤=0.81+0.28*10"t纤=0.99KJ(kg)Ce=0.84+0.25*l(f31=0.91KJ/(kg0O因此得Q蒂尸（V粘侧+V粘先后+V粘顶）P粘C粘（t粘t。）+（V纤恻+V纤先后+V纤顶）P纤C纤(t纤一to)÷(V硅侧+V成先后+Vj)P硅C硅(t-to)=962391+82365+152300=1044908.3KJ2.7.2炉底蓄热计算V粘底=4*(0.02*0.12+0.133*0.065)+(0.04*2+0.065)*0.113+(0.113*0.12)*2*1.973+(1.43-0.115*2)*(2.3-0.115)*0.065=0.324m3V 纤底=2.538*1.527*0.05=0.164m3V 硅底=2.538*1.527*0.128=0.600m3由于(t+t2底)/2=(950+782.2)/2=866.Ct纤二(t2j+t3½)/2=(788.2+568.5)/2=675t硅二(t3底+t,底)/2=(568.5+53.7)/2=311查表得Ctt=0.84+0.26*IO3t粘=1.O65KJ/(kg)C纤=0.81+0.28*1()Tt纤=o.999KJ/(kg)C硅=0.84+0.25*1031硅0.918KJ/(kg)因此得Q/=V粘底P粘C粘(ttt-to)÷v纤底P纤C纤(t纤to)+V硅底P硅C硅(t硅一to)=399880KJ2.7.3炉底板蓄热依照附表6查得950和20°C时高合金钢比热容分别为0.670和0.473,经计算炉底板重量为242Kg,因此有Q/=G(C板2tc板ItO)=242(636.5-9.46)=151743.6KJ得Q蓄=Q蓄+Q祢底+Q蓄板=1044908.3+399880÷151743.6=1596531.9KJ得升温时间T升二Q蓄/360OP安二4.22h对于普通周期作业炉，其空炉升温时间在3-8小时内均可，故本炉子设计符合规定。2. 8功率分派与接线105KW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，构成Y、或YY、接线。供电电压为车间动力电网380Vo核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期作业炉，内壁表面负荷应在15-35kWm2之间，惯用为20-25kW/ni?之间。F电二2F电侧+F电底=2*1.978*0.707+1.978*0.978=4.71m2W=P安/F电二105/4.71=22.29KWm2表面负荷在惯用范畴20-25kW112之内，故符合设计规定。2.9电热元件材料选取及计算由最高使用温度1000oc,选用线状0Cr25A15合金电热元件。接线方式采用YYo理论计算1 .9.1求950时电热元件电阻率Pt当炉温为950时，电热元件温度取IlOO0C,由附表12查得0Cr25A15在20时电阻率P2o=1.4OQmm2m,电阻温度系数a=4*104c,则IlO(TC下电热元件电阻率为Pl=p20(l÷at)=1.46QmmVm2 .9.2拟定电热元件表面功率由图5-3,依照本炉子电热元件工作系数取W允二3Wcm22.9.3每组电热元件功率由于接线方式采用YY,每组元件功率Pm=105n=105(3*2)=17.5KW2.9.4每组电热元件端电压由于接线方式采用YY,供电电压为车间动力电网380V,故每组电热元件端电压既为每组电压Um=3803=220V由公式得d=34.3P%lPt(U2mW允)J.99mm取d=5mm2.9.6每组电热元件长度和重1.组二0.785*l(f3(lj2组cj2)/(Papl)=37.18mGm=11*d21.组Pm4式中Pm由附表12查得Pm=7.lgcm之得G组二5.18kg2.9.7电热元件总长度和总重量总长度1.总=6*1.组=6*37.18=223.08m总重量G总=6*G组=6*5.18=31.08kg2.9.8校核电热元件表面负荷W实=P组/(11d1.,l)=(17.5*1000)/(3.14*0.5*3718)=2.998Wcm2W实W允，成果满足设计规定。2.9.9电热元件在炉膛内布置将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有1.折=1.组/4=37.18/4=9.295m布置电热元件炉壁长度1.,=1.-50=1973-50=1923mm丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于100O时，由表5-5得螺旋直径D=(4-6)d,取D=6d=6*5=30mm螺旋体圈数N和螺距h分别为N=1.(11D)=9.295*1000/(3.14*30)=99h=1.,N=192399=19.47mmhd=19.47/5=3.89<4按规定h/d在24之间满足设计规定。依照计算，选用YY方式接线d=5mm电热元件重量最小，成本最低。电热元件节距h在安装时恰当调节，炉口某些增大功率电热元件引出棒材料选用!Crl8Ni9Ti,=20mm1.=500mmo2.10炉子技术指标额定功率：105KW最高使用温度：950相数：3额定电压：380V生产率：313.37kg/h接线办法：YY工作室有效尺寸：1700*700*500外形尺寸：2483*1527*1647重量:出厂日期:3.1装配图3附录3.2电阻丝3.3电阻丝接线示意图4参考文献1吉泽升，张雪龙，武云启.热解决炉.第1版.哈尔滨工程大学出版社出版,2热解决手册一热解决设备和辅助材料.机械工业出版社，6月第三版3热解决设备选用手册.机械工业出版社，1989年8月第一版