熱處理電阻爐設計

一、設計任務

設計一箱式電阻爐，計算和確定主要項目，并繪出草圖。

（1）基本技術條件：

（2）用途：碳鋼、低合金等的淬火、調質以及退火、正火;

（3）工作：中小型零件，小批星多品種，最長0.8m；

（4）最高工作溫度為950℃：

（5）爐外壁溫度小于60℃.

生產率：105Kg/h。

（1）設計計算的主要項目：

（2）確定爐膛尺寸；

（3）選擇爐襯材料及厚度，確定爐體外形尺寸；

（4）用熱平衡法計算爐子功率；

（5）選擇和計算電熱元件，確定其布置方法；

（6）寫出技術規范。

二、爐型選擇

根據設計任務給出的生產的特點，選用中溫（650~1000C）箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保

護氣氛，為空氣介質。

三、確定爐膛尺寸

1.理論確定爐膛尺寸

（1）確定爐底總面積

爐底總面積的確定方法有兩種：實際排料法和加熱能力指標法。本設計用加熱能力指標

法來確定爐底面積。已知爐子生產效率P=105Kg/ho按教材表5-1選擇適用于淬火、正火

的一般箱式爐，其單位爐底面積生產率P0=100~120Kg/（m2-h）o因此，爐子的爐底有效

面積（即可以擺放工件的實際面積）F1可按下式計算：

耳=￡3,

=t

6105

通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.75~0.85之間選擇。爐子小取值小值；爐子

大取值大值。本設計取中值0.8,則爐底總面積F為：

F=-^-=—=\.25m2

0.80.8

（2）確定爐膛的長度和寬度

爐底長度和寬度之比在3/2~2之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的方便，本設計

取，則爐子爐底長度和寬度分別為：

—=1.58bn

0.5

B=L=L58j=O791w

22

(3)確定爐膛高度

爐膛高度和寬度之比在0.5~0.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大值。本設計取

中值0.7,則爐膛高度為：

H=0.7B=0.7x0.791=0.5546

2.確定實際爐膛尺寸

為方便砌筑爐子，需要根據標準磚尺寸(230X113X65mm),并考慮砌縫寬度(砌磚

時兩塊磚之間的寬度2mm),上下磚體應互相錯開以及在爐底方面布置電熱元件等要求,

進一步確定爐膛尺寸。依據理論計算的爐膛長度、寬度和高度，進一步確定爐膛尺寸如下：

L=(230+2)x7=1624mm

B=(113+2)x3+(110+2)x4=793mm

”=(65+2)x8+37=573〃〃〃

注意：實際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。

3.確定爐膛有效尺寸

為避免熱處理工件與爐膛內壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發生碰撞，應使工件與

爐內壁保持一定的距離。工件應放置的爐膛的有效尺寸內。爐膛有效尺寸確定如下：

L效=1500mm

B%=700mm

H?=450mm

四、爐襯材料的選擇及其厚度的確定

1.爐襯材料的選擇及其厚度的計算應滿足在穩定導熱的條件下，爐殼溫度小于60℃。由

于爐子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數和對流換熱

系數之和統稱為綜合傳熱系數。爐殼包括爐墻、爐頂利爐底。這三部分外壁對周圍空氣的

綜合傳熱系數不同(見教材附表2),所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分

別進行計算。

2.爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算

爐子的兩邊側墻和前后墻可采用相同的爐襯結構，同時為簡化計算，將爐門看作前墻

的一部分。

設爐墻的爐襯結構如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質粘土磚(QN—0.8),保溫層

是60mm厚、密度為350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和230mm厚的A級硅藻土磚(耐

火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4)。這種爐襯結構在穩定導熱條件下，是

否滿足墻外壁溫度小于60℃,應首先求出熱流密度，然后計算進行驗證。

在爐墻內壁溫度950℃、爐殼周圍空氣溫度20c的穩定導熱條件下，通過爐墻向周圍

空氣散熱的熱流密度為：

_950-20

-二＜s2s3]

-----1-------1------1------

444%

S1,S2,S3確定

S1,S2,S3分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的厚度(m)。若

考慮它們之間2mm的砌絳寬度，則S1,S2,S3得厚度為：

S尸113+2=115mm；S2=60mm；S3=230+2=232mm。

2）,,,的確定

■,,分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的平均熱導率

（W/m?°C）；是爐殼對周圍空氣的綜合傳熱系數（W/m-°C）。

■要求出，,和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設輕質粘土磚和

硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維氈和硅凝土磚之間的界面溫度

爐墻外殼溫度。如圖所示：

■求輕質粘土磚的平均熱導率

查教材附表3,可得輕質粘土磚?（QN—0.8）的平均導熱率為：

4=0.294+0.212x10-3（?為平均溫度）

4=0.294+0.212x10-3（414）=0.294+0.212x1（）-3（950+850）

22

=0.485W/m?℃

■求硅酸鹽耐火纖維氈的平均熱導率

■硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據教材附表4查得，密度為350Kg/m3普

通硅酸鹽耐火纖維氈700℃、1000C的熱導率分別為0.121W/m?℃和0.122W/m?℃。

在700aC——1000℃溫度范圍內，可近似認為其平均導熱率與溫度成線性關系。則有:

■求硅藻土磚的平均導熱率

查教材附表3,可得A級硅藻土磚的平均熱導率為

4=0.1（）5+0.23x10-35

4=0.1()5+().23x1(尸x=0.105+0.23x1(尸x嚴。；55)=()/83W/m-℃

■求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數

當爐墻外殼溫度為55℃,周圍空氣為20c時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂

灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數為：

=11.8IVV//H2-℃

3）求熱流密度

將以上數據代入求熱爐密度的表達式中，可求得熱流密度為:

950-20930

=445.8卬/加2

q=().115(k06~~0.232F-2.086

+-------+--------+

0.4850.1210.18311.81

4）驗算各界面和爐墻外殼溫度是否滿足設計要求

輕質粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為:

…—心二950-445.8x更”=844.3℃

2?40.485

■相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。

通硅酸鹽耐火纖維氈700℃、1000°。的熱導率分別為0.121W/m?℃和0.122W/m?℃

在700℃——1000℃溫度范圍內，可近似認為其平均導熱率與溫度成線性關系。則有:

■%的確定

查教材附表3,可得膨脹珍珠巖的平均熱導率為

4=0.04+0.22x10-3/

4=0.04+0.22X1（）-3X（生也）=0.04+0.22xW3x（580+55）

22

=1.10W/m?℃

■外的確定

當爐頂外殼溫度為55℃,周圍空氣為20℃時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂

灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數為：

2

az=13.52W/m-℃

3）熱流密度的計算

將以上數據代入求熱爐密度的表達式中，可求得熱流密度為：

950-20_930

10.1150.060.115]1,852

0.486+0.1210.11013.52

5）驗算各界面和爐頂外殼溫度是否滿足設計要求

輕質粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：

。-盧=950-502.2x=831.0℃

2?40.486

■相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。

硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土徜之間的界面溫度為：

人=心一邑=831.0—502.2x=582。。；

3240.121

■相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。

爐頂外殼溫度為：

G二人一夕邑=582-502.2x=57℃<60℃：

434o.iio

3.因爐墻外殼溫度小于60℃,故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設計要求。若實際計

算后，外殼溫度大于60C,必須重新選擇爐頂爐襯材料及其厚度。

4.爐底爐襯材料選擇及其厚度的計算

設爐底的爐襯結構為，耐火層是（65+2）X3=201mm厚的輕質粘土磚（QN—0.8）,

保溫層是厚度80mm、密度350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和（113+2）+（65+2）X

2mm的A級硅藻土質。

在爐底內壁溫度950℃＞爐殼周圍空氣溫度20℃的穩定導熱條件下，通過爐底向周圍

空氣散熱的熱流密度為：

950-20

好，*+邑+_L

444%

1）S1,S2,S3確定

S1,S2,S3分別是輕質粘土磚（QN-0.8）、普通硅酸鹽耐火纖維氈和膨A級硅藻轉的

厚度（m）。若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1,S2,S3得厚度為：

:；。

2）,,,的確定

■,,分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻轉的平均熱導率

（W/m?℃）；是爐爐底殼對周圍空氣的綜合傳熱系數（W/m?℃）。要求出，，

和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設輕質粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間

的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維和平膨脹珍珠巖之間的界面溫度，爐底外殼溫度。

■4的確定

查教材附表3,可得輕質粘土磚（QN—0.8）的平均導熱率為：

4=0.294+0.212x10-3。?為平均溫度）

4=0.294+0.212x103（Alk）=0.294+0.212x10-3（950+81°）

22

=0.481W/m?℃

■友的確定

■硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據教材附表4查得，密度為350Kg/m3普

通硅酸鹽耐火纖維氈400℃、700c的熱導率分別為0.081W/m-℃和0.121W/m?

在400C——700c溫度范圍內，可近似認為其平均導熱率與溫度成線性關系。則有：

■4的確定

查教材附表3,可A級硅藻土磚的平均熱導率為

4=0.105+0.23x10%

4=0.105+0.23X10-3X（^14）=0.105+0.23x103x（560+55）

=0.176W/m?℃

■cry的確定

當爐頂低殼溫度為55℃,周圍空氣為20c時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂

灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數為：

的=9.55W/M.。。

3)熱流密度的計算

將以上數據代入求熱爐密度的表達式中，可求得熱流密度為：

950-20930”久久加,、

'I=0.201J.080?0.24丁丁=心=356SW/"

0.48101190J76935

6)驗算各界面和爐頂外殼溫度是否滿足設計要求

輕質粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：

…-抖=950-356.5x空@=801.0℃

2?40.481

■相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。

硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：

yf-=801.0-356.6x巴絲=561.3℃;

32,40,119

■相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。

爐墻外殼溫度為：

q()?49

.-q也=56L3-356.6x--=56.8℃<60℃：

430.176

五、因爐墻外殼溫度小于60C,故爐頂爐襯材料及其厚度的選擇滿足設計要求。若實

際計算后，外殼溫度大于60C,必須重新選擇爐頂爐襯材料及其厚度。

六、爐子外形尺寸的確定

1)爐子外形長度

爐子的外形長度為爐撞長度加上兩倍爐墻厚度，其值為：

=1624+2x(115+60+232)=2438mm=2.438m

2)爐子外形寬度

爐子的外形寬度為爐撞寬度加上兩倍爐墻厚度，其值為：

8外=793+2x(115+60+232)=1609mm=1.607m

3)爐子外形高度

爐子的外形高度有以下五部分組成(圖5-8右圖)：爐墻高度、拱頂高度、爐頂厚度。

爐底厚度和爐底預留安裝電熱元件所需的高度及爐底板厚度。其中爐膛高度、爐底厚度已經

求出。若陸主席采用60°標準拱頂，取拱弧半徑R=B,則拱頂高度可由下式求出：

f=/?(1-cos30°)=793x(1-cos30°)=106mm

為了方便砌筑，預留安裝電熱組件所需要的高度及》底板厚度可取65+2=67mm。

綜合以上五個部分的高度，爐子外形高度為：

"外=573+106+(115+60+115)+(201+80+249)+67=1566mm=1.566/H

2.砌體平均表面積的il?算

爐子砌體平均表面積的計算方法有兩種：算術平均值和幾何平均值。本設計采用幾何平

均值計算法。此方法首先需要算出內壁和外壁的面積。

1)爐頂平均表面積的確定

爐頂內壁是弧面，內壁面積為：

60。9

F^=----2成［=三x3.14x1.624x0.793=1.348"，

頂外360°6

爐頂外壁是平面，外壁面積為：

產預外=4卜x場=2.438x1.607=3.918"/

則爐頂平均面積為：

2)爐墻平均表面積的確定

爐墻包括兩側墻和前、后墻。為簡化簡化計算，將3門視為前墻，則爐墻平均面積為:

耳而均二而內x%外=42H(L+8)x2”外(L外+6外)

=72x0.573x(1.624+0.793)x2x1.566x(2.438+1.607)

=5.92m2

3)爐底平均表面積的確定

爐底平均面枳為：

%均二J%內x耳京外=J(8xL)x(8外xL外)

=V0.793x1.624x1.607x2.438=2.25m2

六、爐子的主要能量消耗項

熱平衡計算法是根據爐子的輸入總功率等于各項能量消耗總和的原則。來確定爐子功率

的方法。

1.爐子的主要能量所需要的熱量

1)加熱工件所需要的熱量

由教材附表6查得，低合金鋼在950c和20c時的土熱容分別為：

C950=0.636kJ/(kJ?U),C20=0.486kW/(kg-D,熱處理爐的生產率P=105kg/h,

則加工所需要的熱量為；

。件=P(C950x950-C20x20)=105x(0.636x950-0.486x20)

=62420.4kJ/h

2)通過爐襯的散熱損失

通過爐襯的散熱損失包括爐頂、爐墻和爐底三部分，有：

。汝=Q頂+Qm+。底=4頂由頁均+9境.理均+q底，F底均

=502.2x2.30+445.8x5.92+356.6x2.25

=4596.5W=16547.4kJ/h

3)開啟爐門的輻射熱損失

這部分熱損失可由下式求得：

-3.6Ci［闔4一囿］

式中Co——黑體輻射系數

F一一爐門開啟面積。爐子正常工作時，爐門開啟高度為爐膛高度的一半，

Hn573

WF=Bx—=0.793x—=0.227〃/；

22

①一一遮蔽系數。開啟的爐門是拉長的矩形，開啟高度為，

它與爐墻厚度之比為，查教材圖1-14曲線1得中=0.63；

河一一爐門開啟率。設裝、出料所需時間為每小時6分鐘。則爐門開啟率為0.1；

——爐氣的熱力學溫度，為950+2734223K；

一一爐外空氣的熱力學溫度，為20+273=293K,

將上述數據代入公式中，得：

(1223Y(293Y

=3.6x5.675x0.227x0.63x0.lx--=6514.90"/〃

幅I_l100)U00；

4)開啟爐門的溢氣熱損失

對于一般的箱式電阻爐，爐門開啟后要吸入冷空氣。通常以加熱吸入的冷空氣所需的熱

量為該項熱損失，即有：

盤=qmCMT)

式中一一爐子吸入的冷空氣量。對空氣介質電阻爐，零壓面一股位于爐膛高度的一半

(零壓面在爐門開啟高度中分線)。由教材(5-8)式得：

()573

=19975—=1997x().793x上聲=242.9//

2

——20c冷空氣的密:度，為1.29kg/m3；

一一空氣在~(即20~950℃)溫度之間的平均比熱容。就本設計來說，是平均溫

度(950+2)/2=485℃的比熱容。查附表10可知，空氣在400℃、500c的比熱

容分別為1.33302kJ/(m3?℃)和1.3440kJ/:m3?℃)。可認為空氣比熱容在此

溫度區間的變化呈線性關系，即有：

1.3440-1.3302Q-1.33023

=>Cr/=1.342V/(nz-℃)

500-400485-400

----爐門開啟率，0.1。

-溢氣溫度(見教材74頁)，近似為:

號年一《)+Ta=1x(950-20)+20=640℃

將上述數據代入公式中得開啟爐門的溢氣熱損失為:

。通=242.9x1.29xl.342x0.1x(640-20)=2607\2kJlh

5)其它熱損失

此項熱損失包括未考慮的各種熱損失和一些不易精確計算的各種熱損失。就箱式電阻爐

來說，該項熱損失可取以上各項熱損失之和的10%?20%木設計取15%,該項熱損失為：

。其它=0.15x(Q件+Q散+&a+0溢)

=0.15x(62420.4+16547.4+6514.90+26071.2)

=16733.1kJ/h

2.爐子的理論輸入功率

根據熱平衡計算法，在理論上爐子的輸入功率應為上述各項能量消耗的總和，即:

Q總=Qfi+。依+Q峪+Q溢+。其它

=62420.4+16547.4+6514.90+26071.2+16733.1=128287（kw/h）

3.爐子的安裝功率

上面的爐子輸入功率:即各項能量消耗總和）是維持爐子正常工作必不可少的熱量支出。

但在實際生產中還要考慮一些具體情況，如爐子長期使用后爐襯局部損壞會引起熱損失增

加，電壓波動、電熱組件老化會引起爐子功率下降，有時工藝制度變更要求提高爐子功率。

這些具體情況要求功率應有一定的儲備，爐子的實際功率應比理論計算功率大，因此爐子

的安裝功率為：

KQ總

4=

3600

式中一一功率儲備系數，對周期作業爐，K=1.3~1.5c本設計可取1.4。

將相關數據代入公式中，可得

1.4x128287?

Pn；=--------------=449n.9nkzWz

女3600

取爐子的安裝功率為54kW,

七、爐子熱效率的計算

1.正常工作時的熱效率

由教材5—12式得，爐子正常工作時的熱效率為：

=00%=624204x100%=48.7%

Q!；128287

2.一般電阻爐的熱效率在30%一一80%之間。本設計的爐子熱效率在此范圍內，設計合

理。

3.保溫時關閉爐門的然效率

保溫關閉爐門時，無輻射熱損失和溢氣熱損失，此時爐子的熱效率為：

62420.4_________

n=--------------------x100%=x100%=65.2%

。總"Q+Q溢）128287-6514.90-26071.2

3.爐子空載功率的計算

爐子空載時，能量消耗只有兩項：通過爐襯的散熱損失和其它熱損失，此時爐子的

功率為：

P=01+Q其它16547.44-16733.1

=9.24%W

空-36003600

八、功率的分配和接線方法

九、爐子的安裝功率為54kWo電熱元件采用三相星形接法，也稱“丫”接法。即將電

熱元件分為3組，每組18kW,爐墻兩側各布置1組電熱元件，爐底布置1組電熱元件，

十、校核爐膛內壁表面負荷（選做）

54KW功率均勻分布在爐膛兩側及爐底，組成丫接線。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，內壁表面負荷在15?35之

間，常用20?25kTMm3之間。

/=2,測+￡也底=2x1.624x0.573+0.793x0.573=2.32/n2

w="==23.3kw/m2

52.32

表面負荷在常用的范圍20?25kW/m3之內，故符合設計要求。

十、電熱元件材料的選擇和理論計算

1.電熱元件材料的選擇

爐子的最高使用溫度為950℃,可選用0Cr25AI5(即FeCrAI)合金絲材，繞制成螺旋

管狀作為電熱元件。

2.爐膛950℃時電熱元件的電阻率

爐子正常使用時，電熱元件的溫度比爐膛溫度高1001一—200℃。當爐膛溫度為950,C,

電熱元件的溫度取1100℃,由教材附表12得,0Cr25AI5合金20℃時的電阻率，電阻溫度

系數，則1100C時電熱元件的電阻率為：

52

pll00=p2Q(l+at)=1.40x(1+4x10xl100)=1.46Q-/rw/1tn

3.確定電熱元件的表面負荷

4.由教材圖5—3(a；,根據設計的爐子的工作條件，取電熱元件的允許表面負荷。

5.每組電熱元件的功率和端電壓

由于采用三相星形即“丫丫”接法，即兩組電熱元件并聯后在接成丫的三相雙星形接法，

每組電熱的功率為

5454

Ptll=-=—=\SkW

n3

采用“YY”接法，車間動力網兩端電壓為380V,故每組電熱元件的端電壓為

380

=220V

5.電熱兀件的長度和重量

(1)電熱元件的絲材直徑可由教材5-24式確定,

[=34.33/5^=34.3x3118^L46=6.27mm

,W允2202xl.6

取絲材直徑d=6.5mm=0.6.5cm

1)每組電熱元件的長度由教材5-25式確定為:

4.=().785x