热处理电阻炉设计
一、设计任务
设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目，并绘出草图。 基本技术条件：
（1）用途：碳钢、低合金等的淬火、调质以及退火、正火； （2）工作：中小型零件，小批量多品种，最长0.8m； （3）最高工作温度为950℃； （4）炉外壁温度小于60℃. （5）生产率：105Kg/h。 设计计算的主要项目： （1）确定炉膛尺寸；
（2）选择炉衬材料及厚度，确定炉体外形尺寸； （3）用热平衡法计算炉子功率；
（4）选择和计算电热元件，确定其布置方法； （5）写出技术规范。
二、炉型选择
根据设计任务给出的生产的特点，选用中温（650~1000℃）箱式热处理电阻炉，炉膛不通保护气氛，为空气介质。
三、确定炉膛尺寸 1.理论确定炉膛尺寸 （1）确定炉底总面积
炉底总面积的确定方法有两种：实际排料法和加热能力指标法。本设计用加热能力指标法来确定炉底面积。已知炉子生产效率P=105Kg/h。按教材表5-1选择适用于淬火、正火的一般箱式炉，其单位炉底面积生产率P0=100~120Kg/（m2·h）。因此，炉子的炉底有效面积（即可以摆放工件的实际面积）F1可按下式计算：
F1?P105??1m2 P0105通常炉底有效面积和炉底总面积之比值在0.75~0.85之间选择。炉子小取值小值；炉子大取值大值。本设计取中值0.8，则炉底总面积F为：
F?F11??1.25m2 0.80.8L在3/2~2之间选择。考虑到炉子使用时装、出料的方便，本设B（2）确定炉膛的长度和宽度 炉底长度和宽度之比计取
L?2,则炉子炉底长度和宽度分别为： BL?B?
F1.25??1.581m 0.50.5L1.581??0.791m 22（3）确定炉膛高度 炉膛高度和宽度之比
H在0.5~0.9之间选择，大炉子取小值，小炉子取大值。本设计B取中值0.7，则炉膛高度为：
H?0.7B?0.7?0.791?0.554m
2.确定实际炉膛尺寸
为方便砌筑炉子，需要根据标准砖尺寸（230×113×65mm），并考虑砌缝宽度（砌砖时两块砖之间的宽度2mm），上下砖体应互相错开以及在炉底方面布置电热元件等要求，进一步确定炉膛尺寸。依据理论计算的炉膛长度、宽度和高度，进一步确定炉膛尺寸如下：
L?(230?2)?7?1624mm
B?(113?2)?3?(110?2)?4?793mm H?(65?2)?8?37?573mm
注意：实际确定的炉膛尺寸和理论计算的炉膛尺寸不要差别太大。 3.确定炉膛有效尺寸
为避免热处理工件与炉膛内壁、电热元件和放置电热元件的搁砖发生碰撞，应使工件与炉内壁保持一定的距离。工件应放置的炉膛的有效尺寸内。炉膛有效尺寸确定如下：
L效=1500mm B效=700mm H效=450mm
四、炉衬材料的选择及其厚度的确定
炉衬材料的选择及其厚度的计算应满足在稳定导热的条件下，炉壳温度小于60℃。由于炉子外壁和周围空气之间的传热有辐射和对流两种方式，因此辐射换热系数和对流换热系数之和统称为综合传热系数??。炉壳包括炉墙、炉顶和炉底。这三部分外壁对周围空气的综合传热系数不同（见教材附表2），所以三部分炉衬材料的选择及其厚度也不同，必须分别进行计算。
1.炉墙炉衬材料的选择及其厚度的计算
炉子的两边侧墙和前后墙可采用相同的炉衬结构，同时为简化计算，将炉门看作前墙的一部分。
设炉墙的炉衬结构如图所示，耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是60mm厚、密度为350Kg/m3的普通硅酸盐耐火纤维毡和230mm厚的A级硅藻土砖（耐火材料和保温材料的选择参照教材附表3和附表4）。这种炉衬结构在稳定导热条件下，是否满足墙外壁温度小于60℃，应首先求出热流密度，然后计算进行验证。
在炉墙内壁温度950℃、炉壳周围空气温度20℃的稳定导热条件下，通过炉墙向周围空气散热的热流密度为：
q??1950?20
S1S2S31????2?3??1）S1，S2，S3确定
S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的厚度（m）。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：
S1?113?2?115mm； S2?60mm； S3?230?2?232mm。
2）?1，?2，?3，??的确定
?1，?2，?3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和A级硅藻土砖的平均热导率
（W/m·℃）；??是炉壳对周围空气的综合传热系数（W/m·℃）。
要求出?1，?2，?3和??，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2?850?C，硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度t3?620?C，炉墙外壳温度t4?55?C?60?C。如图所示：
? 求轻质粘土砖的平均热导率
查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：
'''?1?0.294?0.212?10?3tp(tp为平均温度）
't1?t2950?850?1?0.294?0.212?10()?0.294?0.212?10?3()
22?3=0.485W/m·℃
? 求硅酸盐耐火纤维毡的平均热导率
''t2?t3850?620硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp???735?C。根据教材附表4查
22得，密度为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m·℃
和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：
0.122?0.121?2?0.121???2?0.121W/m??C
1000?700735?700? 求硅藻土砖的平均导热率
查教材附表3，可得A级硅藻土砖的平均热导率为
?3?0.105?0.23?10?3tp
''t3?t4620?55?3?0.105?0.23?10?()?0.105?0.23?10?3?()?0.183W/m??C22?3
? 求炉墙外壳对周围空气的综合传热系数
当炉墙外壳温度为55℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：
???11.81W/m2??C
3)求热流密度
将以上数据代入求热炉密度的表达式中，可求得热流密度为：
q?950?20930??445.8W/m2
0.1150.060.23212.086???0.4850.1210.18311.814）验算各界面和炉墙外壳温度是否满足设计要求
? 轻质粘土砖和硅酸盐耐火材料纤维毡之间的界面温度t2为：
t2?t1?qS1?1?950?445.8?0.115?844.3?C 0.485't2?t2844.3?850相对误差为??0.67%?5%，满足设计要求，不必重算。 't2850? 硅酸盐耐火纤维毡和硅藻土砖之间的界面温度为：
t3?t2?qS2?2?844.3?445.8?0.060?623.2?C; 0.121't3?t3623.2?620相对误差为??0.52%?5%，满足设计要求，不必重算。 't3620? 炉墙外壳温度为：
t4?t3?qS3?3?623.2?445.8?0.232?58?C?60?C； 0.183因炉墙外壳温度小于60℃，故炉墙炉衬材料及其厚度的选择满足设计要求。若实际计算后，外壳温度大于60℃，必须重新选择炉墙炉衬材料及其厚度。
2.炉顶炉衬材料的选择及其厚度的计算
设炉顶的炉衬结构为：耐火层是113mm厚的轻质粘土砖（QN—0.8），保温层是厚度
3
60mm、密度350Kg/m的普通硅酸盐耐火纤维毡和厚度113mm的膨胀珍珠岩。
在炉顶周围内壁温度为950℃、炉壳周围温度20℃的稳定导热条件下，通过炉顶向周围空气散热的热流密度为：
q??1950?20
S1S2S31????2?3??
1）S1，S2，S3确定
S1，S2，S3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的厚度（m）。 若考虑它们之间2mm的砌缝宽度，则S1，S2，S3得厚度为：
S1?113?2?115mm； S2?60mm； S3?113?2?115mm。
2）?1，?2，?3，??的确定
?1，?2，?3分别是轻质粘土砖、硅酸盐耐火纤维毡和膨胀珍珠岩的平均热导率
（W/m·℃）；??是炉顶外壳对周围空气的综合传热系数（W/m·℃）。要求出?1，?2，?3和??，首先必须假定各层界面温度和炉壳温度。设轻质粘土砖和硅酸盐耐火纤维毡之间的界面温度t2?860?C，硅酸盐耐火纤维和平膨胀珍珠岩之间的界面温度t3?580?C，炉顶外壳温度t4?55?C?60?C。
?
'''?1的确定
查教材附表3，可得轻质粘土砖（QN—0.8）的平均导热率为：
?1?0.294?0.212?10?3tp(tp为平均温度）
't1?t2950?860?1?0.294?0.212?10()?0.294?0.212?10?3()
22?3=0.486W/m·℃
?
?2的确定
''t2?t3860?580硅酸盐耐火纤维毡的平均温度tp???720?C。根据教材附表4查
22得，密度为350Kg/m3普通硅酸盐耐火纤维毡700℃、1000℃的热导率分别为0.121W/m·℃
和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃温度范围内，可近似认为其平均导热率与温度成线性关系。则有：
?
0.122?0.121?2?0.121???2?0.121W/m??C
1000?700720?700?3的确定
查教材附表3，可得膨胀珍珠岩的平均热导率为
?3?0.04?0.22?10?3tp
''t3?t4580?55?3?0.04?0.22?10?()?0.04?0.22?10?3?()
22?3=1.10W/m·℃
?
??的确定
当炉顶外壳温度为55℃，周围空气为20℃时，由教材附表2可查得，外壳为钢板或涂灰漆表面时，对周围空气的综合传热系数为：
???13.52W/m2??C
3)热流密度的计算