1、箱式電阻爐設計說明書1、 設計任務設計一箱式電阻爐，要求如下：1）額定溫度為1300 C；2）升溫速率為20 C /分鐘；3）爐膛有效尺寸 長x寬x高 不超過500x 300x 300。2、設計說明2.1電爐電熱材料的選擇本次設計要求的額定溫度為 1300C，由于一般電熱體的溫度要比爐膛的溫 度高50 100C,因此所選用的電熱材料的使用溫度應至少為 1350E以上。滿足 這一基本要求的常用電熱體有鉬棒、鎢棒、鐵鉻鋁合金、硅碳棒、硅鉬棒、石墨 和碳棒。鉬棒硬而堅韌具有優異的力學性能，而且其熔點高且在高溫下具有較大的持 久強度，其在真空爐中使用溫度高達1650C,鉬還對無機酸具有突出的耐腐蝕性能

2、；但鉬是一種易氧化的金屬，在空氣中300C時鉬便會被氧化為三氧化鉬，600 r時則會形成黑色的氧化層。由于本次設計的是一個空氣電阻爐，因此鉬并 不很符合本次設計對電熱體的要求。鎢棒的熔點較鉬來講更高，在真空爐中的使用溫度高達 20002500r，而 且相較于鉬也更為廉價；但鎢棒在空氣中高溫下化學性質也不穩定，會與氧氣發 生劇烈反應生成三氧化鎢，同時高溫下鎢還會與耐火材料發生反應。 因此鎢棒也 不適用與本次設計。鐵鉻鋁合金被加熱后其表面生成一層氧化鋁起到了保護作用，其在空氣中的使用溫度為1300-1400r，且具有電阻系數大，電阻溫度系數小，表面容許負 荷高，比密度小，高率穩定，價格低廉等諸多優

3、點；但其強度不高，使用壽命相 對較短，且過燒后不可回收。總體來講鐵鉻鋁合金基本滿足本次設計的要求，是備選的電熱體之一。硅碳棒在空氣中的使用溫度為 1350-1450r，其能承受較高的加熱溫度且 對化學試劑穩定性強，各種酸蒸汽對硅碳棒均不起化學作用， 此外硅碳棒的使用 壽命也較長間斷使用時間可達1000h，其價格也比較低廉；但其易于和一些金屬 氧化物反應對其結構產生破壞作用。硅碳棒的綜合性能優異且滿足本次實際要求 也是備選的電熱體材料之一。硅鉬棒在空氣中連續使用溫度為 1650r，其電阻恒定，抗熱沖擊性能強且 抗拉和抗彎強度較好，使用壽命較其它非貴重金屬材料制成的發熱體長；但其沖擊強度低，長期在

4、400- 700 r溫度范圍內使用時會發生低溫氧化而被破壞，而 且其價格較為昂貴。總體來講硅鉬棒也能滿足本次設計對電熱體材料的要求。石墨和碳在真空和有保護氣氛的情況下使用溫度均較高，都達到了2000 r以上；但其在空氣中均易被氧化，因此兩種材料均不符合本次設計的要求。綜上所述，能滿足本次設計要求的常用電熱體只有鐵鉻鋁合金、硅碳棒和硅 鉬棒。其中鐵鉻鋁合金使用溫度相對較低，表面負荷功率較小，且脆性大，在1300r下極易因燒損而被破壞，因此也基本可以排除以鐵格律合金為電熱體的選 擇。因此最終選用的電熱材料應從硅碳棒和硅鉬棒中選擇。考慮到經濟因素和實際設計要求，硅鉬棒的價格較為昂貴且其實際使用溫度遠

5、大于所需溫度，在本次采用硅鉬棒既不經濟也是對其高溫性能的一種浪費。因此最終選擇的電熱體材料為硅碳棒。2.2爐膛材料的選擇耐火材料的選擇耐火材料可分為普通耐火材料、輕質耐火材料和特種耐火材料。普通耐火材料的使用溫度普遍較高，能較好的滿足本次對最高溫度的要求； 但這種材料的密度相對較大，使用中蓄熱量較大，同時本次設計要求的升溫速率 又很大。因此采用普通耐火材料所需的功率較高，而電爐的尺寸有一定限制過大 的功率可能引起電熱體排布不下的情況產生。資料顯示設計使用溫度大于 1200 r的電爐若采用普通耐火材料時為減少蓄熱一般需要采用三層材料。因此采用普通耐火材料設計的電爐結構復雜， 蓄熱大，所需功率高并

6、不能很好的滿足本 次設計要求。特種耐火材料一般價格昂貴而且都有其專門的用途，本次設計的為一個普通 的電阻爐，并不適合采用特種耐火材料。輕質耐火材料密度小、蓄熱量較小，因此升溫時所需的最大功率較小；若采 用傳統輕質耐火材料，一般仍需雙層結構以減小蓄熱。能滿足本次設計基本要求 的傳統輕質耐火材料有輕質粘土磚、輕質硅磚、輕質高鋁磚。耐火纖維材料是一 種新型的輕質耐火隔熱材料其密度極小、耐火度高、蓄熱量小，且可同時充當耐火和保溫材料。因此使用該種材料所制造的電爐只需單層材料，但這種材料的價格往往比較貴，能滿足本次設計基本要求的纖維耐火材料有氧化鋁纖維、硅酸鋁纖維。從以上分析可以看出，傳統的輕質耐火材料

7、和纖維輕質耐火材料各有利弊且 均可用于本次設計。因此本次設計將分別采用傳統的輕質耐火材料和新型的纖維 耐火材料作為爐襯材料進行設計，并對其進行比較。(1) 傳統輕質耐火材料輕質粘土磚的密度相對較小，因此蓄熱量相對較小，而且其熱穩定性也較好； 但其使用溫度較低，允許最高的使用溫度在 13oor 14oor之間，只是剛剛能 夠滿足要求，并不適于做內層的耐火材料。輕質硅磚使用溫度高在1500r左右；但且其密度在三種待選的輕質耐火材料 中最高，不利于電爐功率的降低，而且其熱穩定性極差，不適合砌筑間歇性爐， 因此硅磚并不能滿足本次設計的要求。高鋁磚使用溫度在14oor 15oor之間，抗化學侵蝕性強；但

8、其密度較大， 熱導率較高，且熱穩定性也較差。綜合考慮只有輕質高鋁磚能夠基本滿足本次設計對溫度和升溫速率的要求， 因此最終選用的為容重為1.02的輕質高鋁磚，其密度在所有高鋁磚相對較小且 使用溫度較高達到14oor。其主要性能參數表1所示：表1輕質高鋁磚性能參數材料名稱密度p (kg/ m3)允許使用溫度(C)平均比熱容Cp【kJ/(kg. r)】導熱系數入 【W/(m. r )】尺寸 長X寬X高(mm)輕質高鋁 磚1020140030.84+0.23 X 10- t0.66+0.08 X10-3t230 X13 X55(2) 纖維質輕質耐火材料氧化鋁纖維、硅酸鋁同屬輕質耐火材料，若采用此種耐火

9、材料則電爐不再需 要保溫層，整個電爐只需一層材料，從而使電爐結構更為簡單，此外它們均具有 使用溫度較高、密度低、導熱系數低、蓄熱量小、耐熱沖擊、耐腐蝕使用壽命長， 抗拉強度大，彈性好，無毒等眾多優點；但這種材料價格一般較為昂貴。兩種纖 維相對比硅酸鋁纖維更為常見一些， 價格也相對較低，因此本次設計將硅酸鋁纖 維作為了待選耐火材料之一而放棄了氧化鋁纖維。其主要性能參數如表2所示:表2硅酸鋁纖維性能參數材料名稱密度p (kg/m )允許使用溫度(C)平均比熱容Cp【kJ/(kg. C)】導熱系數入 【W/(m. C )】尺寸長X寬X高(mm)硅酸鈣纖 維22014000.750.08+0.1 X

10、10-3t222隔熱材料的選擇若爐襯材料選擇了粘土磚則還需設計保溫層，需選用一種隔熱材料。對這種 保溫材料主要有以下幾個要求：1使用溫度高于界面的最高溫度，在本次設計中估計其界面溫度在1000C左右，因此所選隔熱材料的使用溫度應至少大于110002、密度盡可能的第，從而最大程度上的降低材料的蓄熱量，降低電爐功率。 就本次設計來講其密度最好能夠小于 500kg/m3。3、價格便宜。綜合以上幾點考慮，最終選擇的隔熱材料為容重為 0.4的輕質粘土磚。其密 度在所有輕質耐火磚中最小。該材料其它性能參數如表3所示：表3輕質粘土磚性能參數材料名稱密度p (kg/3) m )允許使用溫度(C)平均比熱容Cp

11、 【kJ/(kg. C )】導熱系數入【W/(m. C)】尺寸 長X寬X 高(mm輕質粘土 磚400115030.84+0.26 X 10- t0.092+0.16 X-310 t230 X 113X 65外層金屬材料的選擇本次設計的電爐中要用到金屬材料的位置主要有爐底板和電阻爐殼層。 可供 選擇的材料主要有普通鋼材和耐熱鋼兩種。普通鋼耐受的溫度較低，耐熱鋼雖能 長期耐受高溫但其價格相對較為昂貴考慮。考慮到本次設計的電阻爐的外表面得溫度較低， 達到穩態時也會將外表面溫 度控制在200C以下；此外本次設計的為一個間歇式的電阻爐，爐的外表面鋼材 不用長期耐受高溫，且在每個工作周期中爐子基本上都處于

12、非穩態的工作狀態 中，因此其所承受的實際溫度一般會小于測算出的穩態時的工作溫度。總體來講 本次設計對外層金屬耐受溫度沒有太大限制，普通鋼材既能滿足溫度要求。從經 濟角度考慮最終選擇普通鋼材作為爐體外層的金屬材料。2.3電爐尺寸的確定按照要求設計電爐的有效空間尺寸長X寬X高為450 X 250 X 200。爐頂結構的選擇常用的爐頂結構有平頂和拱頂兩種，拱頂爐散熱面大、建造較為復雜，但強度高，適用于考度較大的爐體結構。平頂爐散熱面小，強度相對較低。本次設計 爐膛的有效跨度為250mm屬于比較小的跨度，因此宜采用平頂結構。平頂爐的 爐頂厚度一般與爐襯厚度相同。其數值的確定在下部分內容中介紹。耐火保溫

13、磚厚度的確定為保證良好的操作環境，在電爐內壁溫度為1300C且達到穩態時，電爐外壁 溫度應小于200r。假設其外表面溫度為150C，環境溫度為20C。(1) 采用普通輕質耐火材料作為內襯材料若采用輕質高鋁磚作為耐火材料，輕質粘土磚磚為保溫層，為最大限度的降 低功率僅采用一層輕質高鋁磚。則已知的條件為爐內表面溫度 ti=1300C，爐外 表面溫度t3=170C，環境溫度t4=20C耐火層厚度S i=113mm,需要求出的未知 量為界面溫度t2以及保溫層厚度S 2,由穩態傳熱公式可得式1:錯誤！未找到引用源。式1式中入仁0.66+0.08X 10-3 (t1+t2) /2式 2入 2=0.092+

14、0.16X 10- (t2+t3) /2式 3錯誤！未找到引用源。式4將式2、3、4帶入式1中，并帶入已知條件可得：t2=962°C ； S 2=65.5mm。 考慮到輕質粘土磚的尺寸取S 2=65mm。.(2) 采用纖維質輕質耐火材料若采用硅酸鈣纖維則只需一層材料，無需保溫層，已知條件仍為爐內表面溫 度t1=1300C，爐外表面溫度t3=150C，環境溫度t4=20C所需求的為爐壁厚度S， 則：錯誤！未找到引用源。式5其中入 3=0.08+0.1 X 10-3 (t2+t3) /2式 6將式4、6帶入式5中求得爐壁S =78.2mm；考慮到所選硅酸鋁纖維板的規格最后選擇的厚度為80

15、mm。外層金屬材料的尺寸鋼板的厚度的確定主要從滿足強度要求考慮，本次設計中選取經驗數據，將鋼板的厚度設定為5mm。2.4功率計算空載時，電爐的功率則主要與爐襯材料的蓄熱有關。 鋼材的熱導率極大，且 厚度較薄，其內部溫度分布接近平直的直線，因此可忽略鋼板蓄熱，通過計算耐 火保溫材料的蓄熱量來對電爐的功率進行計算。2.41采用普通輕質耐火材料的電爐功率計算(1)爐襯質量的確定采用普通輕質耐火材料時爐襯結構表 4所示：表4采用普通輕質耐火材料時爐襯結構層數第一層第二層第三層材料輕質咼鋁磚容重丫 =1.02輕質粘土磚容重丫 =0.4普通鋼板厚度（mm）113655在電爐有效尺寸的基礎上，在爐寬度方向各

16、預留100mm用來做電熱體安裝的位置則所設計電爐各層的最終尺寸如表 6所示：表6爐襯各層尺寸長（mm）寬（mm）高（mm）有效尺寸450250200電熱體占位02000最內層尺寸450450200界面層尺寸676676426外層尺寸806806556輕質咼鋁磚體積 V-0.154m3質量m=157.26kg輕質粘土磚體積 V-0.167m3質量m=66.61kg（2）材料比熱容的確定假設電爐工作3小時，設在此段時間內，內層材料的平均溫度為520E，外層保溫材料的平均溫度為75C，則兩種材料的熱容、熱導率分別為：輕質高鋁磚：cpi=0.84+0.23X 10-3x 520=0.9596 kJ/（

17、kg. C） 3入 i=0.66+0.08x 10- x 520=0.7016 W/（m. C）輕質粘土磚：®2=0.84+0.26X 10-3x 75=0.8595 kJ/（kg. C）入 2=0.092+0.16X 10-3X 75=0.7016 W/（m. C）（3）材料的分層兩種磚的導溫系數計算如下：錯誤！未找到引用源。（7）錯誤！未找到引用源。（8）設把輕質高鋁磚分為5層，貝錯誤！未找到引用源。（9）錯誤！未找到引用源。（10）由此可得輕質粘土磚的的層數：錯誤！未找到引用源。（11）輕質粘土磚層數=0.065/錯誤！未找到引用源。 須 層 計算不同錯誤！未找到引用源。時各層

18、溫度如表7所示:表7輕質磚爐襯中爐溫分布時間輕質高鋁磚輕質粘土磚空氣T數小時（h）0 xl仏x124 x134 x144 x154 x114 x22 4x234 x244 x200.00202020202020202020202010.101392020202020202020202020.202587920202020202020202030.3037613950202020202020202040.4049521379352020202020202050.49614287124502720202020202060.59733369168763524202020202070.69851451

19、2221025027222020202080.799705372761366536242120202090.89108962333617086442822202020100.991208713397211107573324212020111.091300802462252134704127222020121.191300881527298161874932242120131.2913009145893441931055936262220141.3913009456293912241267043292320151.4813009646684272591478550332420161.581300

20、9846954632871729959372720171.68130099872449131719311568432920181.781300101274452134221613079483120191.881300102276654336823614889553420201.9813001033783567390258163101623820212.0813001041800586413276180112694120222.1813001050814606431296194125774520232.2813001057828623451313210135854820242.381300106

21、4840640468331224148925220252.47130010708526544853462391581005620262.57130010768626695003622521701076020272.67130010818726815153762661791156320282.77130010868816945283912781901216720292.87130010908907055424032902001297120302.97130010958977165544163012101357420313.07130010999067265664273132181427820各層

22、平均溫度如表8所示，由此可得在整個過程中，輕質高鋁磚的平均溫度 為5223C, (522.3-520) /522.3=0.44%,即其與假設溫度相差為 0.44%;輕質粘 土磚層的平均溫度為 744C。(75-74.4) /74.4=0.81%,即其與假設溫度相差為 0.81%，假設溫度與實際均溫相差均小于 1%,因此所假設溫度是符合要求的。根據式(12)可計算出每層材料各階段的功率，其結果如表8所示N=m X cp X錯誤！未找到引用源。t/錯誤！未找到引用源。(12)表8輕質磚爐襯的功率層數時間(h)輕質高鋁磚層均溫(C)輕質粘土磚層均溫(C)輕質高鋁磚層功率(kw)輕質粘土磚層功率(kw

23、)總功率(kw)00.020.020.010.131.920.04.430.004.4320.255.620.08.910.008.9130.385.320.011.220.0011.2240.4120.920.013.580.0013.5850.5161.020.015.430.0015.4360.6205.220.017.200.0017.2070.7252.720.518.720.0718.7980.8303.321.220.170.1120.2890.9356.422.721.490.2421.73101.0412.024.622.770.3123.08111.1467.027.622

24、.860.4723.33121.2512.131.218.970.5719.54131.3548.436.015.410.7516.15141.4580.441.413.690.8614.55151.5608.247.912.001.0413.04161.6633.155.210.781.1711.95171.7655.363.69.681.3311.00181.8675.472.28.821.3810.20191.9693.681.58.031.509.53202.0710.490.87.401.508.90212.1725.7100.56.811.578.38222.2739.9110.0

25、6.331.537.86232.3753.1119.75.871.577.44242.4765.3128.95.491.517.00252.5776.7138.25.121.526.65262.6787.4147.14.821.456.27272.7797.5155.94.521.455.96282.8806.9164.24.271.375.64292.9815.7172.44.011.365.37303.0824.1180.13.801.285.08313.1832.0187.73.581.264.84平均值522.374.4從表中可以看出最大理論功率為 N計=23.33kw,考慮到爐子的安

26、全問題和功 率儲備，實際功率N實=KN計，對于本次設計取K為1.3；貝N 實=1.3X 23.33=30kw。（13）2.42采用硅酸鋁纖維材料的電爐功率計算（1）爐襯質量確定采用硅酸鋁纖維時爐襯的結構，體積及質量如表9、表10所示：表9采用硅酸鋁纖維為耐火隔熱材料時爐襯結構層數第一層第二層材料硅酸鋁纖維Y =0.22普通鋼板厚度（mm）805表10采用硅酸鋁纖維時爐襯的尺寸長（mm）寬（mm）高（mm）有效尺寸450250200電熱體占位02000最內層尺寸450450200外層尺寸610610360硅酸鋁纖維板體積 V=0.093m 3 質量m=20.56kg(2)材料的分層及功率的計算由

27、剛才以輕質耐火材料為爐襯時的功率計算，可以發現最大功率出現在升溫 過程當中，因此本次只計算升溫過程中的功率。 設在升溫時間內，爐襯材料的平 均溫度為320C，其則熱導率為：3入 1=00.08+0.1 X 10- X 320=0.112 W/(m. °C)其導溫系數計算如下：錯誤！未找到引用源。設把硅酸鋁纖維板分為6層，貝錯誤！未找到引用源。(9)錯誤！未找到引用源。(10)計算不同錯誤！未找到引用源。時各層溫度如表11所示：根據差分法可計算出爐襯內的溫度分布，由表可得出此段時間內的平均內溫 度為319.46C，與假設溫度相差為0.169%，相差較小假設比較合理。在由式12可計算出各

28、時間段得功率，其結果也直接列于表11:表11硅酸鋁纖維爐襯中的溫分布及其功率T數時間(h)0A x1 A x2A x3A x4 A x5A x6 A x空 氣平均 溫度(C)功 率00.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002020.0020.410.0463.6520.0020.0020.0020.0020.0020.00023.64520.920.07107.3041.8320.0020.0020.0020.0020.00030.91021.130.11150.9563.6530.9120.0020.0020.0020.00040.01321.340.1

29、5194.6090.9341.8325.4620.0020.0020.00050.92521.550.18238.25118.2158.1930.9122.7320.0020.00063.20221.660.22281.90148.2274.5640.4625.4621.3620.00076.84921.870.25325.56178.2394.3450.0130.9122.7320.68091.56321.980.29369.21209.95114.1262.6336.3725.8021.360107.36622.090.33412.86241.66136.2975.2544.2128.87

30、22.900124.037122.100.36456.51274.57158.4590.2552.0633.5624.430141.56822.2110.40500.16307.48182.41105.2661.9038.2426.780159.796120.44543.81341.29206.37122.1671.7544.3429.1220178.732.35122.430.47587.46375.09231.72139.0683.2550.4432.170198.232122.440.51631.11409.59257.07157.4994.7557.7135.220218.309110

31、7.622.550.55674.76444.09283.54175.91064.9838.850238.8251120.422.660.58718.41479.15310.00195.57573.2342.490259.8101134.422.670.62762.06514.21337.36215.22081.4746.610281.1751148.322.780.65805.71549.71364.72235.88590.5050.730302.9001163.122.790.69849.37585.22392.79256.53999.5455.250324.9332178.0109.222

32、.700.73893.02621.08420.87277.994259.770347.2772193.6118.922.810.76936.67656.94449.54299.451064.610369.8502209.1129.122.820.80980.32693.10478.20321.578169.450392.67321023.9225.3139.322.830.847729.26507.34343.694274.550415.70621067.6241.5149.922.840.872765.65536.47366.340579.660438.9382258.1160.522.95

33、0.911111.27802.05566.00388.994884.970462.31021154.9274.7171.522.960.952838.63595.52412.078690.290485.86221198.5291.8182.522.970.987875.22625.35435.151495.780509.54421242.2308.8193.8101.222.981.022911.96655.18458.584070533.35521285.8326.1205.0106.922.991.057948.70685.27482.019600557.27731329.5343.521

34、6.5112.522901 092-985 57715 36505 73443-q581 29831300.01022.4361.1228.0118.222.211.1304745.65529.454370599.31331300.01022.8378.7239.7124.021.721.1603775.94553.394020613.77931300.01037.9396.5251.3129.821.731.2007788.11577.345850627.713341.241300.001044.06807.66592.33414.36263.20135.6920639.911.513130

35、0.01053.8427.7275.0141.621.351.2703818.19611.017200651.109由上表它可以看出，其最大功率N計=2.98kw，同樣取安全系數K=1.3，則實際功率為 N 實=1.3 X 2.98=3.9kw。2.43兩種方案的比較以及最終爐襯材料的確定 錯誤！未找到引用源。通過以 上計算可以看出采用采用輕質耐火材料作為爐襯其功率為采用硅酸鋁纖維做爐 襯的功率的10倍以上。且采用硅酸鋁纖維板作為爐襯，爐襯的厚度也要小很多。 因此雖然硅酸鋁纖維價格較為昂貴，但其用量少，功率小，從長遠考慮以硅酸鋁纖維為爐襯材料是比較好經濟的選擇。所以本次設計最終選擇的爐襯材料為

36、硅酸 鋁纖維板。2.5硅碳棒的排布計算碳硅棒個數的確定爐膛高為200mm,若采用豎直安裝硅碳棒的排布方式，則查表可得可選用 的規格有8/200,12/200,14/20三種，這三種碳硅棒在 1300E下承擔的功率、電壓 和電流如表12所示：表12各型號硅碳棒電學參數硅碳棒型號承擔功率承擔電壓承擔電流8/2000.7kw58V12.1A12/2001.05kw48V21.8A14/2001.23kw47V26.2A根據支數n=N總/n支，計算出所設計的電爐可使用8/200型硅碳棒6支，或4 支12/200,14/20型號的硅碳棒。碳硅棒表面負荷的校核從圖1查出工作溫度為1300E時硅碳棒的表面負荷 w許=13w/cm2，碳硅棒的 理論有效表面積由式14可計算得出：2F 有效=N 實/w 許=3.9 X 1