北华航天工业学院《热处理设备课程设计》课程设计报告报告题目：950℃115kg/h的箱式电阻炉设计作者所在系部：材料工程系作者所在专业：金属材料工程作者所在班级：B10821作者姓名：作者学号：20104082204指导教师姓名：陈志勇、范涛完成时间：2013年月日《热处理设备》课程设计任务书内容摘要本次课程设计的设计对象是RX3系列950℃ 115Kg/h箱式电阻炉，以“优质、高效、低耗、清洁、灵活”为设计指导方针。

首先，根据箱式炉的生产率为80Kg确定炉子的炉膛尺寸为1277×698×537。

进而对炉体砌体结构、总体尺寸、各部件结构及尺寸的设计。

根据经验公式及热平衡对炉子的功率进行设计，最终功率定为30KW。

最后通过图表和理论计算将电热元件分布于炉侧壁和炉底。

完成了课程设计报告书的编写、电阻炉的总体装配图、电热元件图、炉门结构图以及砌体结构图的绘制。

关键词：热处理箱式电阻炉结构设计功率计算目录一、前言 (4)1.1本设计的目的 (4)1.2本设计的技术要求 (4)二设计说明 (5)2.1确定炉体结构和尺寸 (5)2.1.1 炉底面积的确定 (5)2.1.2 确定炉膛尺寸 (5)2.1.3 炉衬材料及厚度的确定 (5)2.2砌体平均表面积计算 (6)2.2.1 炉顶平均面积 (6)2.2.2 炉墙平均面积 (6)2.2.3 炉底平均面积 (6)2.3根据热平衡计算炉子功率 (7)2.3.1 加热工件所需的热量Q件 (7)2.3.2 通过炉衬的散热损失Q散 (7)2.3.3 开启炉门的辐射热损失 (9)2.3.4 开启炉门溢气热损失 (9)2.3.5 其它热损失 (10)2.3.6 热量总支出 (10)2.3.7 炉子安装功率 (10)2.4炉子热效率计算 (10)2.4.1 正常工作时的效率 (10)2.4.2 在保温阶段，关闭时的效率 (10)2.5炉子空载功率计算 (10)2.6空炉升温时间计算 (10)2.6.1 炉墙及炉顶蓄热 (11)2.6.2 炉底蓄热计算 (12)2.6.3 炉底板蓄热 (12)2.7功率的分配与接线 (13)2.8电热元件材料选择及计算 (13)2.8.1 图表法 (13)2.8.2 理论计算法 (13)2.9炉子技术指标（标牌） (15)前言本设计的目的设计650℃80kg/h的箱式电阻炉设计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：950℃；（4）.生产率：115kg/h；（5）.生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。

设计说明确定炉体结构和尺寸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=115，箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率P0为115kg/(m2·h)。

故可求的炉底的有效面积F1=P/P0=1 m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F1/F=0.78～0.85，取系数上限，得炉底实际面积F=F1/0.85=0.88 m2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=5.0/F=1.327 mB=L/2=0.663 m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1. 227m B=0. 698m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=0.8左右。

则H=0.530 m可以确定炉膛尺寸如下L=(230+2)×5+(230×0.5+2)=1277mmB=(120+2)×4+(40+2)×5=698mmH=(65+2)×8+37=573mm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=1000mm B效=500 mm H效=400 mm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/m 3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 。

砌体平均表面积计算L 外＝L+2×(115+50+115)=1837mm B 外＝B+2×(115+50+115)=1258mm H 外＝H+f+(115+80+115)+67×4+50+182 =573+94+310+268+50+182 =1477mm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。

炉顶平均面积F 顶内＝6π2R ×L ＝6698.014.32⨯⨯×1.277 =0.933 m 2F 顶外＝B 外×L 外＝1.258×1.837=2.311 m 2F 顶均＝顶外顶内F ·F ＝1.468m 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 ）＝2×0.573×(1.277+0.698)=2.26m 2 F 墙外＝2H 外(L 外＋B 外)＝2×1.477×(1.837+1.258)=9.14m 2 F 墙均＝墙外墙内F ·F ＝4.54m 2炉底平均面积F 底内＝B×L ＝0.698×1.277＝0.891m 2 F 底外＝B 外×L 外＝1.258×1.837=2.311m 2 F 底均＝底外底内F ·F ＝1.435m 2根据经验公式法计算炉子功率F 壁=2×(L×H)+(L×B)+2(B×H)+2×3.14×B×1/6×L=3.96m 2由经验公式可知：P 安=C τ-0.5升F 0.9(t/1000)1.55取式中系数C=30〔(kM·h 0.5)/(m 1.8·℃1.55)〕,空炉生温时间假定为τ升=4h ，炉温t=650℃。

所以 30×4-0.5×3.960.9×（650/1000）1.55= P 安解得，P=26.4kW 暂取P 安=30kW根据热平衡计算炉子功率加热工件所需的热量Q 件查表得，工件在650℃及20℃时比热容分别为c件2＝1.051kJ/(kg·℃)，c 件1＝0.486kJ/(kg·℃)Q 件＝p(c 件2t 1－c 件1t 0)＝80×(1.051×650－0.486×20)＝53874.4kJ/h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，将炉门 包括在前墙内。

根据式 Q散＝∑1=+λni ii i 1n 1F s t -t 对于炉墙散热，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t’2墙＝540℃，t’3墙＝320℃，t’4墙＝60℃则耐火层s 1的平均温度t s1均＝2540650+＝595℃，硅酸铝纤维层s 2的平均温度t s2均＝2320540+＝430℃，硅藻土砖层s 3的平均温度t s3均＝260320+＝190℃，s 1、s 3层炉衬的热导率由附表3得λ1＝0.290+0.256×10-3t s1均＝0.442W/(m·℃) λ3＝0.131+0.23×10-3t s3均＝0.175W/(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＝430℃，得 λ2＝0.099W/(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q 墙＝3121231g a t t s s s a λλλ∑-+++ ＝17.121175.0115.0099.0050.0442.0115.020650+++-＝417.5W/ m 2 (2)验算交界面上的温度t 2墙，t 3墙t 2墙=t 1－q 墙11λs ＝541.5℃ Δ＝'t 't t 22墙墙墙－2＝541.5540541.5-＝0.27%Δ<5%，满足设计要求，不需重算。

t 3墙=t 2墙－q 墙22λs ＝328.58℃ Δ＝'t 't t 33墙墙墙－3＝58.32832058.328-＝2.61% Δ<5%，满足设计要求，不需重算。

(3)验算炉壳温度t 4墙t 4墙=t 3墙－q 墙33λs ＝54.25℃<70℃ 满足一般热处理电阻炉表面升温<50℃的要求。

(4)计算炉墙散热损失Q 墙散＝q 墙·F 墙均＝417.5×4.54＝1895.45W 同理可以求得t 2顶=586.9℃, t 3顶=376.45℃, t 4顶=36.34℃, q 顶＝257.6 W/ m 2 t 2底=504.6℃, t 3底=357.9℃, t 4底=49.5℃, q 底＝309.4 W/ m 2炉顶通过炉衬散热Q 顶散＝q 顶·F 顶均＝378.16 W 炉底通过炉衬散热Q 底散＝q 底·F 底均＝443.9W整个炉体散热损失Q 散＝Q 墙散＋Q 顶散＋Q 底散 ＝2717.51 W 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＝3.6×5.675Fφδt[（100Tg ）4－（100Ta ）4] 因为Tg ＝650＋273＝923K ，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×2H ＝0.698×2573.0＝0.199 m 2炉门开启率δt ＝606＝0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且2H与B 之比为0.41，炉门开启高度与炉墙厚度之比为28.0286.0＝1.02，由图1－14第1条线查得φ＝0.7，故 Q 辐＝3.6×5.675Fφδt[（100Tg ）4－（100Ta ）4]＝3.6×5.675×0.199×0. 7×0.1×[（100923）4－（100293）4]＝2044.5kJ/h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·2H ·2H＝1997×0.698×0.286×286.0=206.4 m 3/h冷空气密度ρa ＝1.29kg/ m 3,由附表10得c a ＝1.302kJ/( m 3·℃),t a=20℃, t’g 为溢气温度，近似认为t’g ＝t a ＋32(t g -t a ) ＝20＋32(650-20)=440℃Q 溢＝qv a ρa c a (t’g －t a ) δt ＝206.4×1.29×1.302×(440－20)×0.1＝14537.5 kJ/h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＝0.12(Q 件+Q 散+Q 辐+Q 溢)=8780.8kJ/h 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 =81954.7kJ/h 炉子安装功率P 安＝3600总KQ 其中K 为功率储备系数，本炉设计中K 取1.2，则P 安＝36007.819542.1⨯＝27.2kW与标准炉子相比较，取炉子功率为30kW 。