1、電阻爐設計計算舉例一 設計任務為某廠設計一臺熱處理電阻爐，其技術條件如下：（1） 用途：中碳鋼、低合金鋼毛坯或零件的淬火、正火及調質處理，處理對象為中小型零件，無定型產品，處理批量為多品種，小批量；（2） 生產率：160kg/h；（3） 工作溫度：最高使用溫度950；（4） 生產特點：周期式成批裝料，長時間連續生產。二 爐型的選擇根據設計任務給出的生產特點，擬選用箱式熱處理電阻爐，不通保護氣氛。三 確定爐體結構和尺寸1. 爐底面積的確定因無定型產品，故不能用實際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標法。一直生率P為160kg/h，按表1選擇箱式爐用于正火和淬火時的單位面積生產率P0為120kg

2、/(m2.h。表1故可求得爐底有效面積由于有效面積與爐底總面積存在關系式,取系數上限，得爐底實際面積2. 爐底長度和寬度的確定由于熱處理箱式電阻爐設計時應考慮裝出料方便，取L/B=2，因此，可求得B=L/2=1.772/2=0.886m根據標準磚尺寸，為便于砌磚，取L=1.741m，B=0.869m，如圖5-8所示。3. 爐膛高度的確定按統計資料，爐膛高度H與寬度B之比H/B通常在0.50.9之間，根據爐子工作條件，取H/B=0.7左右，根據標準磚尺寸，選定爐膛高度H=0.640m。因此，確定爐膛尺寸如下長 L=（230+2）×7+（230×1/2+2）=1741mm寬 B

3、=（120+2）×4+（65+2）+（40+2）×2+）（113+2）×2=869mm高 H=（65+2）×9+37=640mm為避免工件與爐內壁或電熱元件擱磚相碰撞，應使工件與爐膛內壁之間有一定的空間，確定工作室有效尺寸為L效=1500mmB效=700mmH效=500mm.4. 爐襯材料及厚度的確定由于側墻、前墻及后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結構，即113mmQN-1.0輕質粘土磚+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+113mmB級硅藻土磚。爐頂采用113mmQN-1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+1

4、15mm膨脹珍珠巖。爐底采用三層QN-1.0輕質粘土磚（67×3）mm+50mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+182mmB級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。爐門用65mmQN-1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+65mmA及硅藻土磚。爐底隔磚采用重質粘土磚，電熱元件擱磚選用重質高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-N耐熱鋼，根據爐底實際尺寸給出，分三塊或四塊，厚20mm。四 砌體平均表面積計算砌體外廓尺寸如圖5-8所示。L外=L+2×（115+50+115）=2300mmB外=B+2×（115+50+115）=1430mmH外

5、=H+f+（115+80+115）+67×4+50+182=640+116+310+268+50+182=1566mm式中：f拱頂高度，此爐子采用60°標準拱頂，取拱弧半徑R=B，則f可由f=R（1-cos30°）求得。1. 爐頂平均面積2. 爐墻平均面積爐墻面積包括側墻及前后墻，為簡化計算將爐門包括在前墻內。F墻內=2LH+2BH=2H(L+B=2×0.640×（1.741+0.869）=3.341m2 F墻外=2H外 (L外+B外=2×1.566×（2.300+1.430）=11.68m23.爐底平均面積F底內=B

6、15;L=0.869×1.741=1.51m2F底外=B外×L外=1.430×2.300=3.36m2五、計算爐子功率1. 根據經驗公式法計算爐子功率由式取式中系數，空爐升溫時間假定為升=4h，爐溫t=950，爐膛內壁面積F壁=2×（1.741×0.640）+2×（0.869×0.64）+1.741×0.869+2×3.14×0.869××1.741=6.44m2所以 由經驗公式法計算得P安75（KW）2.根據熱平衡計算爐子功率（1）加熱工件所需的熱量Q件由附表6得，工件在9

7、50及20時比熱容分別為C件2=0.636kj/（kg.），c件1=0.486 kj/（kg.），根據式（5-1）（2）通過爐襯的散熱損失Q散由于爐子側壁和前后墻爐襯結構相似，故作統一數據處理，為簡化計算，將爐門包括在前墻內。根據式（1-15）對于爐墻散熱，如果5-9所示，首先假定界面上的溫度及爐殼溫度，t2墻=780，t3墻=485，t4墻=60則耐火層s1的平均溫度，硅酸鋁纖維層s2的平均溫度，硅藻土磚層s3的平均溫度，s1、s3層爐襯的熱導率由附表3得普通硅酸鋁纖維的熱導率由附表4查得，在與給定溫度相差較小范圍內近視認為其熱導率與溫度成線性關系，由ts2均=632.5，得當爐殼溫度為60

8、，室溫為20時，由附表2經近似計算得求熱流驗算交界面上的溫度t2墻、t3墻5%，滿足設計要求，不需要算。5%，也滿足設計要求，不需要算。驗算爐殼溫度t4墻滿足一般熱處理電阻爐表面溫升50的要求。計算爐墻散熱損失Q墻散 = q墻·F墻均 = 730.4×6.25=4562.5W同理可以求得t2頂 = 844.3，t3頂 = 562.6，t4頂=53，q頂 = 485.4W/m2t2底 =782.2，t3底 = 568.5, t4底=53.7，q底 = 752.2W/m2爐頂通過爐襯散熱Q頂散 = q頂·F頂均 = 485.4 × 2.29 = 1111.6

9、W爐底通過爐襯散熱Q底散 = q底·F底均 = 572.2 × 2.23 = 1276W整個爐體散熱損失Q散 = Q墻散 + Q頂散 + Q底散= 4562.5 + 1111.6 + 1276= 6950.1W= 25020.4kJ/h開啟爐門的輻射熱損失設裝出料所需時間為每小時6分鐘，根據式（5-6）因為Tg = 950 + 273 = 1223K，Ta = 20 +273 = 293K，由于正常工作時爐門開啟高度為爐膛高度的一半，故爐門開啟面積F = B×H 2=0.869×0.640 2= 0.278m2 爐門開啟率t = 6 60 = 0.1由于

10、爐門開啟后，輻射口為矩形，且H 2與B之比為0.32/0.869 = 0.37，爐門開啟高度與爐墻厚度之比為0.32 0.28 = 1.14，由圖1-14第1條線差得 = 0.7，故Q輻= 5.675×3.6Ft= 5.675×3.6×0.278×0.1×0.7×= 8877.75kJ/h開啟爐門溢氣熱損失溢氣熱損失由式（5-7）得Q溢 = qvaaca(t其中，qva由式子（5-8）得qva = 1997B·H 2· = 1997×0.869×0.32× = 314.1m3/h冷空氣

11、密度a = 1.29kg/m3 ，由附表10得ca = 1.342kJ/(m3·，=20，為溢氣溫度，近似認為= + ( = 20 + (950-20 = 640Q溢 = qvaaca(t其他熱損失其他熱損失約為上述熱損失之和的10%20%，故Q它 = 0.13(Q件+Q散+Q輻+Q溢= 0.13×(95117+25020.4+8877.75+33713= 23346.1kJ/h熱量總支出其中Q輔 = 0，Q控 = 0，由式(5-10得Q總 = Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q溢+Q它= 95117+25020.4+8877.75+33713+23346.1=202931.

12、2kJ/h爐子安裝功率由式（5-11） 其中K為功率儲備系數，本爐設計中K取1.4，則P安 = = 78.9kW與標準爐子相比較，取爐子功率為75kW。六爐子熱功率計算1.正常工作時的功率由式(5-12 = = = 47.2%2.在保溫階段，關閉爐門時的效率 七爐子空載功率計算八空爐升溫時間計算由于所設計爐子的耐火層結構相似，而保溫層儲熱較少，為簡化計算，將爐子側墻、前后墻及爐頂按相同數據計算，爐底由于砌磚方法不同，進行單獨計算，因升溫時爐底板也隨爐溫升溫，也要計算在內。1. 爐墻及爐頂蓄熱由式(5-9因為查附表3得查附表3得查附表3得所以得2.爐底蓄熱計算由于查附表3得查附表3得所以得3.爐

13、底板蓄熱根據附表6差得950和20時高合金鋼的比熱容分別為c板2=0.670kj/（kg.）和c板1=0.473kj/（kg.）。經計算爐底板質量G=242kg，所以有由式（5-13）得空爐升溫時間對于一般周期作業爐，其空爐升溫時間在38小時內均可，故本爐子設計符合要求。因計算蓄熱時是按穩定態計算的，誤差大，時間偏長，實際空爐升溫時間在4小時內。九、功率的分配與接線75KW國內鋁均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成Y、或YY、接線。供電電壓為車間動力電網380V。核算爐膛布置電熱元件內壁表面負荷，對于周期式作業爐，內壁表面負荷應在1535KW/m2之間，常用為2025 KW/m2之間。F電=2F電側

14、+F電底=2×1.741×0.64+1.741×0.869=3.74m2表面負荷在常用的范圍2025KW/m2之內，故符合設計要求。十、電熱元件材料選擇及計算由最高使用溫度950，選用線性0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用YY。1.圖表法由附表15查得0Cr25Al5電熱元件75KW箱式爐YY接線，直徑d=5mm時，其表面負荷為1.58W/cm2。每組元件長度L組=50.5m，總長度L總=303.0m，元件總質量G總=42.3kg。2.理論計算法（1）求950時，電熱元件溫度取1100，由附表12差得0Cr25Al5在20時電阻率20=1.40.mm2/

15、m，電阻溫度系數=4×10-5-1，則1110下的電熱元件電阻率為（2）確定電熱元件表面功率由圖5-3，根據本爐子電熱元件工作條件取W允=1.6W/cm2。3）每組電熱元件功率由于采用YY接法，即三項雙星形接法，每組元件功率（4）每組電熱元件端電壓由于采用YY接法，車間動力電網端電壓為380V，故每組電熱元件端電壓即為每項電壓（5） 電熱元件直徑線狀電熱元件直徑由式（5-24）得取d=5mm（6）每組電熱元件長度和重量每組電熱元件長度由式（5-25）得每組電熱元件質量由式（5-26）得式中，由附表12查得=7.1g/cm3所以得（7）電熱元件的總長度和總質量電熱元件總長度由式（5-2

16、7）得L總=6L組=6×52.07=312.44m電熱元件總質量由式（5-28）得G總=6G組=6×7.26=43.56kg（8）校核電熱元件表面負荷W實W允 ，結果滿足設計要求。（9）電熱元件在爐膛內的布置。將6組電熱元件每組分為4折，布置在兩側爐墻及爐底上，則有有效期布置電熱元件的爐壁長度L=L-50=1741-50=1691mm絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當元件溫度高于1000，由表5-5可知，螺旋節徑D=（46）d，取D=6d=6×5=30mm螺旋體圈數N和螺距h分別為h= L/N=1691/138=12.3mmh/d=12.3/5=2.46按規定，h/d在2

17、4范圍內滿足設計要求。根據計算，選用YY方式連線，采用d=5mm所用電熱元件重量最小，成本最低。電熱元件節距h在安裝時適當調整，爐口部分增大功率。電熱元件引出棒材料選用1Cr18Ni9Ti，=12mm，l=500mm。電熱元件圖（略）。二、供電電壓和接線方法電阻爐的供電電壓，除少數因電熱元件的電阻溫度系數大或要求采用低壓供電的大截面電阻板外，一般均采用車間電網電壓，即220V或380V。電熱元件的接線，應根據爐子功率大小等因素考慮決定。當爐子功率小于25KW時，采用220V或380V單相接法。爐子功率為2575KW，采用三相380V星形接法買個別也可用三相380V三角接法。當爐子功率大于75K

18、W時，可將電熱元件分為兩組或兩組以上的380V星形接法或三角形接法。每組功率以3075KW為宜，即每相功率在1025KW之間。這樣，可使每一電熱元件的功率不致過大，便于布置安裝，而且電熱元件的尺寸也較合適。電阻爐的功率，由于工藝要求不同，各階段相差甚大，如臺車爐、井式爐、井式氣體滲碳爐工件在升溫加熱階段需要功率很大，而在保溫或滲碳階段所需功率甚小，舊系列熱處理電阻爐可控硅采用PID連續調節或計算機控制溫度，在升溫段提供較大功率，在保溫段提供較小功率，這樣不僅提高了控溫精度，也大大提高了電熱元件的使用壽命。§5-4 常用電熱元件材料及其選擇電熱元件是熱處理電阻爐的關鍵部件，電阻爐性能得

19、好壞和使用壽命的長短與所選用得電熱元件材料密切相關。一、 電熱元件材料和性能要求1. 具有良好得耐熱性及高溫強度電熱元件的工作溫度一般比爐溫高100200，所用材料必須具有良好得耐熱性和一定的高溫強度，以保證電熱元件在高溫下不熔化，不氧化，不揮發和不發生明顯的蠕變變形和坍塌。2. 具有較大的電阻率在電熱元件端電壓一定的條件下，電熱元件發出得功率與其電阻成反比，而電熱元件的電阻與其材料的電阻率(·mm2/m成正比，即R=L f ( （5-15） 式中：f電熱元件截面積(mm2；L長度(m.當R、f不變時，越大，則L越短，節省材料，便于安裝；當R、L不變時，越大，則f越大，提高強度，延長

20、壽命。3. 具有較小的電阻溫度系數電熱元件材料的電阻溫度系數(1/越大，則電熱元件在不同溫度下發出功率的變化也越大，電阻爐功率就不穩。如果使用電阻溫度系數大的材料做電熱元件，則應配備調壓器，保證爐子功率的穩定。4. 具有較小的熱膨脹系數電熱元件受熱伸長，可用下式計算Lt=Lo(1+t (m （5-16）式中：Lo 、Lt電熱元件在0和t得長度(m；t電熱元件得工作溫度(；電熱元件得熱膨脹系數(1/。對熱膨脹系數較大得元件，應留有充分的膨脹余地。適應癥 5. 具有良好的加工性電熱元件材料應便于加工成各種形狀并具備良好的焊接性。二、常用電熱元件材料及特點電熱元件材料可分為金屬材料和非金屬材料兩大類

21、。1. 金屬電熱元件材料金屬電熱元件材料包括合金和純金屬兩種，而合金材料中又分為鐵鉻鋁系和鎳鉻系。（1） 鐵鉻鋁系：這類材料電阻率（）大，電阻溫度系數（）小，功率穩定，耐熱性好，抗滲碳，耐硫蝕，價格便宜，應用廣泛。其缺點是塑性強，高溫加熱后晶粒粗大，脆性大。常用牌號有0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、1Cr23Al6Mo2、0Cr13Al4、0Cr25Al6RE等。（2） 鎳鉻系：這類材料高溫加熱不脆化，具有良好的塑性和焊接性，便于加工和維修，抗滲氮。其缺點是電阻率（）小，電阻溫度系數（）大，不抗硫蝕，價格昂貴。常用牌號有Cr20Ni80、Cr15Ni60Cr20Ni80Ti3和Cr2

22、3Ni18等。（3） 純金屬。鉬、鎢和鉭熔點很高，塑性很好，可作為線狀，帶狀和筒狀的電熱元件，其中鉬應用最廣。這類材料高溫易氧化，常需在氫氣、氨氣解氣氛或真空中使用。其缺點是電阻溫度系數（）很大，常應附加調壓器調節功率；價格昂貴，熱處理爐中使用較少。常用金屬電熱元件材料及性能見附表12。2. 非金屬電熱元件材料主要有硅碳系、碳系和硅鉬系三種，對用于高溫熱處理爐或真空爐。（1） 硅碳系：這類電熱元件材料電阻率（）大，通常制成帶狀、棒狀，可在氧化性介質1350下長期工作。其缺點是易老化、脆性大、強度低、安裝使用中需避免碰撞，并需配調壓器。成分主要是SiC。（2） 碳系：石墨、碳粒和各種碳質制品都屬

23、于碳系電熱元件。常用于14002500中性氣氛或真空中，最高可達3600。其熱膨脹系數（）小，電阻率（）大，易加工，耐極冷極熱性好，價格低廉。（3） 硅鉬系：這類電熱元件材料耐高溫，不易老化，最高使用溫度可達17001800，其電阻溫度系數（）大，便于在低溫輸入較大功率而縮短爐子升溫時間，在1350以上會軟化，不便水平安裝。其主要成分為MoSi2。常用非金屬電熱元件材料性能見附表13。電熱元件的表面負荷W指元件單位表面積所發出的功率，單位為W/cm2。元件表面負荷越高，發出的熱量就越多，元件溫度就越高，所用元件材料也越少，但是，如果表面負荷過高，元件壽命會縮短。因此，表面負荷應有一個允許的數，

24、成為允許表面負荷W允，其大小取決于元件材料和工作溫度。實際選用允許表面負荷時，應考慮到電熱元件的工作環境，環境好可取大些，環境差可取小些。如有腐蝕氣體和保護氣體時可取低些；電熱元件裝在輻射管中或爐底之下應取低些；若敞開在爐膛中可取高些；強制對流時可取更高值；工件黑度小時應取低值；帶狀應比絲狀電熱元件的值高；電熱元件不易更換時應取低值，已更換時取高值。圖5-3為合金電熱元件的允許表面負荷曲線。圖中上線為敞漏型電熱元件的最低允許表面負荷；一般取上下限之間。電熱元件溫度一般比爐溫度高100200。表5-3為電阻絲在不同溫度下常用的允許表面負荷，表5-4為硅碳棒在不同溫度下的允許表面負荷，可供設計時選

25、用。表5-3 電阻絲的允許表面負荷W允 （W/cm2）1300Email-爐膛溫度/材料600700800900100011001200電話0Cr25Al5-3.0-3.72.6-3.22.1-2.61.6-2.0傳真0.8-1.00.5-0.7Cr20Ni803.02.52.01.51.10.5-Cr15Ni602.52.01.50.8-表5-4 硅碳棒的允許表面負荷W允 （W/cm2質量考核情況質量部門意見質量負責人： 年 月 日 設爐子共有n個電熱元件，爐子的安裝功率P安，則每個電熱元件的功率為在爐子工作溫度為t時，每個電熱元件的電阻R t應為： （） Rt 又可表示為： （ 藥品質量檔

26、案表式中： t元件在工作溫度下得電阻率（·mm2/m）；L每個元件得長度（m）；建檔日期： f元件的截面積(mm2由（2）和（3）式可得： （4） （5）式中：F電熱元件表面積(cm2; S電熱元件橫截面積的周長(mm.1000110012001250130013503526211814領導審核5§5-5電熱元件的計算電熱元件的計算，主要包括元件的截面積尺寸、長度和質量以及一些結構尺寸的計算，以滿足功率、使用壽命和安裝要求。一、 領導審核意見： 年 月 日 （1）藥品通用名稱商品名稱電熱元件的功率與單位面積負荷的關系為： 劑型將（5）代入（4）得： （6）由于絲狀電熱元件和帶狀電熱元件的截面和周長計算方法不同要分別討論。1 直徑為d得絲狀電熱元件因 (mm , (mm, 故： （7）將（7）代入（6）經整理得到： （mm） （8）則每個電熱元件的長度可按（3）式求得 （9） 每個元件的質量為 （10）式子：M元件材料密度（g/cm3）。所需電熱元件總長度和總質量為 （11） （12）2）帶狀電熱元件設帶狀電熱元件寬b，厚為a，則b/a = m，一般地，m=812。電熱元件的橫截面f = ab = ma2 （13）電熱元件截面周長S = k