中温井式电阻炉设计

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目 录

一、设计任务

1、专业课程设计题目·················································1 2、专业课程设计任务及设计技术要求···································1 二、炉型的选择······················································1 三、炉膛尺寸的确定··················································1

1、炉膛有效尺寸（排料法）·······································1 1.1确定炉膛内径D ······································ 1 1.2确定炉膛有效高度H ······································· 2 1.3炉口直径的确定············································· 2

1.4炉口高度的确定 ·········································· 3 四、炉体结构设计 ················································ 3

1、炉壁设计 ·················································· 3 2、炉底的设计···················································5 3、炉盖的设计···················································6 4、炉壳的设计···················································7 五、电阻炉功率的确定················································7

1、炉衬材料蓄热量Q蓄7 ········································ 8 2、加热工件的有效热量Q件 ····································· 9

3、工件夹具吸热量Q夹 ········································· 10 4、通过炉衬的散热损失Q散 ······································ 10 5、开启炉门的辐射热损失Q辐 ···································12 6、炉子开启时溢气的热损失Q溢 ··································12 7、其它散热Q它 ··········································· 13 8、电阻炉热损失总和Q总 ··································· 13 9、计算功率及安装功率··········································13 六、技术经济指标计算···············································13

1、电阻炉热效率················································13

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2、电阻炉的空载功率············································14 3、空炉升温时间················································14 七、功率分配与接线方法·············································14

1、功率分配····················································14 2、供电电压与接线方法··········································14 八、电热元件的设计·················································15

1、I区························································15 2、II区··············································16

3.电热元件引出棒及其套管的设计与选择···························18 4.热电偶及其保护套管的设计与选择·······························18

参考书目·······················································19

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一、设计任务 1、专业课程设计题目： 《中温井式电阻炉设计》 2、专业课程设计任务及设计技术要求： 1、φ90×1000中碳钢调质用炉. 2、每炉装16根 3、画出总装图 4、画出炉衬图 5、画出炉壳图（手工） 6、画出电热元件图 7、写出设计说明书 二、炉型的选择 因为工件材料为φ90×1000中碳钢调质用炉对于中碳钢调质最高温度为[870+(30~50)]℃，所以选择中温炉（上限950℃）即可，同时工件为圆棒长轴类工件，因而选择井式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉，最高使用温度950℃。 三、炉膛尺寸的确定 1、炉膛有效尺寸（排料法） 1.1确定炉膛内径D 工件尺寸为φ90×1000,装炉量为16根，对长轴类工件，工件间隙要大于或等于工件直径；工件与料筐的间隙取100~200mm。炉膛的有效高度150~250mm排料法如图所示 则：根据几何关系，每根工件最小距离取90mm，则可以计算出 D=2×90×d=890mm

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D效=d+2×100—200=1100 又因炉壁内径比料筐大200~300mm 故取：D砌=1500mm 查表得可用砌墙砖为 BSL·427·467 (A=168,B=190.8,R=765,r=675)型轻质粘土扇形砖。 由该砖围成的炉体的弧长为： S=?D=3.14×1500=4710mm 砖的块数为：4710÷168=28.04块，取整后N=28 对D进行修正得：D砌=28×168÷3.14=1500mm， 取D砌=1500mm 1.2确定炉膛有效高度H 由经验公式可以得知，井式炉炉膛有效高度H应为所加热元件（或者料筐）的长度的基础上加0.1~0.3m。 H效=1000+200=1200mm H= H效+250=1450mm 由于电阻炉采用三相供电，放置电热元件的搁砖应为3n层， H砌=3n×(65+2)+67,n=6.88.取整后取n=7 再将n=7代入上式，得H砌=1474mm 选用代号为SND-427-09的扇形搁砖 每层搁砖数目为N=?D砌÷50=94.2，取整为94块。 搁砖总数n=94×21=1976块 1.3炉口直径的确定 D效=110mm，由于炉口用斜行楔形砖8SL.427.498 故有，?D效=74×N 将D效=1100mm代入，得N=46.7，取整后N=47，再将N=47代回上式，则得到D炉口=1107mm。 扇形砖选择8SL。427.077 D效=1100mm D砌=1500mm 砖的块数: N=22 修正后： D砌=1500mm 搁砖21层 H砌=1474mm 每层搁砖数目： N=94 搁砖总数 n=1976块 到D炉口=1107mm。 - 2 -

?D炉口 =166×N 得D=20.8取=21

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1.4炉口高度的确定 按一般的设计原则，炉口可由斜行楔形砖和2层直行砖堆砌而成。 故H炉口=（65+2）×3+32=233mm N=21 H炉口=233mm

四、炉体结构设计 炉体包括炉壁、炉底、炉盖、炉壳几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。 设计时应满足下列要求： （1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合； （2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料； （3）耐火、隔热保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则会降低使用寿命； （4）要保证炉壳表面温升小于60℃，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。 1、炉壁设计 炉壁厚度可采用计算方法确定，下图为井式炉炉壁二层结构， 第Ⅰ层为耐火层，其厚度一般为90mm，采用轻质粘土砖RNG-0.6； 第Ⅱ层为B级硅藻土砖+耐火纤维，其厚度取标准砖115 mm， 第Ⅲ层为保温层，采用B级硅藻土砖架构中间填充矿渣棉，其厚度设计为x mm。 在稳定传热时，对各炉衬热流密度相同。根据课本的公式结合查表，可得： - 3 -

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2、电阻炉的空载功率 电阻炉的空载功率是指空炉在最高工作温度并稳定状态下所消耗的功率，又称为空炉损失。用下式计算： P安?150Kw P空? Q散?Q它3600?P23632?14179.2?10.5kw空?11.6% 3600P总 ?=55.55% P空=13.3Kw 3、空炉升温时间 空炉升温时间是指在额定电压下，经过充分干燥、没有装料炉的电阻炉从冷态加热最高工作温度所需的时间。 空炉升温时间：?升? Q器680163.24??2.09h 3600P安3600?90七、功率分配与接线方法 1、功率分配 为了使炉膛温度均匀或工艺要求分区分布炉温，需要将温度分布在炉内的各个部分。 井式炉功率大于75Kw是要考虑分区，H∕D大于1也要分区。 ?升=2.3h 综上所述，由于本次设计电阻炉安装功率达到90Kw,所以为了更合理的设计 与安装电热元件，现将炉膛分三区计算，上下区功率分别为： 上区42Kw,下区都是48Kw。 2、供电电压与接线方法 电阻炉的供电电压，除少数因电热元件的电阻温度系数太大或要求采用低电 压供电的大截面电阻板外，一般均采用车间电网电压，即220V或380V。 电热元件的接线，应根据炉子的功率大小，功率分配等因素来决定。 因炉子功率为150Kw，即可采用三相380V星形，也可采用三角形接法。

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综上所述，本次设计采用0Cr25Al5电热体材料，三相380V星形接法。 三相380V 星形接法 八、电热元件的设计 分区 Ⅰ区 Ⅱ区 层数 9层 12层 功率 42KW 48KW I区： P?14（KW） 选用0Cr25Al5线状电热元件，电压380V。 1、I区 1.1供电电压和接线 选用三相380V、星形接法 P?P安3n?42?14（KW）3 U=220(V) W允?1.71W/cm3 d=5.5mm L=56m L总=168（m） 380U??220（V）3 1.2确定电热元件的单位表面功率 因炉膛最高温度不超过950℃，结合选材0Cr25Al5查表得 W允?1.71W/cm3 1.3确定元件尺寸 d ?34.3?3?5P?tU2W允2 2 ?t??（?1.4?（1?4?10?1100）?1.5??mm/m 01??t）代入上式得d=5.2mm，取d=5.5mm 220??5.5?Ud?3L?0.785?10?0.785?10??56mP?t14?1.5222-32G总=85.176kg L总=nL=3×56=168（m） G?gM?L=0.169×168=28.392 kg G总=G?n?28.392?3?85.176kg L折?18.67m

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102P100?14W??=1.447wcm3?1.71wcm3符合要求 ?dL3.14?5.5?56 L?4496.6mm 1.4电热元件的绕制和布置 电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每 3排串接成一相。每排电热元件的展开长度： D?22mm h=20mm II区： P2?16KWL折?56?3?18.67m 每排电热元件的搁砖长度： L??(D砌?60)?25?4496.6mm 电热元件螺旋直径：螺旋直径D??4~6?d取： D?4d?4?5.5?22mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为： L18670N?折??270圈 ?D3.14?22L4496.6??16.65mm取h=20mm N270202??3.6?4，满足h??2~4?d的要求。 5.5h?电热元件螺旋节距h在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。 2、II区 2.1供电电压和接线 选用三相380V、星形接法 P? U?220（V） W允?1.71W/cm3 d=6mm P248??16KW 3N3380?220（V）3 U? 2.2确定电热元件的单位表面功率

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3W?1.71W/cm允 同上： L=56.24m L总=168.72（m） 2.3确定元件尺寸 d ?34.3?3P?tU2W允2 ?52?t??（?1.4?（1?4?10?1100）?1.5??mm/m 01??t）代入上式得d=5.74mm，取d=6.0mm L?0.785?10-3UdP?t22?0.785?10?3?220?6?56.24m 16?1.5222G总?101.74kg L总=nL=3×56.24=168.72（m） G?gM?L=0.236×168.72=33.913 kg G总?33.913?3?101.74kg L折?14.06m100?16W???1.51?1.71wcm3 ?dL3.14?6?56.24102P 符合要求 2.4电热元件的绕制和布置 电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每 4排串接成一相。每 排电热元件的展开长度： L=4496.6m D=24mm

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L折?56.24?4?14.06m 每排电热元件的搁砖长度： L??(D砌?60)?25?4496.6mm 电热元件螺旋直径：螺旋直径D??4~6?d取： D?4d?4?6?24mm 螺旋体圈数N和螺距h分别为： L14060N?折??186.4圈 ?D3.14?24 z

L4496.6h???22.95m N187取h=23mm 232??4，满足h??2~4?d的要求。 6h =23mm 电热元件螺旋节距h在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。 3.电热元件引出棒及其套管的设计与选择 3.1引出棒的设计 引出帮必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用 1Cr18Ni9Ti，φ=16mm，丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊 接。 引出棒长度： L引=25+90+115+120=350mm 3.2.保护套管的选择 根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，所以确定 L炉墙 =90+115=205（mm），引出棒的直径d=φ16mm， 因此选用SND·724·020号套管，高铝矾土，重量0.35kg， d套=φ25mm，D套=φ40mm，长度250mm。 4.热电偶及其保护套管的设计与选择 4.1热电偶的选择 由于炉内最高的温度为950℃.长期使用的温度在1000℃以下，所以选用镍铬-镍硅热电偶。所以选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择，外径16mm，插入长度为400mm。保护材料为双层瓷管。 4.2热电偶保护套管的选择 L炉壁L引=350mm d=25mm D套=40mm L=250mm d=25mm D套=40mm L=300mm =205mm。热电偶外径16mm，插入长度为300mm。根据这些条件，应该选用SND·724·021,高矾土，重量0.4kg。d套=φ25mm、D套=φ40mm，长度为300mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。

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参考书目 1、华小珍、崔霞等：《热处理炉课程设计指导书》,南昌航空大学出版,2008.11. 2、华小珍等：《热处理炉》, 南昌航空大学出版,2008.2 3、吉泽升等：《热处理炉》，哈尔滨工程大学出版社，2000年

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/npy6.html