电阻炉计算例题

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/(m2.h)。 表1

故可求得炉底有效面积

F1?P160??1.33m2 P0120F1?0.75~0.85,取系数上限，得炉底F由于有效面积与炉底总面积存在关系式实际面积

F?F11.33??1.57m2 0.850.852. 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

L?F/0.5?1.57/0.5?1.772m

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0.5~0.9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+（230×1/2+2）=1741mm 宽 B=（120+2）×4+（65+2）+（40+2）×2+）（113+2）×2=869mm 高 H=（65+2）×9+37=640mm

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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=1500mm B效=700mm H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

3

轻质粘土砖+50mm密度为250kg/m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（67×3）mm+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）=2300mm B外=B+2×（115+50+115）=1430mm

H外=H+f+（115+80+115）+67×4+50+182=640+116+310+268+50+182=1566mm 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

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F顶内?2?R2?3.14?0.869?L??1.741?1.585m2 66F顶均?F顶内?F顶外?1.585?3.318?2.29m2

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)=2×0.640×（1.741+0.869）=3.341m2 F墙外=2H外 (L外+B外)=2×1.566×（2.300+1.430）=11.68m2

F墙均?F墙内?F墙外?3.341?11.68?6.25m2

3.炉底平均面积

F底内=B×L=0.869×1.741=1.51m2 F底外=B外×L外=1.430×2.300=3.36m2

F底均?F底内?F底外?1.51 3.36?2.23m2

五、计算炉子功率

1. 根据经验公式法计算炉子功率 由式

t1.55?0.50.9P安?C?升F（）

10000.51.8?1.55KW?h/m?C??，空炉升温时间假定为τ取式中系数C?30?????升

=4h，炉

温t=950℃，炉膛内壁面积

F壁=2×（1.741×0.640）+2×（0.869×0.64）+1.741×0.869+2×3.14×0.869×

60?×1.741=6.44m2 ?360所以

t1.55?0.50.9?0.50.9?950?P?C?F（）?30?4?6.44???升安1000?1000?1.55?74.1KW

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）

Q件?p（c件2t1-c件1t0）=160?（0.636?950-0.486?20）=95117kj/h

（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。

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根据式（1-15）

Q散?t1?tn?1 nsi?i?1?iFi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，t′2墙=780℃，t′3墙=485℃，t′4墙=60℃则

950?780?865℃， 耐火层s1的平均温度ts1均?2硅酸铝纤维层s2的平均温度

780?485ts2均??632.5℃，

2硅藻土砖层s3的平均温度

485?60ts3均??272.5℃，

2s1、s3层炉衬的热导率由附表3得

?1?0.29?0.256?10?3ts1均?0.29?0.256?10?3?865?0.511W/(m?℃) ?3?0.131?0.23?10?3ts3均?0.131?0.23?10?3?272.5?0.194W/(m?℃)

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

?2?0.129W/(m?℃)

当炉壳温度为60℃，室温为20℃时，由附表2经近似计算得

???12.11W/(m?℃)

①求热流

q墙?tg?ta950?20??730.4W/m2 0.1150.050.1151s1s2s31???????1?2?3??0.5110.1290.19412.11s10.115?788.6℃ 0.511②验算交界面上的温度t2墙、t3墙

t2墙?t1?q墙?1?950?730.4?t2墙?t2墙，788.6?780????1.1% ，t2墙780?＜5%，满足设计要求，不需要算。

t3墙?t2墙?q墙s20.05?788.6?730.4??497.8℃ λ20.12963

t3墙?t3墙，497.8?485????2.64% ，t3墙485?＜5%，也满足设计要求，不需要算。

③验算炉壳温度t4墙

t4墙?t3墙?q墙s3?3?497.8?730.4?0.115?64.9℃?70℃ 0.194满足一般热处理电阻炉表面温升＜50℃的要求。 ④计算炉墙散热损失

Q墙散 = q墙·F墙均 = 730.4×6.25=4562.5W 同理可以求得

t2顶 = 844.3℃，t3顶 = 562.6℃，t4顶=53℃，q顶 = 485.4W/m2 t2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 ⑶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）

TTQ辐?3.6?5.675F??t[(g)4?(a)4]

100100因为Tg = 950 + 273 = 1223K，Ta = 20 +273 = 293K，

由于正常工作时炉门开启高度为炉膛高度的一半，故

0.640

炉门开启面积F = B×H = 0.278m2 2=0.869× 2 炉门开启率δt = 6 60 = 0.1

由于炉门开启后，辐射口为矩形，且H 炉门开启高2与B之比为0.32/0.869 = 0.37，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Φ = 0.7，故

T)4?(a)4] Q辐= 5.675×3.6FδtΦ[(100100122342934)?()] = 5.675×3.6×0.278×0.1×0.7×[(100100 = 8877.75kJ/h ⑷开启炉门溢气热损失 溢气热损失由式（5-7）得

Tg Q溢 = qvaρaca(t,g?ta)δ

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