**大學工學碩士學位論文II.z.DATE\"yy-M-d"6/10/2022DATE\"yy-M-d"6/10/2022熱處理設備設計說明書設計題目90kW中溫井式爐設計說明書學院材料科學與工程年級2009級專業金屬材料工程學生學號指導教師**大學**大學**大學工學碩士學位論文II.z.DATE\"yy-M-d"6/10/2022DATE\"yy-M-d"6/10/2022目錄TOC\o\h\z1前言11.1本設計的目的、意義1本設計的目的1本設計的意義11.2本設計的技術要求21.3本課題的開展現狀21.4本領域存在的問題22設計方案42.1爐型選擇的原則42.2爐型選擇43設計說明53.1爐膛尺寸確實定5爐膛有效尺寸〔排料法〕5爐膛高度確實定63.2爐體構造設計6爐壁的設計7爐底的設計9爐蓋的設計103.3爐殼的設計113.4電阻爐功率確實定113.5技術經濟指標計算153.6功率分配與接線方法163.7電熱元件的設計163.8電熱元件引出棒及其套管的設計與選擇183.9熱電偶及其保護套管的設計與選擇184結論194.1爐子的技術指標194.2特色及缺乏19致21參考文獻22-.z.前言本設計的目的、意義課程設計是高等學校培養面向生產、建立、管理和效勞第一線的高等技術應用型人才的最后一個教學環節。是培養學生綜合運用所學根底理論、根本知識、根本技能和專業知識的重要手段。通過完成課題，可以進一步檢驗學生處理實際問題的能力；使學生掌握根本的設計〔科研〕方法，受到初步的工程技術訓練。并可綜合衡量教學質量，以利于提高教學管理水平。本設計的目的通過本環節的訓練，應到達以下目的：〔1〕使學生進一步加深對所學根底理論、根本技能和專業知識的理解與運用，迸逐步系統化、綜合化；〔2〕努力培養學生獨立工作、思考和解決實際工程技術問題的能力，進而到達培養學生獨立獲取新知識的能力；〔3〕使學生通過文獻檢索、數據收集與處理、工程制圖、設計計算、說明書編寫等根本技能的訓練，掌握正確運用國家標準和技術語言撰寫技術報告的能力；〔4〕通過設計過程的訓練，培養學生嚴謹，刻苦鉆研、勇于創新和嚴肅認真的科學態度。本設計的意義本文研究的目的是研究90kw中溫井式爐的設計，從而培養學生綜合分析和解決本專業的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。綜合運用設備設計課程及其他有關已修課程的理論和生產實際知識進展設備設計訓練，主要容是井式爐的爐體尺寸確定，爐子功率及電熱元件的選擇，井式爐的設計方案的選擇。通過計算設計出井式爐的功率分配與接線方法，做到有方案的利用時間去生產提高生產效率。本設計的技術要求〔1〕爐子功率為90kW〔2〕碳鋼、低合金鋼正火用爐中溫正火爐；〔3〕裝爐量每爐12根〔4〕畫出總裝圖、畫出爐襯圖、爐殼圖、電熱元件圖。本課題的開展現狀我國的熱處理技術已得到了長足的開展，在熱處理的根底理論和*些熱處理新工藝、新技術研究方面已到達國際先進水平，但在熱處理生產工藝和熱處理設備方面還存在較大的差距，主要表現在少無氧化熱處理應用少、產品質量不穩定、能耗大、污染嚴重、管理水平低、本錢高。本領域存在的問題目前在我國工業生產上大量應用的還是常規熱處理工藝，今后仍將占有重要的地位和相當大的比重，但正在日益改良和不斷完善。要以少無氧化加熱、節能、無污染和微電子技術在熱處理中的應用為重點，大力開展先進的熱處理成套技術，利用現代高新技術對常規熱處理進展技術改造，實現熱處理設備的更新換代，全面提高熱處理的工藝水平、裝備水平、管理水平和產品水平，這對于改變我國熱處理技術的落后面貌，趕上工業興旺國家的先進水平，將起到積極的促進作用。加強科研與生產的結合、材料研究與熱處理工藝的結合，進一步挖掘材料的性能潛力，促進新材料的開展，使熱處理實現“優質、高效、節能、降耗、無污染、低本錢、專業化生產〞，這是今后熱處理技術的重要開展方向。但凡符合這個方向的熱處理技術，就會有強大的生命力，獲得較快的開展，反之，則將被淘汰。例如，可控氣氛熱處理、真空熱處理、新型化學熱處理、離子熱處理、激光熱處理、流態化熱處理等，均能較好地符合上述方向，今后將獲得較快的開展和廣泛的應用。而鹽浴熱處理由于耗能高、污染嚴重，今后將迅速減少，甚至被淘汰。雖然電子計算機和機器人在熱處理中的應用較之在其它工業領域中的應用起步較晚，但隨著熱處理自動化程度的不斷提高，計算機和機器人的應用也將越來越廣泛，這是熱處理行業現代化的重要標志之一。熱處理專業廠和協作網點，是組織熱處理生產的一種好形式，也是促進熱處理行業技術進步的一種重要手段。因此，實現熱處理生產的自動化和專業化，這也是熱處理行業開展的必然趨勢。設計方案爐型選擇的原則爐型應依據不同的工藝要求及工件的類型來決定。〔1〕對于不能成批定型生產的，工件大小不相等的，種類較多的，要求工藝上具有通用性、多用性的，可選用箱式爐。〔2〕小批量的零件，可選用井式氣體滲碳爐。〔3〕對于大批量的汽車、拖拉機齒輪等零件的生產可選連續式滲碳生產線或箱式多用爐。〔4〕對沖壓板材坯料的加熱大批量生產時，最好選用滾動爐、輥底爐。〔5〕對成批的定性零件，生產商可選用推桿式或傳送帶式電阻爐。〔6〕小型機械零件如：螺釘、螺母等可選用振底式爐或網帶式爐。〔7〕鋼球及滾柱熱處理可選用螺紋的回轉管爐。〔8〕有色金屬錠坯在大批量生產時可用推桿式爐，而對有色金屬小零件及材料可用空氣循環加熱爐。爐型選擇因為工件材料為碳鋼、低合金鋼，熱處理工藝為正火，對于低合金鋼正火最高溫度為[912+(30~50)]℃，選擇中溫爐〔上限950℃〕即可，同時工件為圓棒長軸類工件，因而選擇井式爐，并且無需大批量生產、工藝多變，則選擇周期式作業。綜上所述，選擇周期式中溫井式電阻爐，最高使用溫度950℃。設計說明爐膛尺寸確實定爐膛有效尺寸〔排料法〕(1)確定爐膛徑D工件尺寸為F110*1300，裝爐量為12根，對長軸類工件，工件間隙要大于或等于工件直徑；工件與料筐的間隙取100~200mm。爐膛的有效高度取工件的長度加150~250mm。6d排料法如圖3-1所示，則：6dD效效D效效2dD=805mm2dD效=D+2×(100~200)=1000mm又因爐壁徑比料筐大200~300mm，故取：D砌=1300mm查表得可用砌墻磚為圖3-1排料法BSL?427?138(A,B,R,r)=(168,190.8,765,675)型輕質粘土扇形磚。由該磚圍成的爐體的弧長為S=D=3.14×1300=4082mm磚的塊數為：4082÷168=24.29塊，取整后N=24，對D進展修正得：D砌=24×168÷3.14=1284mm，取1280mm爐膛高度確實定由經歷公式可以得知，井式爐爐膛有效高度H應為所加熱元件〔或者料筐〕的長度的根底上加0.1~0.3m。H效=1300+200=1500mmH=H效+200=1700mm由于電阻爐采用三相供電，放置電熱元件的擱磚應為3n層，H砌=3n×(65+2)+67,取整后取n=8，得H砌=1675mm選用代號為SND-427-09的扇形擱磚每層擱磚數目為N=D砌÷50=80.63，取整為80塊。1.3爐口直徑確實定D效=1000mm，由于斜行楔形磚。，將D爐口=1000mm代入，得N=27.3，取整后N=28，則D爐口=1025mm。1.4爐口高度確實定按經歷，爐口可由斜行楔形磚和三層直行磚堆砌而成。故H爐口=〔65+2〕×3+32=233mm綜上所述：D砌=1216mm，H砌=1675mm，D爐口=1098mm，H爐口=231mm。爐體構造設計爐體包括爐壁、爐底、爐門、爐殼架幾局部。爐體通常用耐火層和保溫層構成，尺寸與爐膛砌筑尺寸有關。設計時應滿足以下要求：〔1〕確定砌體的厚度尺寸要滿足強度要求，并應與耐火磚、隔熱保溫磚的尺寸相吻合；〔2〕為了減少熱損失和縮短升溫時間，在滿足強度要求的前提下，應盡量選用輕質耐火材料；〔3〕耐火、隔熱保溫材料的使用溫度不能超過允許溫度，否則會降低使用壽命；〔4〕要保證爐殼外表溫升小于50℃，否則會增大熱損失，使環境溫度升高，導致勞動條件惡化。爐壁的設計爐壁厚度可采用計算方法確定，如圖3-2為井式爐爐壁三層構造，第Ⅰ層為耐火層，其厚度一般為90mm，采用輕質粘土磚RNG-0.6；第Ⅱ層為耐火纖維層，其厚度設計為*mm，采用普通硅酸鋁纖維；第Ⅲ層為保溫層，采用膨脹蛭石+硅藻土磚，其厚度設計為115mm。t3t2t1S2t3t2t1S2t0t4S3t0t4S3S1ⅢⅡⅠⅢⅡⅠ圖3-2三層爐襯構造在穩定傳熱時，對各爐襯熱流密度一樣。。查表得，爐壁溫度60℃，室溫20℃是，所以RNG-0.6型輕質粘土磚：密度熱導率比熱容硅酸鋁纖維：密度熱導率比熱容膨脹蛭石粉：密度熱導率比熱容由=818℃使用迭代法計算t3，設t3=470℃,則：=℃為了計算準確再次代入迭代：℃三次迭代后得到：410℃，<5%滿足條件。m取90mm。爐底的設計爐底構造通常是在爐底殼部的鋼板上用珍珠巖磚或硅藻土磚砌成方格子，各格子中填充蛭石粉。然后，在平鋪兩層硅藻土磚，最上面為一層輕質粘土磚。爐底磚的厚度尺寸可參照爐壁的厚度尺寸，一般為230~690mm。由于要承受爐工件的壓力，且裝出爐有沖擊的作用。故爐底板要求又較高強度。爐底剖面構造如圖3-3：ⅢⅡⅠⅢⅡⅠ圖3-3爐底剖面構造由底至上，第一層為膨脹蛭石粉和硅藻土磚復合層，第二層為硅藻土磚，第三層為輕質粘土磚。構造：厚度∕mm材料：砌磚型號：Ⅰ115膨脹蛭石粉+硅藻土磚B級BSL·427·280Ⅱ134硅藻土磚B級BSL·427·280Ⅲ67輕質粘土磚RNG-1.0RNG-1.0爐蓋的設計爐頂的構造有平頂、拱頂和懸頂三種。當爐子的寬度為600~3000mm時，可采用拱頂，拱角可用60°和90°，其中使用最多的是60°，這種拱頂稱為標準拱頂。拱頂是爐子最容易損壞的部位，拱頂受熱時耐火磚發生膨脹，造成砌拱頂時，為了減少拱頂向兩側的壓力，應盡量采用輕質的楔形磚與標準直角磚混合砌筑。第二層第一層第二層第一層圖3-4爐蓋設計條件：爐膛溫度950℃，殼體溫度60℃，室溫20℃。上層采用普通硅酸鋁纖維，下層用輕質粘土磚。構造厚度∕mm材料型號第一層85普通硅酸鋁纖維第二層115輕質粘土磚RNG-0.6BSL·427·443爐殼的設計爐殼的尺寸取決于爐子砌體的尺寸，爐子的砌體包在爐殼之。爐體框架要承受砌體和工件的重量以及工作時所產生的其它附加外力。因此，框架要有足夠用的強度，框架和爐殼一般通過焊接成型，構成整個整體，以保證強度和密封性的要求。爐殼一般用3~5mm的Q235鋼板，爐底用6~8mm的厚板，井式爐爐殼圈一般用6.3或7號角鋼制作。綜上所述，爐殼采用5mm厚的Q235鋼板，爐底選用8mm厚的鋼板，爐殼圈選用三根7號角鋼均勻分布，兩根7號角鋼橫向分布，爐底五根槽鋼通過焊接而成。電阻爐功率確實定電阻爐的功率大小與爐膛容積、爐子構造、爐子所要求的生產率和升溫時間等因素有關。確定爐子的功率需要綜合考慮各方面的要求，本次設計采用理論計算的方法計算電阻爐的功率。理論計算發是通過爐子的熱平衡計算來確定爐子的功率。其根本原理是爐子的總功率即熱量的吸收，應能滿足爐子熱量支出的總和。熱量的支出包括：工件吸熱量Q件、工件夾具吸熱量Q夾、爐襯散熱量Q散、爐襯蓄熱量Q蓄、爐門和縫隙溢氣熱量Q溢、爐門和縫隙輻射散熱量Q輻、其他熱損失Q它等。〔1〕加熱工件的有效熱量Q件設升溫時間3小時，保溫時間2.5小時，裝爐時間15分鐘。則：=3+2.5+0.25=5.75h工件重量：〔2〕工件夾具吸熱量Q夾因本次所設計正火爐不需使用夾具，故Q夾=0。〔3〕通過爐襯的散熱損失Q散因為爐頂、爐底散熱一個較多，一個較少，因而在計算中將爐頂、爐底簡化成與爐壁散熱情況一樣。DD砌H砌S1S2S3Fm1Fm2Fm3ⅠⅡⅢ圖3-5爐襯蓄熱情況簡化計算，，，〔4〕爐襯材料蓄熱量Q蓄爐襯材料的蓄熱量是指爐子從室溫升到工作溫度整個砌體所吸收的熱量。計算式為：第Ⅰ層：；；；第Ⅱ層：；；第Ⅲ層：，〔5〕開啟爐門的輻射熱損失Q輻其中：F—爐門開啟的面積：—爐口輻射遮蔽系數：，查表可知：—爐門開啟率：；代入上式計算得：〔6〕爐子開啟時溢氣的熱損失Q溢其中：，〔7〕其它散熱Q它一般如下估算：則：〔8〕電阻爐熱損失總和Q總〔9〕計算功率及安裝功率安裝功率應大于穩態時計算功率周期作業爐k取1.3到1.5之間。得：取：技術經濟指標計算〔1〕電阻爐熱效率一般電阻爐的熱效率為40%~80%，滿足要求。〔2〕電阻爐的空載功率電阻爐的空載功率是指空爐在最高工作溫度并穩定狀態下所消耗的功率，又稱為空爐損失。用下式計算：P空值越小越好，一般為爐子總功率的15%~25%，滿足要求。〔3〕空爐升溫時間空爐升溫時間是指在額定電壓下，經過充分枯燥、沒有裝料爐的電阻爐從冷態加熱最高工作溫度所需的時間。空爐升溫時間：功率分配與接線方法〔1〕功率分配為了使爐膛溫度均勻或工藝要求分區分布爐溫，需要將溫度分布在爐的各個局部。井式爐功率大于75kW是要考慮分區，H∕D大于1也要分區。綜上所述，本次設計電阻爐分兩區計算，上下區功率都為45kW。〔2〕供電電壓與接線方法電阻爐的供電電壓，除少數因電熱元件的電阻溫度系數太大或要求采用低電壓供電的大截面電阻板外，一般均采用車間電網電壓，即220V或380V。電熱元件的接線，應根據爐子的功率大小，功率分配等因素來決定。因爐子功率為90Kw，即可采用三相380V星形，也可采用三角形接法。綜上所述，本次設計采用0Cr25Al5電熱體材料，三相380V星形接法。電熱元件的設計選用0Cr25Al5線狀電熱元件，電壓380V。〔1〕供電電壓和接線選用三相380V、星形接法〔2〕確定電熱元件的單位外表功率因爐膛最高溫度不超過950℃，結合選材0Cr25Al5查表得〔3〕確定元件尺寸代入上式得d=5.48mm，取d=5.5mmL總=nL=6×51=306〔m〕M總=0.169×306=51.714kg符合要求〔4〕電熱元件的繞制和布置電熱元件繞制成螺旋狀，布置安裝在爐膛爐壁上，每4排串接成一相。每排電熱元件的展開長度：每排電熱元件的擱磚長度：電熱元件螺旋直徑：螺旋直徑取：螺旋體圈數N和螺距h分別為：圈取h=20mm，滿足的要求。電熱元件螺旋節距h在安裝時適當調整，爐口局部減少節距，增大功率。電熱元件引出棒及其套管的設計與選擇〔1〕引出棒的設計引出幫必須用耐熱鋼或者不銹鋼制造，以防止氧化燒損，固選用1Cr18Ni9Ti，φ=16mm，絲狀電熱元件與引出棒之間的連接，采用接頭銑槽后焊接。引出棒長度：L引=90+90+115+100=395mm〔2〕保護套管的選擇根據設計說明中爐膛以及電熱元件的設計，所以確定L爐墻=90+90+115=295〔mm〕，引出棒的直徑d=φ16mm，因此選用SND·724·018號套管，高鋁礬土，重量0.6kg，d套=φ20mm，D套=φ36mm，長度400mm。熱電偶及其保護套管的設計與選擇〔1〕熱電偶的選擇由于爐最高的溫度為950℃.長期使用的溫度在1000℃〔2〕熱電偶保護套管的選擇L爐壁=295mm。熱電偶外徑16mm，插入長度為400mm。根據這些條件，應該選用SND·724·019,高礬土，重量0.3kg。d套=φ25mm、D套=φ40mm，長度為210mm。測溫熱電偶與控溫熱電偶均選用此保護套管即可。結論爐子的技術指標表4-1爐子參數額定功率90kW額定電壓380v最高使用溫度950℃相數3接線方法Y工作室有效尺寸1216*1657特色及缺乏爐子的溫度圍大該爐最高溫度可達950℃，熱量的傳遞以輻射方式為主，對流為輔。熱處理要求爐膛溫度均勻，防止局部溫度過高。爐子的爐溫控制比擬嚴格熱處理爐能否保證熱處理工藝所要求的溫度，對產品質量有很大影響，一般上下不超過3-10度。被加熱物斷面上的溫度分布應盡可能地均勻，溫差不得超過5-15度。該爐屬于電爐，在這一點上比擬優越。為了到達準確控制溫度的目的，該爐均勻布置燒嘴，便于分段控制。爐子盡量減少金屬的氧化與脫碳對鋼材的熱處理，不允許有外表的氧化與脫碳，應保持外表的光潔。該爐密封嚴格，以便控制爐氣成分，有時還可以保持爐膛*種特定的氣氛。爐子的生產率及熱效率