热处理炉课程设计

热处理电阻炉设计

一、 设计任务

设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目，并绘出草图。 基本技术条件：

（1）用途：碳钢，低合金钢等的淬火，调质以及退火，正火； （2）工件：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m； （3）最高工作温度为950℃； （4）炉外壁温度小于60℃； （5）生产率：60kg/h。 设计计算的主要项目： （1） 确定炉膛尺寸；

（2） 选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸；

（3） 计算炉子功率，进行热平衡计算，并与经验计算法比较；

（4） 计算炉子主要经济技术指标（热效率，空载功率，空炉升温时间）； （5） 选择和计算电热元件，确定其布置方法； （6） 写出技术规范。 二、 炉型选择

根据设计任务给出的生产特点，选用中温（650―1000℃）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。 三、 确定炉膛尺寸

1. 理论确定炉膛尺寸 （1） 确定炉底总面积

炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产率P?60kgh，按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率p0?120kg(m2?h)。因此，炉子的炉底有效面积（可以摆放工件的面积）F1可按下式计算：

P60F1???0.5m2

p0120通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.75～0.85之间选择。本设计取值0.85，则炉底总面积F为：

F10.52F???0.588m

0.850.85（2） 确定炉膛的长度和宽度

L炉底长度和宽度之比在3/2～2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的

BL方便，本设计取?2，则炉子炉底长度和宽度分别为:

BF0.588??1.084m0.50.5

L1.084B???0.542m22L?

1

（3） 确定炉膛高度

H在0.5～0.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大B值。本设计取中值0.7，则炉膛高度为：

H?0.7B?0.7?0.542?0.379m

2. 实际确定炉膛尺寸

为方便砌筑炉子，需根据标准砖尺寸（230×113×65mm），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度，2mm）、上、下砖体应互相错开以及在炉底方便布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：

L?(230?2)?4?(230?0.5?2)?1045mm?1.045m

B?(120?2)?2?(40?2)?(113?2)?2?516mm?0.516mH?(65?2)?5?37?372mm?0.372m

注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。

3. 确定炉膛有效尺寸

为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉膛内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：

炉膛高度和宽度之比

L效?900mm B效?300mm

H效?200mm

四、 炉衬材料的选择及其厚度的确定

炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60℃。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数??。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。

1. 炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算

炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。

设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质黏土砖（QN—0.8），保温层是80mm厚、密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡和113mmB级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足炉墙外壁温度小于60℃，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。

在炉墙内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：

950?20q?

S1S2S31????1?2?3??1) S1,S2,S3的确定

硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的厚度（m）。S1,S2,S3分别是轻质黏土砖、

2

若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1,S2,S3的厚度为：

S1?113?2?115mm；S2?80mm；S3?115?115?230mm 2) ?1,?2,?3，??的确定

?1,?2,?3分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖的平均热导率（W/m·℃）;??是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/ m2·℃）。

要求出?1,?2,?3和??，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质黏

??850℃，硅酸铝耐火纤维毡和B级土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度t2??570℃，炉墙外壳温度t4??55℃<60℃。如图所示。 硅藻土砖之间的界面温度t3 求轻质黏土砖的平均导热率

查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN—0.8）的平均导热率为：

?1?0.294?0.212?10?3tp（tp为平均温度）

?t1?t2950?850?1?0.294?0.212?10?3()?0.294?0.212?10?3()

22 =0.485 W/m·℃

求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率

t??t?850?570?710℃。硅酸铝耐火纤维毡的平均温度tp?23?根据教材附表

224查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.14 W/m·℃和0.209 W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：

0.209?0.14?2?0.14???2?0.142 W/m·℃

1000?700710?700 求B级硅藻土砖的平均导热率

查教材附表3，可得B级硅藻土砖的平均导热率为：

?3?0.131?0.23?10?3tp

t??t?570?55?3?0.131?0.23?10?3?(34)?0.131?0.23?10?3?()

22 =0.203 W/m·℃

求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数

当炉墙外壳温度为55℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：

???11.81 W/m2·℃

3) 求热流密度

将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：

950?20q??460.8Wm2

0.1150.080.2301???0.4850.1420.20311.814) 验算各界面温度和炉墙外壳温度是否满足设计要求 轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度t2为：

S0.115t2?t1?q1?950?460.8??840.7℃

?10.485?840.7?850t2?t2相对误差为??1.1%?5%，满足设计要求，不必重算。

?t2850

3

硅酸铝耐火纤维毡和B级硅藻土砖之间的界面温度为：

S0.080t3?t2?q2?840.7?460.8??581.1℃

?20.142?581.1?570t3?t3??1.9%?5%，满足设计要求，不必重算。 ?t3570 炉墙外壳温度为：

S0.230t4?t3?q3?581.1?460.8??59℃＜60℃

?30.203因炉墙外壳温度小于60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。

2. 炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算

设炉顶的炉衬结构为，耐火层是113mm厚的轻质黏土砖（QN—1.0），保温层是厚度80mm、密度250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。

在炉顶内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：

950?20q?

S1S2S31????1?2?3??1) S1,S2,S3的确定

、普通硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠S1,S2,S3分别是轻质黏土砖（QN—1.0）

岩的厚度。若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1,S2,S3的厚度为：

S1?115mm；S2?80mm；S3?115mm

2) ?1,?2,?3,??的确定

?1,?2,?3分别是轻质黏土砖、硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率（W/m·℃）;??是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/ m2·℃）。要求出?1,?2,?3和??，首先必须假定界面温度和炉壳温度。设轻质黏土砖和硅酸铝耐

??850℃，硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界火纤维毡之间的界面温度t2??550℃，炉顶外壳温度t4??60℃。 面温度t3 求轻质黏土砖的平均导热率

查教材附表3，可得轻质黏土砖（QN—1.0）的平均导热率为：

?1?0.290?0.256?10?3tpt?t?950?850?1?0.290?0.256?10?3(12)?0.290?0.256?10?3()

22 =0.52 W/m·℃

求硅酸铝耐火纤维毡的平均导热率

t??t?850?570?710℃。硅酸铝耐火纤维毡的平均温度tp?23?根据教材附表

224查得，密度为250kg/m3的普通硅酸铝耐火纤维毡700℃的热导率分别为0.14 W/m·℃则有：?2=0.14 W/m·℃ 求膨胀珍珠岩的平均导热率

查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均导热率为： 相对误差为

4

?3?0.04?0.22?10?3tp

?3?0.04?0.22?10?3?(??t4?t3550?60)?0.04?0.22?10?3?() 22 =0.107 W/m·℃

求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数

当炉墙外壳温度为60℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：

???12.17 W/m2·℃

3) 热流密度的计算

将以上数据代入求热流密度的表达式中，可求得热流密度为：

950?20q??477.3Wm2

0.1150.080.1151???0.520.140.10712.174) 验算界面温度和炉顶外壳温度

轻质黏土砖和硅酸铝耐火纤维毡之间的界面温度t2为：

S0.115t2?t1?q1?950?477.3??844.4℃

?10.52相对误差为

?844.4?850t2?t2??0.66%?5%，满足设计要求，不必重算。 ?t2850 硅酸铝耐火纤维毡和膨胀珍珠岩之间的界面温度为：

S0.080t3?t2?q2?844.4?477.3??571.7℃

?20.14?571.7?550t3?t3??0.3.9%?5%，满足设计要求，不必重算。 ?t3550 炉顶外壳温度为：

S0.115t4?t3?q3?571.7?477.3??58.7℃＜60℃

?30.107因炉顶外壳温度小于60℃，故炉顶炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。

3. 炉底炉衬材料的选择及其厚度的计算 炉底的炉衬结构为，耐火层是（65+2）×4=268mm厚的轻质黏土砖（QN—1.0），（113+2）+（65+2）×2=249mm厚的B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。

在炉底内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉底向周围空气散热的热流密度为：

950?20q?

S1S21???1?2??相对误差为1) S1,S2的确定

、B级硅藻土砖和膨胀珍珠岩的厚度。S1,S2分别是轻质黏土砖（QN—1.0）

若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1,S2的厚度为：

S1?268mm；S2?249mm

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