箱式电阻炉设计说明书

热处理设备设计

说明书

设计题目 学 院 年 级 专 业 学生姓名 学 号 指导教师

750℃80kg/h的箱式电阻炉设计

金属材料工程

目 录

1 前 言 . ............................................................................................................................................................. 1

1.1 本设计的目的 ...................................................................................................................... 1 1.2 本设计的技术要求 .............................................................................................................. 1

2 设计说明 . ......................................................................................................................................................... 2

2.1 确定炉体结构和尺寸 .......................................................................................................... 2 2.1.1 炉底面积的确定 . .......................................................................................................... 2 2.1.2 确定炉膛尺寸 . .............................................................................................................. 2 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定 . .............................................................................................. 3 2.2 砌体平均表面积计算 .......................................................................................................... 3 2.2.1 炉顶平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.2 炉墙平均面积 . .............................................................................................................. 3 2.2.3 炉底平均面积 . .............................................................................................................. 4 2.3 根据热平衡计算炉子功率 .................................................................................................. 4 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件 ............................................................................................ 4 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散 ............................................................................................ 4 2.3.3 开启炉门的辐射热损失 . .............................................................................................. 6 2.3.4 开启炉门溢气热损失 . .................................................................................................. 6 2.3.5 其它热损失 . .................................................................................................................. 6 2.3.6 热量总支出 . .................................................................................................................. 7 2.3.7 炉子安装功率 . .............................................................................................................. 7 2.4 炉子热效率计算 .................................................................................................................. 7 2.4.1 正常工作时的效率 . ...................................................................................................... 7 2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率 . ...................................................................................... 7 2.5 炉子空载功率计算 .............................................................................................................. 7 2.6 空炉升温时间计算 .............................................................................................................. 7 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热 . .......................................................................................................... 7 2.6.2 炉底蓄热计算 . .............................................................................................................. 8 2.6.3 炉底板蓄热 . .................................................................................................................. 9 2.7 功率的分配与接线 .............................................................................................................. 9 2.8 电热元件材料选择及计算 .................................................................................................. 9 2.8.1 图表法 . .......................................................................................................................... 9 2.8.2 理论计算法 . ................................................................................................................ 10 2.9 炉子技术指标（标牌） .................................................................................................... 11

1 前 言

1.1 本设计的目的

设计750℃80kg/h的箱式电阻炉设计

1.2 本设计的技术要求

设计一台高温电阻炉，其技术条件为：

（1）. 用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火、调质处理及回火。 （2）. 工件：中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量； （3）. 最高工作温度：750； （4）. 生产率：80kg/h；

（5）. 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。

2 设计说明

2.1 确定炉体结构和尺寸 2.1.1 炉底面积的确定

因无定型产品，故不能使用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。炉子的生产率为P=80，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P 0为120kg/(m2·h) 。故可求的炉底的有效面积

F1=P/P0=2/3 m2

由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F0=0.78～0.85，取系数上限，得炉底实际面积

F=F1/0.8=5/6 m2 2.1.2 确定炉膛尺寸

由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装、出料方便取 L/B=2：1 因此，可求的： L=F /0. 5=/3 m B=L/2=

15

m 23

35

m 103

577

180

按统计资料，炉膛高度H 与宽度B 之比H/B通常在0.5～0.9之间，根据炉子的工作条件，取H/B=0.6左右。则H= 因此：

F壁=2×(L×H)+(L×B)+2(B×H)+2×3.14×B ×1/6×L=

由经验公式可知： P安=Cτt=750℃。

所以 30×4-0.5×0.041×800.9×（1200/1000）1.55= P安 解得，P=30.3 KW

则 L=1.291m B=0.646m H=0.387m 根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 L=1.277m B=0.664m H=0.372m

可以确定炉膛尺寸如下

-0.5

升

F 0.9(t/1000)1.55

升

取式中系数C=30〔(kM·h 0.5)/(m1.8·℃1.55) 〕, 空炉生温时间假定问τ=4h，炉温

L=(230+2)×5+(230×0.5+2)=1277mm B=(120+2)×4+(40+2)+(65+2)×2=664mm H=(65+2)×5+37=372mm

确定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，确定工作室有效尺寸为 L效=1100 mm B效=500 mm H效=280 mm 2.1.3 炉衬材料及厚度的确定

由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即113mmQN －1.0轻质粘土砖＋50mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡＋113mmB 级硅藻土砖。

炉顶采用113mmQN －1.0轻质粘土砖＋80mm 密度为250kg/ m3的普通硅酸铝纤维毡＋115mm 膨胀珍珠岩。

炉底采用三层QN －1.0轻质粘土砖（67×3）mm ＋50mm 的普通硅酸铝纤维毡＋182mmB 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。

炉门用65mm QN－1.0轻质粘土砖＋80mm 密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡＋65mmA 级硅藻土砖。

炉底隔砖采用重质粘土砖，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，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm 。

2.2 砌体平均表面积计算

L 外＝L+2×(115+50+115)=1837mm B 外＝B+2×(115+50+115)=1224mm H 外＝H+f+(115+80+115)+67×4+50+182 =372+89+310+268+50+182 =1271mm

式中：f ＝——拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径R ＝B ，则f 可由f ＝

R （1－cos30°）求得。

2.2.1 炉顶平均面积

F 顶内＝

2πR 2⨯3. 14⨯0. 664

×L ＝×1.277=0.887 m2 66

F 顶外＝B 外×L 外＝1.224×1.837=2.285 m2

F 顶均＝F 顶内·F 顶外＝0. 887⨯2. 285＝1.424 m2

2.2.2 炉墙平均面积

炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。 F 墙内＝2LH ＋2BH ＝2H （L ＋B ）＝2×0.372×(1.277+0.664)=1.444m2

F 墙外＝2H 外(L外＋B 外) ＝2×1.271×(1.837+1.224)=7.769m2

2

F 墙均＝F 墙内·F 墙外＝. 444⨯7. 769＝3.349m

2.2.3 炉底平均面积

F 底内＝B ×L ＝0.664×1.277＝0.848m 2 F 底外＝B 外×L 外＝1.224×1.837=2.248m2

2F 底均＝F 底内· F 底外＝0. 848⨯2. 248＝1.381m

2.3 根据热平衡计算炉子功率 2.3.1 加热工件所需的热量Q 件

查表得，工件在750℃及20℃时比热容分别为c 0.486kJ/(kg·℃)

Q 件＝p(c件2t 1－c 件1t 0) ＝80×(0.624×750－0.486×20) ＝36662.4kJ/h 2.3.2 通过炉衬的散热损失Q 散

由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉 包括在前墙内。 根据式 Q散＝

t 1-t n +1

n

s i ∑i =1λi F i

件2

＝0.624kJ/(kg·℃) ，c

件1

＝

对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t ’2墙＝620℃，t ’3墙＝

360℃， t ’4墙＝60℃则

耐火层s 1的平均温度t s1均＝

750+620

＝685℃，硅酸铝纤维层s 2的平均温度t s2均＝2

620+360360+60

＝490℃，硅藻土砖层s 3的平均温度t s3均＝＝210，s 1、s 3层炉衬的热22

导率由附表3得

λ1＝0.29+0.256×10-3t s1均＝0.465W/(m·℃) λ3＝0.131+0.23×10-3t s3均＝0.119W/(m·℃)

普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由t s2均＝490℃，得 λ2＝0.100W/(m·℃)

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2近似计算得αΣ＝12.17 W/(m·℃) (1)求热流

t g -t a

q 墙＝s s 2s 31 1

+++λ1λ2λ3a ∑

＝

750-20

0. 1150. 050. 1151

+++

0. 4650. 1000. 17912. 17

＝496.4W/ m2 (2)验算交界面上的温度t 2墙，t 3墙

t 2墙=t1－q 墙Δ＝

s 1

＝627.3℃ λ1

t 2墙－t 2墙' 627. 3-620

＝＝1.16% t 2墙' 627. 3

Δ

t 3墙=t2墙－q 墙 Δ＝

s 2

＝379℃ λ2

t 3墙－t 3墙' 379-360

＝＝4.7% t 3墙' 379

Δ

t 4墙=t3墙－q 墙

s 3

＝60.7℃

满足一般热处理电阻炉表面升温

Q墙散＝q 墙·F 墙均＝496.4×3.349＝1662.4W 同理可以求得

t 2顶=646.9℃, t3顶=296.9℃, t4顶=55.63℃, q顶＝419.6 W/ m2 t 2底=618.4℃, t3底=446.7℃, t4底=44.3℃, q底＝301.5 W/ m2 炉顶通过炉衬散热

Q顶散＝q 顶·F 顶均＝597.5 W 炉底通过炉衬散热

Q 底散＝q 底·F 底均＝624.1 W

整个炉体散热损失

Q散＝Q 墙散＋Q 顶散＋Q 底散

＝1662.4+597.5+624.1

＝2884 kJ/h

2.3.3 开启炉门的辐射热损失

设装出料所需时间为每小时6分钟 Q 辐＝3.6×5.675F φδt[（

Tg 4Ta 4

）－（）] 100100

因为Tg ＝750＋273＝1023K ，Ta ＝20＋273＝293K ， 由于正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半，故 炉门开启面积F ＝B ×

0. 372H

＝0.664×＝0.124 m2

22

炉门开启率δt ＝

6

＝0.1 60

H

与B 之比为0.186/0.664=0.28，炉门开启高度与2

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且炉墙厚度之比为

0. 186

＝0.664，由图1－14第1条线查得φ＝0.6，故 0. 28

Tg 4Ta 4

）－（）] 100100

120342934

）－（）]

100100

Q辐＝3.6×5.675F φδt[（

＝3.6×5.675×0.124×0.1×0.6×[（ ＝1654kJ/h 2.3.4 开启炉门溢气热损失

溢气热损失由下式得

Q溢＝qv a ρa c a (t’g －t a ) δt 其中，qv a ＝1997B ·

H H

·＝1997×0.664×0.186×. 186=106.4 m3/h 22

冷空气密度ρa ＝1.29kg/ m3, 由附表10得c a ＝1.342kJ/( m3·℃),t a=20℃, t’g 为溢气温度，近似认为t ’g ＝t a ＋

Q

kJ/h

2.3.5 其它热损失

其它热损失约为上述热损失之和的10%～20%，故 Q 它＝0.14(Q件+Q散+Q辐+Q溢)=7023.1 kJ/h

溢

22

(t’g -t a ) ＝20＋(750-20)=506.7℃ 33

＝qv a ρa c a (t’g －t a ) δt ＝106.4×1.29×1.342×(750－20) ×0.1＝8964.9

2.3.6 热量总支出

其中Q 辅＝0，Q 控＝0，由下式得 Q 总＝Q 件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+ Q它 =57188.4 kJ/h 2.3.7 炉子安装功率

P 安＝

KQ 总

3600

其中K 为功率储备系数，本炉设计中K 取2，则 P安＝

2⨯57188. 4

＝31.8kW

3600

与标准炉子相比较，取炉子功率为35kW 。

2.4 炉子热效率计算 2.4.1 正常工作时的效率

η＝

Q 件

=64.1% Q 总

2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率

η＝

2.5 炉子空载功率计算

P空＝2.6 空炉升温时间计算

由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙 和前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。 2.6.1 炉墙及炉顶蓄热

V 粘＝2×[1.277×(12×0.067+0.135)×0.115]=0.276m3

V 粘＝2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.248m3 V 粘＝0.97×(1.277+0.276)×0.115=0.173m3

顶前·后侧

Q 件

＝78.7%

Q 总-(Q 辐+Q 溢)

Q 散+Q 它5188. 6+12749. 7

＝＝2.75 kW

36003600

V 纤＝2×[(1.277+0.115)×(12×0.067+0.135)×0.05]=0.131m3 V 纤＝2×[(0.664+0.115×2) ×(16×0.067+0.135)×0.05]=0.108m3 V 纤＝1.071×(1.277+0.276)×0.08=0.108m3

V 硅＝2×[ (12×0.067+0.135)×(1.277+0.115)×0.115]=0.301m3 V 硅＝2×[1.43×(16×0.067+0.135)×0.115]=0.397m3 V 硅≈2.3×1.43×0.115=0.378 m3

c 粘(t粘－t 0)+V纤ρ纤c 纤(t纤－t 0)+ V硅ρ

750+627. 3

2因为t 粘＝（t1＋t2墙）/2＝＝688.65℃

粘

顶前·后侧顶前·后

侧

Q 蓄＝V 粘ρ

硅

c 硅(t硅－t 0)

查附表3得

c粘＝0.84+0.26×10-3t 粘＝0.84+0.26×10-3×688.65=1.014 kJ/(kg·℃) t纤＝（t 2墙＋t 3墙）/2＝查附表3得

c纤＝0.81+0.28×10-3t 纤＝0.84+0.26×10-3×503.15=0.951 kJ/(kg·℃)

t 硅＝（t3墙＋t 4墙）/2＝查附表3得

c硅＝0.84+0.25×10-3t 硅＝0.84+0.26×10-3×219.85=0.895 kJ/(kg·℃) 所以得

Q 蓄1＝(V粘+ V粘

侧侧侧

前·后

627. 3+379

＝503.15℃ 2

379+60. 7

＝219.85℃ 2

+ V粘) ρ+ V纤) ρ

顶顶

顶

粘

c 粘(t粘－t 0) c 纤(t纤－t 0)

硅

+(V纤+ V纤

前·后

纤

+( V硅+ V硅

前·后

+ V硅) ρ

c 硅(t硅－t 0)

＝604390.29 kJ/h

2.6.2 炉底蓄热计算

V 粘＝[4×(0.02×0.12+0.113×0.065)+(0.04×2+0.065)×0.113+(0.113×0.120) ×

2]×1.277+(1.224-0.115×2) ×(1.837-0.115)×0.065 ＝0.217m 3

V 纤＝1.837×1.224×0.05＝0.112 m3 V 硅＝1.837×1.224×0.182＝0.409 m3

由于t 粘＝（t 1＋t 2底）/2＝(750+618.4)/2＝684.2℃ 查附表3得

c粘＝0.84+0.26×10-3t 粘＝1.02 kJ/(kg·℃) t纤＝（t 2底＋t 3底）/2＝(618.4+446.7)/2＝532.55℃ 查附表3得

底底

底

底底底底

c纤＝0.81+0.28×10-3t 纤＝0.959 kJ/(kg·℃)

t硅＝（t 3底＋t 4底）/2＝(446.7+44.3)/2＝245.5℃

查附表3得

c硅＝0.84+0.25×10-3t 硅＝0.901 kJ/(kg·℃)

所以得

Q 蓄＝0.217×1.0×103×1.02×(684.2-20)+0.112×0.25×103×0.959×(532.55-

20)+0.409×0.5×103×0.901×(245.5-20)

＝212326.4 kJ/h

2.6.3 炉底板蓄热

根据附表6查得750℃和20℃时高合金钢的比热容分别为c 板2＝0.691kJ/(kg·℃)

和c 板1＝0.473kJ/(kg·℃) 。经计算炉底板重量G=240kg，所以有

Q蓄＝G(c板2t 1- c板1t 0)=242×(0.691×750－9.46) ＝122109.6 kJ/h

Q 蓄＝Q 蓄1＋Q 蓄＋Q 蓄＝604390.29＋212326.41＋122109.6＝938826.3 kJ/h

空炉升温时间

τ升底板板底底底底底底＝938826. 3Q 蓄＝＝7.45h 3600P 安3600⨯35

对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在3～8小时内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在4小时以内。

2.7 功率的分配与接线

35kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y 、Δ或YY 、ΔΔ接线。供电电压为车间动力380V 。

核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在

15～35kW/ m2 之间，常用为20～25 kW/ m2 之间。

F电＝2F 电侧＋F 电底＝2×1.277×0.372+1.277×0.664=1.798 m2

W ＝P 安/F电＝45/2.09＝20.31 kW/ m2

表面负荷在常用范围20～25 kW/ m2 之内，故符合设计要求。

2.8 电热元件材料选择及计算

由最高使用温度750℃，选用线状0Cr25Al5合金电热元件，接线方式采用Y 。

2.8.1 图表法

由附表15查得0Cr25Al5电热元件35kW 箱式炉YY 接线，直径d ＝4.8mm 时，其表面负荷为1.56 W/ cm2。每组元件长度L 组＝49.6 m,总长度L 总＝148.8 m,元件总重量G 总

＝19.1kg 。

2.8.2 理论计算法

1、求750℃时电热元件的电阻率ρ

时电阻率

ρ20＝1.40Ω·mm 2/m，电阻温度系数α＝4×10-5℃-1, 则1100℃下的电热元件电阻率

为

ρt ＝ρ20(1+αt)= 1.40×(1+4×10-5×1100)= 1.46Ω·mm 2/m

2、确定电热元件表面功率

由图5－3，根据本炉子电热元件工作条件取W 允＝1.6 W/ cm2。

3、每组电热元件功率

由于采用YY 接法，即三相双星形接法，每组元件功率

P组＝35/n=35/(3×1) ＝11.7kW

4、每组电热元件端电压

由于采用YY 接法，车间动力电网电压为380V ，故每组电热元件端电压即为每项电压

U组＝380/3=220V

5、电热元件直径

线状电热元件直接由下式得

d＝

4.7mm t 当炉温为750℃时，电热元件温度取1100℃，由附表12查得0Cr25Al5在20℃

6、每组电热元件长度和重量

每组电热元件长度由下式得

L组＝0.785×10-3P ρ组

组22 t =0.785×10-3×＝51.25mm 11. 7⨯1. 462⨯2

每组电热元件重量由下式得

G 组＝π2d L组ρ4M

式中，ρM 由附表12查得ρM ＝7.1g/ cm2

所以得

G组＝π2d L组ρM ＝6.58kg 4

7、电热元件的总长度和总重量

电热元件总长度

L总＝3L 组＝3×51.25＝153.75mm

电热元件总重量

G总＝3G 组＝19.74kg

8、校核电热元件表面负荷

W 实＝11. 7⨯1000P 组＝＝1.51 W/ cm2 πdL 组3. 14⨯0. 48⨯51. 25

W实

9、电热元件在炉膛内的布置

将3组电热元件每组分为6折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有

L折＝L 组/6=51.25/6＝8.54mm

布置电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000℃。由表5－5可知，螺旋节径D=(4～6)d ，

取D=6d＝6×4.8＝28.8mm

螺旋体圈数N 和螺距h 分别为

N＝L 折/πD ＝8.54/(3.14×28.8) ×103＝95圈

h＝L ’/N＝1225/95＝12.9mm

h/d=12.9/4.8=2.69

按规定，h/d在2～4范围内满足设计要求。

根据计算，选用Y 方式接线，采用d ＝4.8mm 所用电热元件重量最小，成本最低。

电热元件节距h 在安装时适当调整，炉口增大功率。

电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti ，φ＝12mm ，l ＝500mm 。

2.9 炉子技术指标（标牌）

额定功率：35kW 额定电压：380V

使用温度：750℃ 生产率：80 kg/h

相数：3 接线方法：Y

工作室有效尺寸：1100×500×280 外型尺寸：

重量： 出厂日期：

参 考 文 献

1、热处理炉 吉泽升、张雪龙、武云启编著 哈尔滨工程大学出版社

2、工程制图 大连理工大学出版社组编

3、热处理炉设计手册 机械工业出版社组