电阻炉设计与计算例题.doc

1、电阻炉设计计算举例一 设计任务为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件如下：（1） 用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的淬火、正火及调质处理，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：160kg/h；（3） 工作温度：最高使用温度950；（4） 生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。二 炉型的选择根据设计任务给出的生产特点，拟选用箱式热处理电阻炉，不通保护气氛。三 确定炉体结构和尺寸1. 炉底面积的确定因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。一直生率P为160kg/h，按表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

2、/(m2.h)。表1故可求得炉底有效面积由于有效面积与炉底总面积存在关系式,取系数上限，得炉底实际面积2. 炉底长度和宽度的确定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，因此，可求得B=L/2=1.772/2=0.886m根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取L=1.741m，B=0.869m，如图5-8所示。3. 炉膛高度的确定按统计资料，炉膛高度H与宽度B之比H/B通常在0.50.9之间，根据炉子工作条件，取H/B=0.7左右，根据标准砖尺寸，选定炉膛高度H=0.640m。因此，确定炉膛尺寸如下长 L=（230+2）7+（2301/2+2）=1741mm宽 B=（120+2）4+（

3、65+2）+（40+2）2+）（113+2）2=869mm高 H=（65+2）9+37=640mm为避免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，确定工作室有效尺寸为L效=1500mmB效=700mmH效=500mm.4. 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（673）mm+

4、50mm密度为250kg/m3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65mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA及硅藻土砖。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。四 砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图5-8所示。L外=L+2（115+50+115）=2300mmB外=B+2（115+50+115）=1430mmH外=H+f+（115+80+115）+674+50+182=640+116+310+268+50+182=1

5、566mm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。1. 炉顶平均面积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)=20.640（1.741+0.869）=3.341m2 F墙外=2H外 (L外+B外)=21.566（2.300+1.430）=11.68m23.炉底平均面积F底内=BL=0.8691.741=1.51m2F底外=B外L外=1.4302.300=3.36m2五、计算炉子功率1. 根据经验公式法计算炉子功率由式取式中系数，空炉升温时间假定为升=4h，炉温t=9

6、50，炉膛内壁面积F壁=2（1.7410.640）+2（0.8690.64）+1.7410.869+23.140.8691.741=6.44m2所以 由经验公式法计算得P安75（KW）2.根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得，工件在950及20时比热容分别为C件2=0.636kj/（kg.），c件1=0.486 kj/（kg.），根据式（5-1）（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。根据式（1-15）对于炉墙散热，如果5-9所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，t2墙=780，t3墙=485，t4

7、墙=60则耐火层s1的平均温度，硅酸铝纤维层s2的平均温度，硅藻土砖层s3的平均温度，s1、s3层炉衬的热导率由附表3得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视认为其热导率与温度成线性关系，由ts2均=632.5，得当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2经近似计算得求热流验算交界面上的温度t2墙、t3墙5%，满足设计要求，不需要算。 5%，也满足设计要求，不需要算。验算炉壳温度t4墙满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。计算炉墙散热损失 Q墙散 = q墙F墙均 = 730.46.25=4562.5W同理可以求得 t2顶 = 844.3，t3顶 = 562.6，t4

8、顶=53，q顶 = 485.4W/m2t2底 =782.2，t3底 = 568.5, t4底=53.7，q底 = 752.2W/m2炉顶通过炉衬散热 Q顶散 = q顶F顶均 = 485.4 2.29 = 1111.6W炉底通过炉衬散热 Q底散 = q底F底均 = 572.2 2.23 = 1276W整个炉体散热损失 Q散 = Q墙散 + Q顶散 + Q底散 = 4562.5 + 1111.6 + 1276 = 6950.1W = 25020.4kJ/h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）因为Tg = 950 + 273 = 1223K，Ta = 20 +273

9、= 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 = BH 2=0.8690.640 2= 0.278m2 炉门开启率t = 6 60 = 0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H 2与B之比为0.32/0.869 = 0.37，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.32 0.28 = 1.14，由图1-14第1条线差得 = 0.7，故 Q辐= 5.6753.6Ft = 5.6753.60.2780.10.7 = 8877.75kJ/h 开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式（5-7）得 Q溢 = qvaaca()t其中，qva由式子（5-8）得 qva = 1997BH 2

10、 = 19970.8690.32 = 314.1m3/h 冷空气密度a = 1.29kg/m3 ，由附表10得ca = 1.342kJ/(m3)，=20，为溢气温度，近似认为= + () = 20 + (950-20) = 640 Q溢 = qvaaca()t其他热损失其他热损失约为上述热损失之和的10%20%，故 Q它 = 0.13(Q件+Q散+Q辐+Q溢) = 0.13(95117+25020.4+8877.75+33713) = 23346.1kJ/h热量总支出其中Q辅 = 0，Q控 = 0，由式(5-10)得 Q总 = Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它= 95117+25020

11、.4+8877.75+33713+23346.1 =202931.2kJ/h炉子安装功率由式（5-11） 其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则 P安 = = 78.9kW与标准炉子相比较，取炉子功率为75kW。六炉子热功率计算1.正常工作时的功率由式(5-12) = = = 47.2%2.在保温阶段，关闭炉门时的效率 七炉子空载功率计算 八空炉升温时间计算 由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层储热较少，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，因升温时炉底板也随炉温升温，也要计算在内。1. 炉墙及炉顶蓄热 由式(5-9) 因为查附表3

12、得查附表3得查附表3得所以得2.炉底蓄热计算由于查附表3得查附表3得所以得3.炉底板蓄热根据附表6差得950和20时高合金钢的比热容分别为c板2=0.670kj/（kg.）和c板1=0.473kj/（kg.）。经计算炉底板质量G=242kg，所以有由式（5-13）得空炉升温时间对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在38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，实际空炉升温时间在4小时内。九、功率的分配与接线75KW国内铝均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y、或YY、接线。供电电压为车间动力电网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

13、面负荷应在1535KW/m2之间，常用为2025 KW/m2之间。F电=2F电侧+F电底=21.7410.64+1.7410.869=3.74m2表面负荷在常用的范围2025KW/m2之内，故符合设计要求。十、电热元件材料选择及计算由最高使用温度950，选用线性0Cr25Al5合金作电热元件，接线方式采用YY。1.图表法由附表15查得0Cr25Al5电热元件75KW箱式炉YY接线，直径d=5mm时，其表面负荷为1.58W/cm2。每组元件长度L组=50.5m，总长度L总=303.0m，元件总质量G总=42.3kg。2.理论计算法（1）求950时，电热元件温度取1100，由附表12差得0Cr25

14、Al5在20时电阻率20=1.40.mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则1110下的电热元件电阻率为（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=1.6W/cm2。3）每组电热元件功率由于采用YY接法，即三项双星形接法，每组元件功率（4）每组电热元件端电压由于采用YY接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每项电压（5） 电热元件直径线状电热元件直径由式（5-24）得取d=5mm（6）每组电热元件长度和重量每组电热元件长度由式（5-25）得每组电热元件质量由式（5-26）得式中，由附表12查得=7.1g/cm3所以得（7）电热元件的总长度和

15、总质量电热元件总长度由式（5-27）得L总=6L组=652.07=312.44m电热元件总质量由式（5-28）得G总=6G组=67.26=43.56kg（8）校核电热元件表面负荷W实W允 ，结果满足设计要求。（9）电热元件在炉膛内的布置。将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有布置电热元件的炉壁长度L=L-50=1741-50=1691mm丝状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=（46）d，取D=6d=65=30mm螺旋体圈数N和螺距h分别为h= L/N=1691/138=12.3mmh/d=12.3/5=2.46按规定，h/d在24范围内满

16、足设计要求。根据计算，选用YY方式连线，采用d=5mm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，炉口部分增大功率。电热元件引出棒材料选用1Cr18Ni9Ti，=12mm，l=500mm。电热元件图（略）。二、供电电压和接线方法 电阻炉的供电电压，除少数因电热元件的电阻温度系数大或要求采用低压供电的大截面电阻板外，一般均采用车间电网电压，即220V或380V。 电热元件的接线，应根据炉子功率大小等因素考虑决定。当炉子功率小于25KW时，采用220V或380V单相接法。炉子功率为2575KW，采用三相380V星形接法买个别也可用三相380V三角接法。当炉子功率大于75KW时，

17、可将电热元件分为两组或两组以上的380V星形接法或三角形接法。每组功率以3075KW为宜，即每相功率在1025KW之间。这样，可使每一电热元件的功率不致过大，便于布置安装，而且电热元件的尺寸也较合适。 电阻炉的功率，由于工艺要求不同，各阶段相差甚大，如台车炉、井式炉、井式气体渗碳炉工件在升温加热阶段需要功率很大，而在保温或渗碳阶段所需功率甚小，旧系列热处理电阻炉可控硅采用PID连续调节或计算机控制温度，在升温段提供较大功率，在保温段提供较小功率，这样不仅提高了控温精度，也大大提高了电热元件的使用寿命。5-4 常用电热元件材料及其选择电热元件是热处理电阻炉的关键部件，电阻炉性能得好坏和使用寿命的

18、长短与所选用得电热元件材料密切相关。一、 电热元件材料和性能要求1. 具有良好得耐热性及高温强度 电热元件的工作温度一般比炉温高100200，所用材料必须具有良好得耐热性和一定的高温强度，以保证电热元件在高温下不熔化，不氧化，不挥发和不发生明显的蠕变变形和坍塌。2. 具有较大的电阻率 在电热元件端电压一定的条件下，电热元件发出得功率与其电阻成反比，而电热元件的电阻与其材料的电阻率(mm2/m)成正比，即R=L f () （5-15） 式中：f电热元件截面积(mm2)； L长度(m). 当R、f不变时，越大，则L越短，节省材料，便于安装；当R、L不变时，越大，则f越大，提高强度，延长寿命。3.

19、具有较小的电阻温度系数 电热元件材料的电阻温度系数(1/)越大，则电热元件在不同温度下发出功率的变化也越大，电阻炉功率就不稳。如果使用电阻温度系数大的材料做电热元件，则应配备调压器，保证炉子功率的稳定。4. 具有较小的热膨胀系数 电热元件受热伸长，可用下式计算 Lt=Lo(1+t) (m) （5-16）式中：Lo 、Lt电热元件在0和t得长度(m)； t电热元件得工作温度()； 电热元件得热膨胀系数(1/)。对热膨胀系数较大得元件，应留有充分的膨胀余地。5. 具有良好的加工性电热元件材料应便于加工成各种形状并具备良好的焊接性。二、常用电热元件材料及特点电热元件材料可分为金属材料和非金属材料两大

20、类。1. 金属电热元件材料金属电热元件材料包括合金和纯金属两种，而合金材料中又分为铁铬铝系和镍铬系。（1） 铁铬铝系：这类材料电阻率（）大，电阻温度系数（）小，功率稳定，耐热性好，抗渗碳，耐硫蚀，价格便宜，应用广泛。其缺点是塑性强，高温加热后晶粒粗大，脆性大。常用牌号有0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、1Cr23Al6Mo2、0Cr13Al4、0Cr25Al6RE等。（2） 镍铬系：这类材料高温加热不脆化，具有良好的塑性和焊接性，便于加工和维修，抗渗氮。其缺点是电阻率（）小，电阻温度系数（）大，不抗硫蚀，价格昂贵。常用牌号有Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3和C

21、r23Ni18等。（3） 纯金属。钼、钨和钽熔点很高，塑性很好，可作为线状，带状和筒状的电热元件，其中钼应用最广。这类材料高温易氧化，常需在氢气、氨气解气氛或真空中使用。其缺点是电阻温度系数（）很大，常应附加调压器调节功率；价格昂贵，热处理炉中使用较少。常用金属电热元件材料及性能见附表12。2. 非金属电热元件材料主要有硅碳系、碳系和硅钼系三种，对用于高温热处理炉或真空炉。（1） 硅碳系：这类电热元件材料电阻率（）大，通常制成带状、棒状，可在氧化性介质1350下长期工作。其缺点是易老化、脆性大、强度低、安装使用中需避免碰撞，并需配调压器。成分主要是SiC。（2） 碳系：石墨、碳粒和各种碳质制品

22、都属于碳系电热元件。常用于14002500中性气氛或真空中，最高可达3600。其热膨胀系数（）小，电阻率（）大，易加工，耐极冷极热性好，价格低廉。（3） 硅钼系：这类电热元件材料耐高温，不易老化，最高使用温度可达17001800，其电阻温度系数（）大，便于在低温输入较大功率而缩短炉子升温时间，在1350以上会软化，不便水平安装。其主要成分为MoSi2。常用非金属电热元件材料性能见附表13。三、电热元件的表面负荷电热元件的表面负荷W指元件单位表面积所发出的功率，单位为W/cm2。元件表面负荷越高，发出的热量就越多，元件温度就越高，所用元件材料也越少，但是，如果表面负荷过高，元件寿命会缩短。因此，

23、表面负荷应有一个允许的数，成为允许表面负荷W允，其大小取决于元件材料和工作温度。实际选用允许表面负荷时，应考虑到电热元件的工作环境，环境好可取大些，环境差可取小些。如有腐蚀气体和保护气体时可取低些；电热元件装在辐射管中或炉底之下应取低些；若敞开在炉膛中可取高些；强制对流时可取更高值；工件黑度小时应取低值；带状应比丝状电热元件的值高；电热元件不易更换时应取低值，已更换时取高值。图5-3为合金电热元件的允许表面负荷曲线。图中上线为敞漏型电热元件的最低允许表面负荷；一般取上下限之间。电热元件温度一般比炉温度高100200。表5-3为电阻丝在不同温度下常用的允许表面负荷，表5-4为硅碳棒在不同温度下的

24、允许表面负荷，可供设计时选用。表5-3 电阻丝的允许表面负荷W允 （W/cm2）材料炉膛温度/60070080090010001100120013000Cr25Al5-3.0-3.72.6-3.22.1-2.61.6-2.01.2-1.50.8-1.00.5-0.7Cr20Ni803.02.52.01.51.10.5-Cr15Ni602.52.01.50.8-表5-4 硅碳棒的允许表面负荷W允 （W/cm2）炉膛温度/1000110012001250130013501400W允 35262118141055-5电热元件的计算 电热元件的计算，主要包括元件的截面积尺寸、长度和质量以及一些结构尺寸

25、的计算，以满足功率、使用寿命和安装要求。一、 金属电热元件的计算1. 电热元件的尺寸和质量设炉子共有n个电热元件，炉子的安装功率P安，则每个电热元件的功率为 （1） 在炉子工作温度为t时，每个电热元件的电阻R t应为： （2） Rt又可表示为： （3）式中： t元件在工作温度下得电阻率（mm2/m）；L每个元件得长度（m）；f元件的截面积(mm2).由（2）和（3）式可得： （4）电热元件的功率与单位面积负荷的关系为： （5）式中：F电热元件表面积(cm2); S电热元件横截面积的周长(mm).将（5）代入（4）得： （6） 由于丝状电热元件和带状电热元件的截面和周长计算方法不同要分别讨论。1

26、) 直径为d得丝状电热元件因 (mm) , (mm), 故： （7）将（7）代入（6）经整理得到： （mm） （8）则每个电热元件的长度可按（3）式求得 （9） 每个元件的质量为 （10）式子：M元件材料密度（g/cm3）。所需电热元件总长度和总质量为 （11） （12）2）带状电热元件设带状电热元件宽b，厚为a，则b/a = m，一般地，m=812。电热元件的横截面 f = ab = ma2 （13）电热元件截面周长 S = k(a+b) = k(m+1)a (mm) （14）式中：k周长减少系数，有扎制圆角时k取1.88，无轧制图圆角k取值2。将f和S值代入( 6 )式得a = （m） （

27、15）则每段电热元件长度 （16）每段电热元件的质量为 G = abLM 10-3 （kg） （17）所需电热元件的总长度和总质量可用式（11）和（12）求得。2. 电热元件的形状及结构尺寸计算出电热元件截面及长度之后，还要将它制成适当形状，然后才能布置在炉内。1) 电阻丝的绕制尺寸 电阻丝一般绕成螺旋管状，如图5-4。丝的直径较大，绕制困难时，也可绕成波纹状。绕制节径D和螺距h应保证不坍塌，同时又要热屏蔽小，D和h小，虽然不易坍塌，但是热屏蔽大。所以不能过大或过小，一般可按表5-5的所列公式计算。表5-5 螺旋电热元件绕制尺寸项目Fe-Cr-Al合金Cr-Ni合金1000 100095095

28、0750750节径D/mm（4-6）d（6-8）d（5-6）d（6-8）d（8-12）d螺距h/mm（2-4）d（2-4）d（2-4）d（2-4）d（2-4）d螺旋住长度L/m按表中关系计算出的螺旋柱长度L还必须满足在炉内布置的要求，如果L过长，则应适当 调整D和h，直至在表所列值得范围内，又适合布置要求。2) 电阻带的绕制尺寸带状电热元件一般绕制成波纹状，如图5-5。带的宽度为b，厚度为a，波纹结构尺寸如下：波纹高度 H10b波纹间距 h=（1030）b曲率半径 r=（48）a波纹体长度 L= 二、碳化硅电热元件的计算1.根据炉膛尺寸确定SIC棒的规格，并计算每根的功率：式中：W允在工作温度下元件允许表面负荷（W/cm2），如表5-4所示； dSiC棒工作不分的直径（mm）； LSiC棒工作不分的长度（m）。2.根据炉子安装功率P安和每根SiC棒功率P棒确定SiC棒根数 （5-36）上式计算出n应取整数，一般为偶数，以便在炉内对称布置，若为三相接法，还应是3的倍数。3.计算SiC棒的端电压（V） （5-37）式中：RtSiC棒在工作温度下的电阻（）。4.确定电压调节范围。U调=（0.352）U （5-38）16