熱處理課程設(shè)計(jì)---950℃中溫井式電阻爐的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)《熱處理設(shè)備課程設(shè)計(jì)》是熱處理設(shè)備實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，其目的是通過課程設(shè)計(jì)加深對(duì)本課程基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；掌握本課程的主要內(nèi)容、工程設(shè)計(jì)或撰寫論文的步驟和方法；提高制圖能力，學(xué)會(huì)應(yīng)用有關(guān)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和理論分析的方法，以提高獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。</p>&

2、lt;p>　　本設(shè)計(jì)是950℃中溫井式電阻爐的設(shè)計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)率為90kg/h。首先選擇15CrMo閥座的熱處理工藝，選擇其中的正火和低溫回火，分析其工藝特點(diǎn)，畫出工藝曲線，然后通過合理的選擇爐體材料和估算爐襯厚度，校核爐襯厚度以及表面溫度來確定爐體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用熱平衡計(jì)算法確定爐子的加熱功率，分析蓄熱散熱，估算空爐升溫時(shí)間等，最后根據(jù)爐子的技術(shù)參數(shù)合理的選擇電熱元件，并分析其接線方式和布置方法，完成整個(gè)爐子的設(shè)計(jì)。</p>

3、<p>　　關(guān)鍵詞：中溫井式電阻爐，熱處理，熱流密度，散熱損失</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　15CrMo閥座的熱處理工藝設(shè)計(jì)················&

4、#183;·························03</p><p>　　2.爐型的選擇·····

5、83;····································&

6、#183;················04</p><p>　　3.確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸··············

7、;····································

8、83;04</p><p>　　4.爐襯材料的確定和厚度估算·····························

9、3;···············05</p><p>　　5.爐襯厚度的校核···············

10、3;····································&#

11、183;··06</p><p>　　6.砌體平均表面積計(jì)算····························

12、·······················08</p><p>　　7.計(jì)算爐子功率········&

13、#183;····································

14、;············09</p><p>　　8.爐子熱效率計(jì)算···················

15、;···································13</p&

16、gt;<p>　　9.爐子空載功率計(jì)算································&#

17、183;···················13</p><p>　　10.空爐升溫時(shí)間計(jì)算···········

18、····································

19、3;····13</p><p>　　11.功率的分配與接線··························&#

20、183;·························16</p><p>　　12.電熱元件材料選擇及計(jì)算····

21、83;····································&

22、#183;····16</p><p>　　13.爐子技術(shù)指標(biāo)··························&

23、#183;·····························19</p><p>　　14.編制使用說明書·

24、····································

25、3;················19</p><p>　　15.參考文獻(xiàn)···············

26、····································

27、3;········19</p><p>　　16.致謝·······················&#

28、183;····································

29、····20</p><p>　　1 15CrMo閥座的熱處理工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　多品種，小批量，工件最長(zhǎng)2.1m，周期式長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)。熱處理最高工作溫度為950℃。</p><p>　　爐外壁溫度小于60℃。</p><p>　　1.1 15CrMo閥座加工制造工藝流程</p>

30、<p>　　正火→機(jī)械加工→滲碳→淬火→回火→檢驗(yàn)→成品</p><p>　　1.2 正火和回火的熱處理參數(shù)</p><p>　　1.3 熱處理工藝曲線</p><p>　　1.4 常見熱處理缺陷</p><p>　　過燒：由于加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件報(bào)廢。</p><p>　　

31、裂紋 淬火溫度過高，回火不足可造成工件殘余應(yīng)力大，即使在合理的磨削條件下也可能產(chǎn)生磨削裂紋。</p><p>　　變形（翹曲）：各道冷、熱加工工序都應(yīng)盡量減少引入的應(yīng)力，在磨削之間插入人工時(shí)效。另外，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)磨削過程中應(yīng)經(jīng)常翻面，注意使零件正反兩面的磨削量基本一致，使兩面引入的磨削應(yīng)力盡量達(dá)到平衡</p><p><b>　　2 爐型的選擇</b></p&g

32、t;<p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，所以選擇950℃的中溫井式電阻爐合適。</p><p>　　3 確定爐體材料和結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.1 爐底面積的確定</p><p>　　因?yàn)闆]有定型的產(chǎn)品，故不能用實(shí)際排料法確定爐底面積，只能用加熱能力指標(biāo)法。</p><p>　　已知生產(chǎn)率g=90kg/h</p>&

33、lt;p>　　查《熱處理設(shè)備》表3—10中單位面積生產(chǎn)率80~120kg/h·㎡，取go為100kg/h·㎡。</p><p>　　所以爐底有效面積F1= g/go=90/100=0.9㎡</p><p>　　由于爐底有效面積與爐底實(shí)際面積存在關(guān)系式</p><p>　　F1 / F=0.75~0.85</p><p&g

34、t;　　井式電阻爐取上限0.85</p><p>　　所以有F= F1 / 0.85=0.9/0.85=1.059㎡</p><p>　　3.2 爐底直徑的確定</p><p><b>　　由公式</b></p><p><b>　　3.3膛高度的確定</b></p><p>

35、;　　由于加熱工件最長(zhǎng)2.1m，而且一般工件距離爐頂和爐底在150mm~250mm。</p><p><b>　　則爐膛深度</b></p><p>　　H=2100+250+250=2600mm</p><p>　　3.4 爐襯材料的確定和厚度的估算</p><p>　　爐襯由耐火層和保溫層組成，對(duì)于950℃的井式電阻

36、爐，用一層輕質(zhì)粘土磚作為耐火層，硅藻土磚及蛭石粉作為保溫層，在爐膛底部應(yīng)鋪粘土磚，如下：</p><p>　　爐墻采用一層QN－1.0輕質(zhì)粘土扇形磚+80mm普通硅酸鋁纖維氈+B級(jí)硅藻土磚；</p><p>　　爐底采用二層QN－1..0輕質(zhì)粘土磚+80mm普通硅酸鋁纖維氈+蛭石粉和B級(jí)硅藻土復(fù)合爐襯。</p><p>　　爐蓋采用一層QN－1.0輕質(zhì)粘土磚+80m

37、m普通硅酸鋁纖維氈+蛭石粉</p><p>　　3.4.1 爐墻厚度的估算</p><p>　　3.4.2 爐底厚度的估算</p><p>　　3.4.3爐蓋厚度的估算</p><p>　　3.5 爐襯厚度的校核</p><p>　　3.5.1爐墻厚度的校核</p><p>　　3.5.2 爐頂

38、蓋厚度的校核</p><p>　　3.5.3 爐底厚度的校核</p><p>　　4 砌體平均表面積的計(jì)算</p><p>　　4.1 爐頂平均面積的計(jì)算</p><p>　　4.2 爐墻平均面積的計(jì)算</p><p>　　4.3 爐底平均面積的計(jì)算</p><p>　　5 電阻爐功率的計(jì)算&l

39、t;/p><p>　　一般爐子的能量消耗項(xiàng)包括加熱工件吸收的能量Q件（有效熱）、通過爐壁的散熱損失Q散（空載時(shí)主要能量消耗項(xiàng)，無效熱損失）、砌體畜熱量Q畜（周期作業(yè)爐主要能量消耗項(xiàng)，無效熱損失）、爐內(nèi)氣體外溢和對(duì)外輻射熱損失Q溢和Q輻（與爐子溫度和操作狀態(tài)有關(guān)，對(duì)高溫爐應(yīng)特別注意該兩項(xiàng)能量損失，對(duì)敞開爐蓋的爐子，此項(xiàng)熱損失有時(shí)成為能量消耗的重要項(xiàng)目）、可控氣體的熱損失Q控（決定于氣體消耗量，采用密封式自動(dòng)裝卸料的爐子

40、，其氣體消耗量和熱能損失可大為降低）、爐內(nèi)金屬構(gòu)件直接伸出爐外的短路損失Q短（在機(jī)械化作業(yè)爐子上較為嚴(yán)重，對(duì)于一般爐子應(yīng)盡量避免）、料盤和夾具等反復(fù)加熱和冷卻帶來的輔助構(gòu)件熱損失Q輔（有時(shí)也占較大比例，在可能的情況下應(yīng)盡可能減少輔助構(gòu)件或不使輔助構(gòu)件反復(fù)拉出爐外）、供電設(shè)備和導(dǎo)線引起的電能消耗Q供（對(duì)直接從電網(wǎng)供電的爐子一般較小，僅占總損失的1％，但對(duì)經(jīng)變壓器降壓、低壓大電流供電的爐子，此項(xiàng)電能消耗也很可觀），此外，爐子能量消耗還有許多

41、項(xiàng)目難于計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)歸入其它熱損失Q它項(xiàng)目中。 </p><p>　　根據(jù)熱平衡計(jì)算爐子功率</p><p>　　5.1 加熱工件所需的熱量Q熱</p><p>　　查表可知，工件在950℃和20℃時(shí)的比熱容為</p><p>　　Ct=0.636 kJ/(kg·℃) Co=0.486 kJ/(kg·℃)</

42、p><p>　　5.2 加熱輔助構(gòu)件所需熱量</p><p>　　輔助工件包括料框、爐底板、工具夾支撐架、料盤等，相對(duì)較小，忽略不計(jì)。</p><p>　　5.3 加熱控制氣體所需的熱量</p><p>　　5.4 通過爐襯的散熱量損失Q散</p><p>　　由于爐子側(cè)壁和前后墻爐襯結(jié)構(gòu)相似，故作統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理。</

43、p><p>　　5.4.1 計(jì)算爐墻散熱損失</p><p>　　5.4.2 計(jì)算爐蓋散熱損失</p><p>　　5.4.3 計(jì)算爐底散熱損失</p><p>　　5.4.4 整個(gè)爐體的散熱損失</p><p>　　5.5 開啟爐蓋的輻射損失</p><p>　　設(shè)裝出料時(shí)間為每小時(shí)6分鐘，則其開

44、啟率δt </p><p><b>　　根據(jù)公式</b></p><p>　　由于正常工作，爐蓋開啟時(shí)，爐口幾乎全部打開</p><p><b>　　則開啟面積F</b></p><p>　　由于爐蓋開啟時(shí)，輻射口為圓形，且H與R之比為0.20/0.58=0.34,</p><p

45、>　　爐蓋開啟高度與爐墻厚度之比為0.20/0.34=0.65</p><p>　　查《熱加工基礎(chǔ)》輻射曲線知</p><p><b>　　Φ=0.7</b></p><p><b>　　所以有</b></p><p>　　5.6 開啟爐蓋溢氣熱損失</p><p>　

46、　溢出氣體所帶出的熱量與氣體的密度和比熱容等有關(guān)，而且還與爐膛加熱溫度相關(guān)，根據(jù)井式電阻爐氣體熱損失經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算。</p><p><b>　　由溢氣熱損失公式得</b></p><p>　　5.7 其他熱損失的計(jì)算</p><p>　　其他熱損失之和約為上述熱損失之和的10%~20%</p><p><b>

47、;　　故有</b></p><p>　　5.8 熱量總支出的計(jì)算</p><p>　　5.9 爐子安裝功率的計(jì)算</p><p>　　查《熱處理手冊(cè)》可知</p><p>　　與標(biāo)準(zhǔn)的中溫井式電阻爐比較，取爐子功率為65kw。</p><p>　　6 爐子熱效率的計(jì)算</p><p>

48、;　　6.1 正常工作時(shí)的效率</p><p>　　6.2 在保溫階段，關(guān)閉爐蓋時(shí)的效率</p><p>　　7 爐子空載功率的計(jì)算</p><p>　　8 爐子空溫時(shí)間計(jì)算</p><p>　　由于所設(shè)計(jì)爐子的耐火層結(jié)構(gòu)相似，而保溫層蓄熱較少，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將爐墻及爐頂按相同數(shù)據(jù)計(jì)算，爐底由于砌磚方法不同，進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，因升溫時(shí)爐底板也隨爐升

49、溫，也要計(jì)算在內(nèi)。</p><p>　　8.1 爐墻及爐頂蓄熱計(jì)算</p><p>　　=2 ×[1.509×（39×0.067 + 0.135）×0.115]＝0.954</p><p>　　=2 ×[1.509×（39×0.067 + 0.135）×0.115]＝0.954</

50、p><p>　　=0.97×(1.509+0.276)×0.115＝0.199</p><p>　　=2×[(1.509+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.080]＝0.714</p><p>　　＝２×[(1.509+0.115)×(39×0.067+0.135

51、)×0.080]=0.714</p><p>　　＝1.071×(1.509 +0.276)×0.08＝0.153</p><p>　?。?×[(1.059+0.115)×(39×0.067+0.135)×0.115]＝1.026</p><p>　　＝2×[(1.059+0.115)&

52、#215;(39×0.067+0.135)×0.115]＝1.026</p><p>　　=2.360×1.490×0.115＝0.404</p><p><b>　　所以根據(jù)公式可知</b></p><p>　　Q蓄＝V粘ρ粘c粘（t粘 – t0）+ V纖ρ纖c纖（t纖 – t0）+ V硅ρ硅c硅（t硅

53、 – t0）</p><p><b>　　又因?yàn)?lt;/b></p><p><b>　　所以根據(jù)公式可得</b></p><p>　　Q蓄1＝（ + + ）ρ黏c黏（t黏 – t0）</p><p>　　+ （ + + ）ρ纖c纖（t纖 – t0）</p><p>　　+

54、 （ + + ）ρ硅c硅（t硅 – t0）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　8.2 爐底蓄熱的計(jì)算</p><p>　?。絒(0.115×0.065+0.113×0.067)×6+0.042×2×0.113]×1.430</p><p

55、><b>　　＝0.143m3</b></p><p>　?。?.601×1.079×0.05＝0.086m3</p><p>　?。?.601×1.079×0.182＝0.314m3</p><p><b>　　已知</b></p><p><b

56、>　　所以根據(jù)公式可得</b></p><p>　?。?.143×1.065×103×1.08×(867.1– 20.0)+0.086×0.25×103×1.00×(674.8 – 20.0)＋0.314×0.550×103×0.920×(309.4－20.0)</p&g

57、t;<p><b>　　經(jīng)計(jì)算整理可知</b></p><p>　　=199389.05kJ</p><p>　　8.3 爐底板蓄熱的計(jì)算</p><p>　　查表得950℃和20℃時(shí)低合金鋼的比熱容分別為</p><p>　　對(duì)于一般周期作業(yè)爐，其空爐升溫時(shí)間在3~8小時(shí)均可，故本爐子設(shè)計(jì)符合要求。因計(jì)算

58、蓄熱時(shí)是按穩(wěn)定計(jì)算的，誤差大，時(shí)間偏長(zhǎng)，實(shí)際空爐升溫時(shí)間應(yīng)該在4小時(shí)以內(nèi)。</p><p>　　9 電熱元件功率的分配與接線</p><p>　　65kW的功率平均分配在爐膛兩側(cè)和爐底，組成三相接法接線。供電電壓為標(biāo)準(zhǔn)車間動(dòng)力電網(wǎng)380V。</p><p>　　對(duì)于爐膛布置電熱元件內(nèi)壁表面負(fù)荷，對(duì)于周期式作業(yè)爐，內(nèi)壁表面負(fù)荷應(yīng)在15 ～ 35kW/m2之間，常用為2

59、0 ～ 25kW/m2之間。</p><p><b>　　有</b></p><p>　　10 電熱元件材料的選擇及規(guī)格的計(jì)算</p><p>　　由于爐膛最高使用溫度為950℃，則選用0Cr25Al5合金作電熱元件，接線方式采用380V三相接法。</p><p>　　10.1 950℃時(shí)電熱元件的電阻率計(jì)算</p

60、><p>　　當(dāng)爐溫為950℃時(shí)，電熱元件溫度取1100℃，查附表1可知在20℃時(shí)電熱元件</p><p><b>　　的電阻率</b></p><p>　　10.2 確定電熱元件的表面功率</p><p>　　查附表可知,在950℃時(shí)</p><p>　　10.3 每組電熱元件功率</p>

61、;<p>　　由于采用三相接線法，所以每組電熱元件功率</p><p>　　10.4 每組電熱元件的端電壓</p><p>　　已知車間動(dòng)力網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)端電壓為380V，由于采用三相接線法，故每組電熱元件</p><p><b>　　端電壓為單相電壓</b></p><p>　　10.5 電熱元件直徑的選擇<

62、;/p><p><b>　　根據(jù)公式</b></p><p>　　為了保證工件能順利加熱的指定溫度，取d=5.0mm。</p><p>　　10.6 每組電熱元件長(zhǎng)度和重量</p><p>　　每組電熱元件的長(zhǎng)度可根據(jù)公式</p><p>　　每組電熱元件的重量可根據(jù)公式</p><

63、;p><b>　　查手冊(cè)可知</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　10.7 電熱元件的總長(zhǎng)度和總質(zhì)量</p><p><b>　　總長(zhǎng)度為</b></p><p><b>　　總質(zhì)量為</b></p>

64、<p>　　10.8 校核電熱元件的表面負(fù)荷</p><p><b>　　根據(jù)公式可知</b></p><p>　　10.9 電熱元件在爐膛內(nèi)的布置</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了使加熱更加均勻，將三組電熱元件分別分為6折，布置在</p><p><b>　　爐墻和爐底上</b>&

65、lt;/p><p><b>　　則有</b></p><p>　　布置電熱元件的爐壁長(zhǎng)度</p><p>　　絲狀電熱元件繞成螺旋狀，當(dāng)元件溫度高于1000℃時(shí)，查《熱處理設(shè)備》可知</p><p>　　螺旋直徑D=（4～6）d</p><p>　　取D=5d=25mm</p><

66、p>　　螺旋圈數(shù)N和螺距h分別為</p><p>　　按《熱處理設(shè)備》表3—17中要求h/D在2~4范圍，則上述3.5剛好符合要求，</p><p><b>　　設(shè)計(jì)合理。</b></p><p>　　根據(jù)上述計(jì)算，采用三相方式接線法，采用直徑為5mm的電熱元件重量較小，</p><p><b>　　成本

67、也較低。</b></p><p>　　電熱元件節(jié)距h在安裝時(shí)適當(dāng)調(diào)整，爐口和爐底部分增大功率，以保證工件的</p><p><b>　　受熱均勻。</b></p><p>　　11 爐子主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　額定功率：65kW 額定電壓：380V</p

68、><p>　　最高使用溫度：950℃ 生產(chǎn)率：90.00kg/h</p><p>　　相數(shù)：3 接線方法：Y</p><p>　　工作室有效尺寸：2600 ×1200×1200 出廠日期：2012.07.13</p><p>　　12 編制使

69、用說明書（略）</p><p><b>　　13參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 《熱處理手冊(cè)》 第三分冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1989</p><p>　　[2] 吉澤升，《熱處理爐》 ，哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999</p><p>　　[3] 劉孝曾，《熱處理爐及車間設(shè)備》 ，機(jī)械工業(yè)出版社，2001<

70、;/p><p>　　[4] 《熱處理設(shè)備及設(shè)計(jì)》 ，山東人民出版社，1979</p><p><b>　　14 致謝</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設(shè)計(jì)的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)