辽宁x x 大学热工过程与设备课程设计题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率150kg/h，功率39kw，工作温度≤600℃）院（系）：X X专业班级：X X学号：X X学生姓名：X X指导教师：X X起止时间：X X课程设计（论文）任务及评语目录一、炉型的选择 (2)二、确定炉体结构和尺寸 (2)三、砌体平均表面积设计 (4)四、计算炉子功率 (5)五、炉子热效率计算 (7)六、炉子空载功率计算 (7)七、空炉升温时间计算 (7)八、功率分配与接线 (9)九、电热元件材料选择与计算 (9)十、电热体元件图 (11)十一、电阻炉装配图 (11)十二、炉子技术指标 (11)参考文献 (12)设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火，处理对象为中小型零件，无定型产品，处理批量为多品种，小批量；(2)生产率：150kg/ h；(3)工作温度：最高使用温度≤600℃；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。

一、炉型的选择根据工件的特点与设计任务的要求及产量大小选择合适的炉型。

由于小批量生产，品种多和工艺稳定的要求拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。

二、确定炉体结构和尺寸1．炉底面积的确定炉底面积的计算方法有两种。

一种是根据一次装料量计算，另一种是根据炉底强度指标计算[1]。

因工件的加热周期和装炉量不明确，故不能用炉子一次装料量确定炉底面积，只能用炉底强度指标法。

已知生产率为150kg/h，按表5—1[1]选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为120kg/(m2·h)，故可求得炉底有效面积F=p/p0=150/120=1.25m2由于有效面积与炉底总面积存在关系式F/F1=0.75～0.85，取系数上限0.85，得到炉底实际面积：F=F/0.85= 1.25/0.85=1.47m22．炉底长度和宽度的确定对于热处理箱式电阻炉，设计时考虑装出料的方便，根据长度与宽度之比，取L/B=2:1，因此，可求得炉底宽度F=2.059mL=5.0/B=L／2=2.059／2=1.030m 为方便砌砖L=2205mm B=1048mm 3．炉膛高度的确定根据统计的资料，炉膛高度（H）对炉底宽度（B）之比H／B通常在0．52～0．9之间，大多数在0.8左右，根据炉子工作条件，取H／B=0.7左右，选定炉膛高度H=707mm。

因此，确定炉膛尺寸如下长L=(230+2)×9+(230/2+2)=2205mm宽B=(120+2)×5+(50+2)×4+(113+2)×2=1048mm高H=(65+2)×10+37=707mm为防止工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，在一般情况下，要保证炉料上部有200～300mm的空间，有利于辐射与对流传热，由此确定工作室有效尺寸为L效=2000mmB效=950mmH效=500mm砌体结构如图1所示：轻质粘土砖硅藻土砖重质粘土砖耐热钢图1砌体结构示意图4．炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即两层：113mmQN—1.0轻质粘土砖和180mmB级硅藻土砖。

炉底采用耐火层314mm，材料为113mmQN—1.0轻质粘土砖,绝热层硅藻土砖和蛭石粉厚180mm。

炉门用65mmQN—1.0轻质粘土砖+65mmA级硅藻土砖。

炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。

炉底隔砖采用重质粘土砖[2]。

三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图1所示。

L外=L+2×(113+180)=2791mmB外=B+2×(113+180)=1634mmH外=H+f+(115+180)+（65+2）×3+180=1523mm式中：f—拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径尺R=B，则f可由f=R(1-cos30°)=140mm求得。

1.炉顶平均面积F顶内=（2πR/6）×L=2.42m2F顶外=B外×L 外=4.56m2F顶均= =3.320m22.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=5.109m2F墙外=2H外（L外+B外）=13.479m2F墙均= =8.298m23.炉底平均面积F底内=B×L=2.311m2F底外=B外×L外=4.560m2F底均= 2四、计算炉子功率1据热平衡计算炉子功率 (1) 加热工件所需的热量Q 件由附表6[1]得，工件在600℃及20℃时比热容分别为C 件2=0.741KJ/(kg ·℃)， C 件1=0.486KJ ／(kg ·℃)，根据Q 件=p(C 件2t 1-C 件l t 0)=150×(0.574×600-0.486×20)=50202.0KJ/h (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，将炉门包括在前墙内[3]。

根据式(1—15)[2]111n ni i ii t t s F λ+=-∑ 对于炉墙散热，如图5—9[4]所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，炉内温度t 1=600℃ 界面温度为t 2=500℃ 炉壳温度t 3=60℃耐火层S 1的平均温度t 1均=（600+500）/2=550℃ 保温层S 2的平均温度t 2均=（500+60）/2=280℃ 炉衬的热导率由附表3[1]得λ1=0.29+0.000256×t 1均=0.29+0.000256×550=3.113W/(m ·℃) λ2=0.13+0.00023×t s3均=0.13+0.00023×280=0.1644W/(m ·℃)。

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2[1]经近似计算可得αΣ=12.17W/(m 2·℃) a)求热流q 墙 =（600-20）/（S 1/λ1+ S 2/λ2 +1/αΣ）=（600-20）/（0.115/3.113+0.12/0.1644+1/12.17） =682.4w/m 2 b)计算交界面上的温度t 2墙、t 2墙=11s t q λ1-墙=600-682.4×（0.115/3.113）=574.8℃验算界面温度（t 2墙—t 2）/t 2墙=4.5%<5%该假设结果满足设计要求，不需要重算.c)验算炉壳温度t 3墙t 3墙=222s t q λ-墙=574.8-682.4（S 2/λ2）=58℃该结果满足一般热处理电阻炉表面温度<60℃的要求。

d).计算炉墙散热损失Q 墙散= q 墙·F 墙均=682.4×8.298=5662.6W 同理可以求得Q 顶散= q 墙·F 顶均=682.4×3.32=2265.6W Q 底散= q 墙·F 底均=682.4×3.246=2215.1W 整个炉体散热损失Q 散= Q 墙散+Q 顶散+ Q 底散=10143.3W=2819.8kj/h(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，根据式(5—6)[2]Q 辐=3.6×5.675F Φδt[4100Tg ⎛⎫⎪⎝⎭-4100Ta ⎛⎫ ⎪⎝⎭] 因为T g =600+273=873K ，T a =20+273=293K ， 由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积F=B ×2H=1.048×0.6402=0.370 m 2炉门开启率δt=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且2H与B 之比为0.35/1.048=0.34，炉门高度与炉墙厚度之比为0.35/0.29=1.21，由图1-14[4]第一条线图1-14[4]查得Φ=0.7故Q 辐=3.6×5.675F Φδt[4100Tg ⎛⎫⎪⎝⎭-4100Ta ⎛⎫ ⎪⎝⎭]=3034.0kJ/h （4）开启炉门溢气热损失溢气热损失 Q 溢=q va ρa C a （t g ’-t a ）δt 其中q va =1997·B ·2H 3/h 空气密度ρa =1.29 kg/m 3由附表10[3]得C a =1.358KJ/（m 3·℃） t a =20℃ ，t g ’为溢气温度， t g ’=20+23（600-20）=406.7℃ Q 溢=q va ρa C a （t g ’-t a ）δt=29800.1 KJ/h（5）其它热量损失其他热量损失越为上述热损失之和的10％～20％故Q 它=0.12（Q 件+Q 散+Q 辐+Q 溢）=10302.7KJ/h（6）热量总输出其中Q 辅=0，Q 控=0，Q 总=Q 件+Q 辅+Q 控+Q 散+Q 损+Q 溢+Q 它=96158.6KJ/h（7）炉子的安装功率P 安=3600KQ 总其中K 为功率储备系数，本炉设计中K 取1.4，则P 安=（1.4×112656）/3600=37.4kw为减少加热时间，与标准炉子相比较，取炉子功率为39kW 。

五、炉子热效率计算1．正常工作时的效率[4] 由式(5—12)[1]η=Q Q 件总=50202.0/96158.6=52.2％ 2．在保温阶段，关闭炉门时的效率η=Q 件/[Q 总-（Q 辐+Q 溢）]=79.3％六、炉子空载功率计算P 空=3600Q Q 散它+=3.65kW 七、空炉升温时间计算由于所设计的箱式电阻炉的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、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[5]，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。

1.炉墙及炉顶蓄热V侧粘=2×(2.205+2×0.115)×0.115×（0.707+0.115）=0.451m3V前·后粘=2×1.048×0.115×(0.707+0.115)=0.198m3V顶粘=2.205×1.048×0.115=0.266m3V侧硅=2×[2.205+2×(0.115+0.232)]×0.232×（0.707+0.115+0.232）=1.444m3V前·后硅=2×（1.048+0.115×2）×0.232×（0.707+0.115+0.232）=0.625m3V顶硅=（2.205+2×0.115）×0.232×（1.048+2×0.115）=0.722m3由式(5—9)因为t粘=(t1+t2墙)／2=(600+574.8)/2=587.4℃Q蓄=V粘ρ粘C粘(t粘-t o)+V硅ρ硅C硅(t硅-t0)查附表3[3]得C粘=0.84+0.26×10-3t粘=0.990kJ/(kg·℃)t硅=(t2墙+t3墙)/2=（574.8+58）/2=316.4℃查附表3[3]得C硅=0.84十0.25×10-3t硅=0.919kJ／(kg·℃)所以得Q蓄1=（V侧粘+ V前·后粘+ V顶粘）ρ粘C粘（t粘-t0）+（V侧硅+ V前·后硅+ V顶硅）ρ硅C硅（t硅-t0）=（0.451+0.198+0.266）×1000×0.990×(587.4-20)+（1.144+0.625+0.722）×500×0.919×(316.4-20)=853243.0kJ2.炉底蓄热计算V底硅=0.018×[2.205+2×（0.113+0.232）]×[1.048+2×(0.113+0.232）]=0.09m3V底粘=0.067×2[2.205+2×(0.113+0.232）]×[1.048+2×(0.232+0.113）]=0.67m3查附表3[3]得C底粘=0.84+0.25×10-3t底粘=0.990kJ／(kg·℃)t底硅=397℃查附表3[3]得C底硅=0.84+0.25×10-3 t底=0.919kJ/(kg·℃)所以得Q底蓄=0.67×0.990×1000×567.4+0.09×0.919×500×296.4=388614.0kJ3. 炉底板蓄热根据附表6[1]查得600℃和20℃时高合金钢的比热容分别为：C板2=0.779kJ/(kg·℃)和C板1=0.473kJ/(kg·℃)。