井式炉课程设计说明书.doc

试验设计及计算
数据及结果
一、设计任务
设计要求： 1、碳钢淬火用炉中温淬火炉；
2、最高使用温度900℃，生产率；
3、画出总装图、画出炉衬图、炉壳图、电热元件图。

二、炉型的选择
因为工件材料为碳钢，热处理工艺为淬火，对于碳钢最高温度为900℃，选择中温炉（上限900℃）即可，同时工件为圆棒长轴类工件，因而选择井式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉，最高使用温度900℃。

三、炉膛尺寸的确定
1、炉膛有效尺寸（炉底强度指标法）
1.1确定炉膛有效高度H
由经验公式可以得知，井式炉炉膛有效高度H应为所加热元件（或者料筐）的长度的基础上加0.1~0.3m。
H效=800+300=1100mm
由于电阻炉采用三相供电，放置电热元件的搁砖应为3n层，
H砌=3n×(65+2)+67,取整后取n=5，得H砌=1072mm

1.2确定炉膛内径D
工件尺寸为Φ120×1700，装炉量每炉9根,生产率245.3㎏/h,对长轴类工件，工件间隙要大于等于工件直径；工件与料框的间隙取100~200 。
D料=4×120×+120+2×（100~200）=999~1199，取D料=1000
D砌比D效大100mm至300mm，取D砌=1350mm。
查表[1]得可用砌墙砖为8SL·427·446(A,B,R,r)=(168,190.8,765,675)型轻质粘土扇形砖。
由该砖围成的炉体的弧长为
S=D砌=3.14×1350=4239mm
砖的块数为：4239÷168=25.2块，取整后N=25，
对D进行修正得：D砌=25×168÷3.14=1350mm，取1350mm
选用代号为SND-427-09的扇形搁砖
每层搁砖数目为N=D砌÷50=84.78，取整为84块。

1.3炉口直径的确定
D效=1350mm，由于斜行楔形砖。
②
①
①
①
H炉口
D炉口
d

d=100~200mm,取d=140mm
则：D炉口=D砌 ―2d=1070
号砖型为8SL •427 •414(A,B,R,r)=(166,196,640,550)
查表可以直接得到D=1070mm,N=20块
号砖型为8SL •427 •498斜型楔形砖
D炉口=（74+2）N，将D炉口=1070mm代入，得N=44.2，取整后N=44。
1.4炉口高度的确定
按经验，炉口可由斜行楔形砖和三层直行砖堆砌而成。
故H炉口=（65+2）×3+30=231mm
综上所述：D砌=1350mm，H砌=2077mm，D炉口=1070mm，H炉口=231mm

四、炉体结构设计
炉体包括炉壁、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：
（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；
（2）为了减少热损失和缩短升温时间，在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；
（3）耐火、隔热保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则会降低使用寿命；
（4）要保证炉壳表面温升小于50℃，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。
1、炉壁设计
炉壁厚度可采用计算方法确定，下图为井式炉炉壁三层结构，
第Ⅰ层为耐火层，其厚度一般为90mm，采用轻质粘土砖RNG-0.6；
第Ⅱ层为耐火纤维层，其厚度设计为40mm，采用普通硅酸铝纤维；
第Ⅲ层为保温层，采用膨胀蛭石+硅藻土砖，其厚度可用计算求得。
t1
t2
t3
t4
t0

S1

S2

S3

Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

三层炉衬结构

在稳定传热时，对各炉衬热流密度相同。。查表得，炉壁温度60℃，室温20℃是，所以
RNG-0.6型轻质粘土砖：
密度
热导率
比热容
硅酸铝纤维：
密度
热导率
比热容
膨胀蛭石粉：
密度
热导率
比热容
由

=764.4℃
使用迭代法计算t2，设t2=660℃。
则：

不满足要求再次代入迭代：

<5%满足条件。

取186mm。

2、炉底的设计
炉底结构通常是在炉底壳部的钢板上用珍珠岩砖或硅藻土砖砌成方格子，各格子中填充蛭石粉。然后，在平铺两层硅藻土砖，最上面为一层轻质粘土砖。
炉底砖的厚度尺寸可参照炉壁的厚度尺寸，一般为230~690mm。由于要承受炉内工件的压力，且装出炉有冲击的作用。故炉底板要求又较高强度。
炉底剖面结构如下图：
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ

由底至上，第一层为膨胀蛭石粉和硅藻土砖复合层，第二层为硅藻土砖，第三层为轻质粘土砖。
结构：
厚度∕mm
材料：
砌砖型号：
Ⅰ
115
膨胀蛭石粉+
硅藻土砖B级
BSL·427·280
Ⅱ
134
硅藻土砖B级
BSL·427·280
Ⅲ
67
轻质粘土砖RNG-1.0
RNG-1.0

3、炉盖的设计
炉顶的结构有平顶、拱顶和悬顶三种。当炉子的宽度为600~3000mm时，可采用拱顶，拱角可用60°和90°，其中使用最多的是60°，这种拱顶称为标准拱顶。拱顶是炉子最容易损坏的部位，拱顶受热时耐火砖发生膨胀，造成砌拱顶时，为了减少拱顶向两侧的压力，应尽量采用轻质的楔形砖与标准直角砖混合砌筑。
第二层
第一层
炉盖结构图

设计条件：炉膛温度950℃，壳体温度60℃，室温20℃。
上层采用普通硅酸铝纤维，下层用轻质粘土砖。
结构
厚度∕mm
材料
型号
第一层
85
普通硅酸铝纤维

第二层
115
轻质粘土砖RNG-0.6
BSL·427·443
4、炉壳的设计
炉壳的尺寸取决于炉子砌体的尺寸，炉子的砌体包在炉壳之内。炉体框架要承受砌体和工件的重量以及工作时所产生的其它附加外力。因此，框架要有足够用的强度，框架和炉壳一般通过焊接成型，构成整个整体，以保证强度和密封性的要求。
炉壳一般用3~5mm的Q235钢板，炉底用6~8mm的厚板，井式炉炉壳圈一般用6.3或7号角钢制作。
综上所述，炉壳采用5mm厚的Q235钢板，炉底选用8mm厚的钢板，炉壳圈选用三根7号角钢均匀分布，两根7号角钢横向分布，炉底五根槽钢通过焊接而成。
五、电阻炉功率的确定
电阻炉的功率大小与炉膛容积、炉子结构、炉子所要求的生产率和升温时间等因素有关。确定炉子的功率需要综合考虑各方面的要求，本次设计采用理论计算的方法计算电阻炉的功率。
理论计算发是通过炉子的热平衡计算来确定炉子的功率。其基本原理是炉子的总功率即热量的吸收，应能满足炉子热量支出的总和。热量的支出包括：工件吸热量Q件、工件夹具吸热量Q夹、炉衬散热量Q散、炉衬蓄热量Q蓄、炉门和缝隙溢气热量Q溢、炉门和缝隙辐射散热量Q辐、其他热损失Q它等。
1、加热工件的有效热量Q件
=5.25h

2、工件夹具吸热量Q夹
因本次所设计正火炉不需使用夹具，故Q夹=0

3、通过炉衬的散热损失Q散
因为炉顶、炉底散热一个较多，一个较少，因而在计算中将炉顶、炉底简化成与炉壁散热情况一样。
炉衬蓄热情况简化计算图
D砌
H砌

S1
S2

S3

Fm1
Fm2

Fm3

Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

4、炉衬材料蓄热量Q蓄
炉衬材料的蓄热量是指炉子从室温升到工作温度整个砌体所吸收的热量。计算式为：

第Ⅰ层：；
；
；

第Ⅱ层：；；

第Ⅲ层： ，

5、开启炉门的辐射热损失Q辐

其中：F—炉门开启的面积：
—炉口辐射遮蔽系数：
，查表可知：
—炉门开启率：；
代入上式计算得：
6、炉子开启时溢气的热损失Q溢

其中：，

7、其它散热Q它
一般如下估算：
则：
8、电阻炉热损失总和Q总

9、计算功率及安装功率

安装功率应大于稳态时计算功率
周期作业炉k取1.3到1.5之间。
得：取：
六、技术经济指标计算
1、电阻炉热效率

一般电阻炉的热效率为40%~80%，满足要求。

2、电阻炉的空载功率
电阻炉的空载功率是指空炉在最高工作温度并稳定状态下所消耗的功率，又称为空炉损失。用下式计算：

P空值越小越好，一般为炉子总功率的15%~25% ，满足要求。
3、空炉升温时间
空炉升温时间是指在额定电压下，经过充分干燥、没有装料炉的电阻炉从冷态加热最高工作温度所需的时间。
空炉升温时间：
七、功率分配与接线方法
（一、）功率分配
为了使炉膛温度均匀或工艺要求分区分布炉温，需要将温度分布在炉内的各个部分。
井式炉功率大于75Kw是要考虑分区，H∕D大于1也要分区。
综上所述，本次设计电阻炉不分区。
（二、）供电电压与接线方法
电阻炉的供电电压，除少数因电热元件的电阻温度系数太大或要求采用低电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，应根据炉子的功率大小，功率分配等因素来决定。
因炉子功率为35Kw，即可采用三相380V星形，也可采用三角形接法。
综上所述，本次设计采用0Cr25Al5电热体材料，三相380V星形接法。
八、电热元件的设计
选用0Cr25Al5线状电热元件，电压380V。
1、供电电压和接线
选用三相380V、星形接法

2、确定电热元件的单位表面功率
因炉膛最高温度不超过900℃，结合选材0Cr25Al5查表得
3、确定元件尺寸

代入上式得d=4.74mm，取d=5mm

L总=nL=3×55.6=166.8（m）
M总=0.139×166.8=23.18 kg
符合要求
4、电热元件的绕制和布置
电热元件绕制成螺旋状，布置安装在炉膛炉壁上，每 5排串接成一相。每排电热元件的展开长度：

每排电热元件的搁砖长度：

电热元件螺旋直径：螺旋直径取：

螺旋体圈数N和螺距h分别为：
圈
取h=15mm
，满足的要求。
电热元件螺旋节距h在安装时适当调整，炉口部分减少节距，增大功率。
（四）、电热元件引出棒及其套管的设计与选择
1、引出棒的设计
引出帮必须用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti，
φ=16mm，丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。
引出棒长度：
L引=90+40+186+30+90=436mm

2、保护套管的选择
根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，所以确定
L炉墙 =90+40+186=316（mm），引出棒的直径d=φ16mm，因此
选用SND·724·018号套管，高铝矾土，重量0.6kg，
d套=φ20mm，D套=φ36mm，长度400mm。
（五、）热电偶及其保护套管的设计与选择
1、热电偶的选择
由于炉内最高的温度为900℃.长期使用的温度在1000℃以下，所以选用镍铬-镍硅热电偶。所以选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择，外径16mm，插入长度为450mm。保护材料为双层瓷管。
2、热电偶保护套管的选择
L炉壁=316mm。热电偶外径16mm，插入长度为450mm。根据这些条件，应该选用SND·724·018,高矾土，重量0.6kg。d套=φ20mm、D套=φ36mm，长度为400mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。

参考书目

1、《热处理炉》----------------------------华小珍老师编

2、《热处理炉课程设计指导书》--------------华小珍，崔霞老师编

3、《炉温仪表》----------------------------华小珍，袁永瑞老师编

4、《热处理设备》--------------------------王淑花编

H砌=1072mm

D砌=900mm

D炉口=660mm

H炉口=231mm

t1=950℃
S1=0.09m
S2=0.4m

t4=60℃

t0=20℃

t2=764.4℃

t3=618.2℃

S3=186mm

炉壳采用5mm厚的Q235钢板，炉底选用8mm厚的钢板

Q夹=0

选用0Cr25Al5线状电热元件，电压380V。
不分区，采用星形接法

P=11.7Kw
U=220V

d=5mm

L=55.6mm

L总=166.8m

M总=23.18kg

D=20mm

h=15mm

选用SND·724·018号套管

选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶

选用SND·724·018保护套

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