箱式电阻炉的设计

长春理工大学

热工 课程设计说明书

题目 箱式电阻炉的设计

学院 材料科学与工程学院 专业无机非金属材料（建筑材料） 班级 0706121 姓名 向仕君 学号 18

2009 年 7 月 5 日

课程设计 设计任务书

一、 题目：箱式电阻炉的设计 二、 原始数据：

电路形势：箱式电阻炉 炉膛尺寸：260?170?120mm 使用温度：1000℃ 表面温度：60℃ 电源电压：220V 三、 设计要求：

1、 设计认真，积极思考，独立完成，有所创新。 2、 设计说明书：一份

思路清晰，论述充分；设计参数选择合理，设计计算步骤完整，结果准确；著名参考文献。 3、 设计图纸：2＃图纸1—3张

图画布置合理，比例适当，图画清洁；绘图线条类型正确，位置准确；尺寸标注正确、齐全。

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课程设计 摘要

本说明书重点阐述箱式电阻炉的具体设计过程。设计过程包括高温炉的简介，炉膛尺寸的确定，材料选择，电阻炉尺寸和结构设计，功率计算，供电电路的选择，电热提的尺寸确定及安装，以及热电偶使用，涉及到热量计算，功率计算，电热元件规格计算。

本设计说明书可供实验电阻和工业电阻炉的维修和设计提供理论参考导和指导。

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课程设计 引言

陶瓷工业在社会主义建设，国防科学和人民生活都占重要的地位，它不仅与人类的日常生活存在密切的关系，而且随着科学技术的发展，已经超越了日用，建筑及一般的工业用途的范围，而应用与电子，原子能等尖端材料中。

生产陶瓷中一个重要的过程就是烧结，烧成时在热工设备中进行的，这里的热工设备指的是窑炉及其附属设备。

窑炉从生产方式上分为间歇式和连续式，按电能转化为热能形式分为：电阻炉，感应炉，电弧炉，等离子炉等，在使用热源上又分为火焰式和电热式。目前，电子陶瓷，高温陶瓷及其他特种陶瓷的生产和科研处于火热期。

在实验中，使用较多的是间歇式的电阻炉。 本设计结合我们所学的《硅酸盐工业热工基础》中的传热学，材料学等方面的只是进行了电阻炉的设计，通过设计使我们学会了查阅资料，熟悉知识，锻炼了设

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计和绘图等能力，提高了我们的设计思维水平。

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分类：

（1）、箱式（室式）电阻炉：

外形像箱子，炉膛呈长六面体，靠近炉膛内壁放置电热体。炉温在1200℃一下，通常采用镍铭丝，铁铭丝；炉温为1350~1400℃时，采用硅碳棒；炉温在1600℃可采用二硅化鉏棒为电热体。箱式电阻炉主要用于单个小批量的大、中、小型制品的烧成。 （2）、井式电阻炉：

炉膛高度大于长度和宽度（或直径），炉门开在顶面，用炉盖密封，电热体通常布置在炉膛的侧壁上，多为圆形，正方形或长方形。适应于烧制管状制品，深井电炉通常沿高度分为几个加热区，各区温度分别控制功率来调节，使电炉沿整个高度温度分布均匀。高温陶瓷氢气钼丝炉最高工作温度为1700至1800摄氏度，钨棒炉可达2500摄氏度。 2.半连续操作电炉：

这类电炉又分为钟罩式电阻炉和台车式电阻炉，钟罩式电阻炉及台车式电阻炉具有不在狭长的炉室内码装

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制品的优点，便于操作，改善劳动条件。 3.连续操作电热窑炉：

电热隧道窑是陶瓷工业中较其他窑型先进的热工设备，已广泛使用，效果很好。它的构造与煤气窑相似，具有连续操作大批量生产的优点。应用较多的连续操作电热窑炉有：窑车式电热隧道窑；锟底式电热隧道窑；推板式电热隧道窑传送带式电阻炉；链式电阻炉。

§1.3 选用箱式电阻炉的原因

箱式电阻炉的使用范围广，不同温度下可采用不同的电热元件，且制品的烧成范围也比较广，适用于的烧成范围也比较广，适用于大，中，小型的各类制品的生产加工，箱式电阻炉的炉膛是方形的，根据具体要求的尺寸不同可以定做不同的规格。形状为放倒的箱型，中间的空心部分为炉膛，本电阻炉的设计使用温度为1000摄氏度，可用于单个小批量的中小型制品的烧成。且选用箱式电阻炉经济实惠，制造工艺较简单，能有较长的使用寿命，性价比较高。

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第二章 炉膛尺寸的确定

§2.1 炉膛容积的初步认识

一．电阻炉的影响因素：

1. 功率的影响：尺寸大，功率大。 2. 操作空间的影响。

3. 发热体的影响，发热体多，尺寸大。

在具体确定电阻炉的尺寸时，除了依据制品的外型尺寸考虑杂炉内有效的放载制品外，还应该集合考虑电热体在炉内的安装方式。 二． 炉膛容积的初步认识 1. 窑的体积不易过大

容积大，产量大，单位窑体热散失少，但容积过大，火焰不易到达窑的中心，是窑内温度气氛分布不均匀，降低产品质量，若窑均匀窑温和窑内气氛，不得不适当延长烧窑时间，这样有使燃耗量增加，拉长了窑的使用时间，降低了其使用寿命。

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2. 窑的体积不易过小

容积过小，产量小，火焰易充满全窑，窑内温度和气氛分布易均匀，但容积过小，其开设窑门的地方散失所占比例大，如果不注意窑门的封闭，可能引起室内温度和气氛不均，因此容积大小应视具体情况而定。

§2.2炉膛尺寸的确定

一. 炉膛尺寸的确定原则

在具体确定电阻炉的尺寸时，要考虑制品的尺寸，炉的产量以及电热元件的安装形式，电热元件若安装在两侧炉宽就不能太大，否则在炉的宽度方向上温度分布不均匀，电热元件在炉膛上下，炉的高度也不能太大，理由也一样。对于棒状加热体，由于元件发热部分的长度一定，为使炉温均匀及元件的合理，炉膛高度和宽度应等于元件的发热部分的长度。

功率大于5kw的大中型电阻炉，其工件与炉壁距离约为50至100毫米，功率小于5kw的小型电阻炉工件与

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炉壁距离约为10到25毫米。 二. 炉膛的尺寸的确定

考虑各方面的因素，本着炉膛尺寸确定的原则，此次设计箱式电阻炉炉膛尺寸确定为260*175*120mm.

第三章 材料的选择

砌窑要用耐火材料，耐火材料必须具有一定的强度和耐火性能，以便保证窑炉烧到要求的温度而不倒塌，砌窑也要用隔热材料，隔热材料的作用是减少窑炉墙壁的积热和散热，节约燃料，随着新型高温窑炉的出现，现在有不少新型的耐火材料和隔热材料，而且在试制高强高温隔热材料，将来利用一种材料就可以砌筑理想的窑炉。

§3.1 耐火材料的选择

一 耐火材料的主要性能

耐火材料的好坏，应从它的耐火度，荷重软化点，热稳定性和抗化学腐蚀性，高温体积稳定等几方面来决

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定。

耐火材料的性能好坏的决定因素主要是学成分，其次是生产时的工艺过程。在生产耐火砖时，作为骨架的瘠性物料颗粒配比。成型压力和烧成好坏三个因素占重要地位。要求有高的熔点的化学成分，瘠性材料颗粒配比要求大中小颗粒配合成最紧密的堆积，成型压力高，烧成时希望烧熟而不过烧。 二 几种常见的耐火材料 1.粘土质耐火砖

含三氧化二铝30～46％，二氧化硅50～56％，碱金属与碱土金属氧化物5～7％.它是采用含三氧化二铝不小于30％的耐火粘土作原料。一部分预先烧成熟料，研碎作瘠性材料，其余一部分不预先烧的软质粘土作粘结剂，便于成型，成型后在1300～1400℃％烧成。粘土砖属于弱酸性耐火材料，热稳定性较好，荷重软化开始温度在1250～1300℃以上，软化开始和终了温度间隔很大。粘土砖在工业上使用甚广，广泛应用砌筑隔瓷工业窑炉，使用温度1300℃以下

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2.半硅砖：

含三氧化二铝小于30%，二氧化硅大于65%，是采用天然的含石英杂质的粘土或高岭土，如沙质石英岩，酸性粘土，泡沙石等作为原谅。也可用石英或沙粒作瘠性材料掺在耐火粘土中来制造半硅砖。半硅砖属半酸性耐火材料，其荷重软化开始温度比粘土砖稍高，急冷急热性比硅砖好，但比粘土砖稍差。 a) 高铝砖：

含三氧化二铝46%以上，以天然高岭石和含水铝氧石为主要矿物组成的高铝矾土为原料，在1450～1500℃左右烧成。高铝砖的耐火度及荷重软化点比粘土砖的高，开始软化温度在1420～1500℃以上，抗化学腐蚀性好，但其热稳定性较低，使用温度根据含三氧化二铝的多少在1400～1600℃. b) 硅砖：

含二氧化硅93%以上，一石英岩为原料，加入铁磷，石灰乳作矿化剂，以亚硫酸纸浆废液等作粘结剂，在1350～1430℃烧成。属酸性耐火材料，荷重软化开始温

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度高，一般在1620℃以上。热稳定性差，不适宜砌筑间歇性的窑炉。 c) 镁砖：

含氧化镁80～85%，是碱性耐火材料，镁砖分烧结镁砖和不烧结镁砖，烧结镁砖是用煅烧良好，组织均匀的烧结镁石作原料，用亚硫酸纸浆废液作粘合剂，加压成型，在1600～1700℃烧成。镁砖耐火度甚高，一般超过2000℃，荷重软化点低，1500℃就开始软化，热稳定性不好。不烧镁砖是烧结镁砂加卤水捣打而成。 d)

镁硅砖：

是以方镁石为主要矿物组成，以镁橄榄石作为基质结合的一种镁质耐火材料，用高镁硅石或在橄榄石原料中加入烧结镁砂制成，制造工艺和理化性能与镁砖相同，其烧成温度1620～1650℃，荷重软化开始温度约为1550℃以上。 e) 镁砖铝：

含氧化镁80%以上，三氧化二铝5～10%用含钙少的镁砂加入约8%的工业三氧化二铝粉，以亚硫酸纸浆废液等

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作粘结剂，高压成型后，在1580℃烧成，其耐火度高达2130℃，荷重软化点和稳定性都比镁化砖好，各种镁砖使用温度在1700～1900℃. f) 刚玉砖：

以电容刚玉砖或工业氧化铝为原料，加入1%以下的氧化钛，在1600～1800℃左右烧结而成，含三氧化二铝99%以上，体积密度高达3.8克每立方厘米，使用温度在1800℃以下。 g) 碳化硅耐火制品

用粘土做粘合剂的碳化硅制品，其组成变化很大，根据使用要求，粘土结合剂用量在5～20%，可以外加高铝矾土，工业氧化铝，或熔融石英，与碳化硅一起配料烧结而成，制品中含碳氧化硅35～87%，二氧化硅10～50%，三氧化二铝3～30%，其荷重软化温度自1400～1620℃.

用电炉在2300℃熔融制得的再结晶碳化硅制品，含碳化硅达99%，体积密度为2.55克每立方厘米在1730℃没有变形。

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碳化硅耐火料具有高的导热系数，随着碳化硅含量的增加至100kj/m.h.℃有高的荷重软化温度，1400～1700℃.高的温度急变抵抗性，加热至使用温度，吹风急冷，反复可在50～150次，并有高的抗渣性和耐磨性是很好的匣钵，棚板材料和隔焰板材料，不过在900～1100℃.容易氧化，应在表面涂抹一层抗氧化材料。 h) 含锆耐火材料：

锆英石砖二氧化锆35～65%，二氧化硅32～55%，三氧化二铝0～8%，荷重软化温度在1400～1650℃，锆氧硅含二氧化93.5%以上，耐火度在1850℃以上，体积密度为4.40克每立方毫米。 三 耐火材料的选择

本次窑炉设计的温度控制在1000℃，以上所有材料均适用，但由于是间歇密，综合考虑各种因素比如材料的来源是否方便，是否经济实惠，最后选用粘土砖作为耐火材料。

粘土砖的准许使用温度为1300℃左右，是满足要求的，其物理参数为：λ=0.835+0.0058t[w/（m·℃）] ρ

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综合考虑，选铂铹—铂热电偶（WRLB）作为测温电偶，并与测温仪器配备使用。

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课程设计 设计心得

本设计说明书严格按照工科电阻炉的设计要求，设计经过科学严密的计算、充分考虑各使用环节可能存在的问题。并参考大量相关书籍。在电阻炉功率确定和发热体材料的确定方面进行了一系列的计算，尽量做到更科学、更合理。由于本设计仅限于理论设计未应用于实际中，故实际应用中肯定存在诸多问题。

在此次窑炉的设计过程中，得到了指导老师的悉心指导和同学的热情帮助，在此表示感谢。

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课程设计 参考文献

? 刘振群、羊淑子、黄炳钧编：《陶瓷工业窑炉》，中国建筑工业出版社，1978年

? 陈景雨编：《陶瓷工业热工过程设备》，中国轻工业出版社，1992年

? 华南工学院 清华大学编：《硅酸盐工业热工过程及设备》中国建筑工业出版社，1982年

? 江尧忠编：《陶瓷工业电炉》中国建筑工业出版社，1981年

? 李楠编：《保温保冷材料及其应用》上海科学技术出版社，1985年

? 国营北京建中机器厂编：《电阻炉设计》新时代出版社，1982年

? 武汉建筑材料工业学院编：《硅酸盐工业热工过程》中国建筑工业出版社，1980年

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λ2=0.063+0.00014t

=0.063+0.00014×[(900+60)/2] =0.1302 [W/m2·℃] 有平壁计算公式：

q=(t1-t2)λ1/δ1=( t2-t3) λ2/δ

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有：100λ1/δ1=840λ2/δ2=2000 计算得：δ1=0.069m δ2=0.055m

为了计算和设计方便，取δ1=70mm δ2=60mm 四．炉壳结构及材料

炉壳是一个密封的构件，炉壳结构应便于对每个焊缝进行检漏。常用普通钢作炉壳材料，可选10、15、20号钢。炉壳尺寸一般为0.5～1.2mm. 五．炉体尺寸的确定

炉膛尺寸：260×175×120mm

耐火材料厚度为70m m，隔热材料的厚度为60mm，炉壳为3mm。

炉膛左右方向上填充材料的厚度为：2×（70mm耐火+60mm隔热+3mm炉壳）=266mm

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即炉体的整体宽度为：175+266=441mm

炉膛前后方填充的材料厚度为： 2×（70mm耐火+60mm隔热+3mm炉壳）=266mm 即炉体长度为：260+266=256mm

炉膛高度方向上填充的材料的厚度：2×（70mm耐火+60mm隔热+3mm炉壳）=266mm

即炉体高度为 120+266=386mm

为了便与设计长度取整，所以炉体尺寸定为：525×440×385 mm

可根据材料尺寸在前后左右方向上适度加厚。

§4.2 炉门结构和尺寸

一 炉门

炉门的功能是开关，便与样品存放及取出，要求保温及密封，且厚度及材料要求和炉壁一样。 二 尺寸

炉门尺寸为：200×200mm 三 设计

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炉门为开合型，即一边用铰链与炉身相连，另一边用锁扣与炉身相扣，在炉门四周与炉身，相扣位置安装石棉垫，达到密封效果，同时防止炉内温度过高，热量从炉门缝隙导出，烧红炉门，而不敢开户炉门，或者将炉门烧坏，同时存在安全隐患。

第五章 功率的计算

§5.1 电阻炉理论功率的确定

一 基本参数

箱式电阻炉，炉膛尺寸为260×175×120mm 使用温度为：1000℃ 二 面积负荷法确定功率

炉膛内表面每平方米上布置的功率大，炉温就高，布置功率越小，炉温就低。 一般推荐如下：

炉温，℃ 布置功率，KW/m2 1200 1000

15～20 10～15

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700 400

6～10 4～7

功率计算公式：N=KF(F表示炉的内表面积) 计算如下：

内表面积：F=(0.26×0.12+0.175×0.12+0.26×0.175) ×2=0.1954m2

因使用温度为100℃，取K=15 kw /m2,则有 N=15×0.1954=2.931 kw 三 容积负荷法确定电炉功率：

根据箱式电阻炉，井式电阻炉长期实践总结可知电阻炉的功率与电炉的炉膛容积有一定关系，其关系如下： N=KV2/3 kw

式中：V=炉膛的有效容积，m3 K=随炉温不同的系数

对于箱式电阻炉：当炉温为1200℃时，K=150； 当炉温为1000℃时，K=100 当炉温为700℃时，K=75； 当炉温为400℃时，K=50；

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计算：V=0.26×0.175×0.12=0.00546 m3 取K=100，则有 N= KV2/3=3.1 kw 四 理论功率的综合评定

考虑到由面积法确定功率时，由于采用的是整体内表面积代替电热丝绕成面积而可能导致准确度不够，故采用容积法确定的功率，即 理论功率定为N=3.1kw

§5.2 实际功率的确定

由于计算功率并不是所实际炉子的实际功率，实际考虑到进一步提高产量的可能，或者计算中选用数据与实际不一样，或者供电压的波动对功率的影响，电热体长期使用后的老化现象使电阻增大，以及缩短升温冷却时间等因素，在设计炉子时，一方面应考虑炉子的安全系数，另一方面应考虑炉子的功率储备，故实际功率应为：

N实=KN计（K取1.2~1.5）

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由于我们对材料本身的了解少，并且设计过于理论化，为增大安全系数，取K=1.5，故N实=1.5N计=1.5×3.1=4.65KW

即实际功率N实=4.65KW

§5.3功率是校核

在前面设计炉壁时，我们是按热损失量2000W/ m2 设计的，故总热损失量Q损为：

计算：炉膛内表面积F=0.1954 m2 （前面已计算） 故总热损失Q=qF=2000×0.1954=0.39KW

而N实=4.65KW>>0.39KW,故实际功率取4.65 KW是满足要求的。

第六章 供电电路及功率调节

§6.1供电电路

电阻炉通常用工业频率50Hz的交流电，由车间电网供电，电压为220V，或者380V，炉子电压不宜过高，因为高温下耐火材料的导电性急剧增加，并使电流漏损的

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可能性增长。

下图是整个电阻炉的或者是其中一组电热体的一般供电电路，在电力动力部分里，电流通过总开关DK，熔断器RD和接触器C而进入炉子。

在炉子控制电炉中表示了工作的两种控制方法：用温度调节器的人工远距离控制和自动控制。万能开关HK的接点1及2成闭路时，电流通过了接触器C的线圈，接触器的动合触电C闭合，炉子接通加热，节点1和2成开路时，炉子就被切断降温，这就是炉子的人工控制。在自动控制的情况下，万能开关HK的接点1及2成开路，

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而接点1和4成闭路，这时炉子的接通切断靠温度调节器PT的继电器来进行。当炉内温度低于预定值时，继电器成为闭路而炉子接通加热。当温度高于预定值时，情况相反，炉子被切断，这样来自动保持颅内温度的恒定不变。

§6.2功率的调节

功率的调节包括两个方面：其一，炉子的总耗电功率的调节，其二，在炉子使用过程中不断调整电阻元件的耗电功率，以控制炉温按工艺要求均匀地变化。 一、 利用变压器来调节

由于升温过程中电热体的电阻值变化很大，或在长期使用后，电阻会改变，所以在炉子和电力网之间还要配备一台变压器，以降低或调节电阻的输入电压。调节输给电热体的电压，即相当于调节电热体的发热量Q，从而调节温度。

通常在升温过程中，需要逐步升高电压。当温度接近最高烧成温度时，往往要适当调低供电电压，减小升

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温速度，以防止炉温超过规定的温度。 二、通过改变电热元件的链接方法来调节。

当炉子使用日久，电热体逐渐老化，而电阻也随之增加，发热功率不足，导致炉温难于上升。在有几个电热体的炉子里，就可以用改变电热体连接线路的方法来调节功率。通常是利用转换开关来实现的。

第七章电热元件的选择和确定

电阻炉的电热体，可分为金属电热体和非金属材料电热体，在设计电炉时，首先根据生产工艺等条件要求选择合适的电热体材料，即做到技术上的合理，又节约投资。

§7.1电热元件材料的选择

一、电热元件的要求：

对于电热元件，其最高使用温度应比炉的最高操作温度高，其次还要满足以下要求： 1、电热体的发热温度要满足工艺要求；

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2、具有较高的比电阻和较小的电阻温度系数； 3、在高温下，化学性质稳定，不易氧化，不与炉内的衬砖和气体发生反应； 4、具有优良的机械性能；

5、热膨胀系数不能太大，如果热膨胀系数过大，尤其是间歇操作的炉子容易损坏； 6、电热体成本低，尽量价格便宜； 二、几种常见电热材料的介绍： 1、钼

钼属于高熔点稀有金属，熔点2630℃，硬而坚韧，高温下具有持久，强度，导电性好，钼的抗腐蚀性强。仅有稀硝酸、沸腾的盐酸和热王水才能溶解钼，但钼容易氧化，适合应用于真空及还原气氛中。 2、钨

钨属难容稀有金属，熔点3410℃，在2000~2500℃的高温下，其蒸汽压仍然很低，蒸发速度小，钨的导电性较好。

钨在常温下比较稳定，不受空气侵蚀，在较高温时，钨

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