熱處理電阻爐設計
一、設計任務
設計一箱式電阻爐，計算和確定主要項目，并繪出草圖。
基本技術條件：
（1）用途：碳鋼、低合金等的淬火、調質以及退火、正火；
（2）工作：中小型零件，小批量多品種，最長0.8m；
（3）最高工作溫度為950℃；
（4）爐外壁溫度小于60℃.
（5）生產率：105Kg/h。
設計計算的主要項目：
（1）確定爐膛尺寸；
（2）選擇爐襯材料及厚度，確定爐體外形尺寸；
（3）用熱平衡法計算爐子功率；
（4）選擇和計算電熱元件，確定其布置方法；
（5）寫出技術規范。
二、爐型選擇
根據設計任務給出的生產的特點，選用中溫（650~1000℃）箱式熱處理電阻爐，爐膛不通保護氣氛，為空氣介質。
三、確定爐膛尺寸
1.理論確定爐膛尺寸
（1）確定爐底總面積
爐底總面積的確定方法有兩種：實際排料法和加熱能力指標法。本設計用加熱能力指標法
來確定爐底面積。已知爐子生產效率P=105Kg/h。按教材表5-1選擇適用于淬火、正火的一般箱式爐，其單位爐底面積生產率P0=100~120Kg/（m2·h）。因此，爐子的爐底有效面積（即可以擺放工件的實際面積）F1可按下式計算：
通常爐底有效面積和爐底總面積之比值在0.75~0.85之間選擇。爐子小取值小值；爐子大取值大值。本設計取中值0.8，則爐底總面積F為：
（2）確定爐膛的長度和寬度
爐底長度和寬度之比在3/2~2之間選擇。考慮到爐子使用時裝、出料的方便，本設計取,則爐子爐底長度和寬度分別為：
（3）確定爐膛高度
爐膛高度和寬度之比在0.5~0.9之間選擇，大爐子取小值，小爐子取大值。本設計取中值0.7，則爐膛高度為：
2.確定實際爐膛尺寸
為方便砌筑爐子，需要根據標準磚尺寸（230×113×65mm），并考慮砌縫寬度（砌磚時兩塊磚之間的寬度2mm），上下磚體應互相錯開以及在爐底方面布置電熱元件等要求，進一步確定爐膛尺寸。依據理論計算的爐膛長度、寬度和高度，進一步確定爐膛尺寸如下：
注意：實際確定的爐膛尺寸和理論計算的爐膛尺寸不要差別太大。
3.確定爐膛有效尺寸
為避免熱處理工件與爐膛內壁、電熱元件和放置電熱元件的擱磚發生碰撞，應使工件與爐內壁保持一定的距離。工件應放置的爐膛的有效尺寸內。爐膛有效尺寸確定如下：
L效=1500mm
B效=700mm
H效=450mm
四、爐襯材料的選擇及其厚度的確定
爐襯材料的選擇及其厚度的計算應滿足在穩定導熱的條件下，爐殼溫度小于60℃。由于爐子外壁和周圍空氣之間的傳熱有輻射和對流兩種方式，因此輻射換熱系數和對流換熱系數之和統稱為綜合傳熱系數。爐殼包括爐墻、爐頂和爐底。這三部分外壁對周圍空氣的綜合傳熱系數不同（見教材附表2），所以三部分爐襯材料的選擇及其厚度也不同，必須分別進行計算。
1.爐墻爐襯材料的選擇及其厚度的計算
爐子的兩邊側墻和前后墻可采用相同的爐襯結構，同時為簡化計算，將爐門看作前墻的一部分。
設爐墻的爐襯結構如圖所示，耐火層是113mm厚的輕質粘土磚（QN—0.8），保溫層是60mm厚、密度為350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和230mm厚的A級硅藻土磚（耐火材料和保溫材料的選擇參照教材附表3和附表4）。這種爐襯結構在穩定導熱條件下，是否滿足墻外壁溫度小于60℃，應首先求出熱流密度，然后計算進行驗證。
在爐墻內壁溫度950℃、爐殼周圍空氣溫度20℃的穩定導熱條件下，通過爐墻向周圍空氣散熱的熱流密度為：
1）S1，S2，S3確定
S1，S2，S3分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的厚度（m）。 若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1，S2，S3得厚度為：
； ； 。
2），，，的確定
，，分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和A級硅藻土磚的平均熱導率（W/m·℃）；是爐殼對周圍空氣的綜合傳熱系數（W/m·℃）。
要求出，，和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設輕質粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度，爐墻外殼溫度。如圖所示：
?求輕質粘土磚的平均熱導率
查教材附表3，可得輕質粘土磚（QN—0.8）的平均導熱率為：
=0.485W/m·℃
?求硅酸鹽耐火纖維氈的平均熱導率
硅酸鹽耐火纖維氈的平均溫度。根據教材附表4查得，密度為350Kg/m3普通硅酸鹽耐火纖維氈700℃、1000℃的熱導率分別為0.121W/m·℃和0.122W/m·℃。在700℃——1000℃溫度范圍內，可近似認為其平均導熱率與溫度成線性關系。則有：
?求硅藻土磚的平均導熱率
查教材附表3，可得A級硅藻土磚的平均熱導率為
?求爐墻外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數
當爐墻外殼溫度為55℃，周圍空氣為20℃時，由教材附表2可查得，外殼為鋼板或涂灰漆表面時，對周圍空氣的綜合傳熱系數為：
3)求熱流密度
將以上數據代入求熱爐密度的表達式中，可求得熱流密度為：
4）驗算各界面和爐墻外殼溫度是否滿足設計要求
?輕質粘土磚和硅酸鹽耐火材料纖維氈之間的界面溫度t2為：
相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。
?硅酸鹽耐火纖維氈和硅藻土磚之間的界面溫度為：
;
相對誤差為，滿足設計要求，不必重算。
?爐墻外殼溫度為：
；
因爐墻外殼溫度小于60℃，故爐墻爐襯材料及其厚度的選擇滿足設計要求。若實際計算后，外殼溫度大于60℃，必須重新選擇爐墻爐襯材料及其厚度。
2.爐頂爐襯材料的選擇及其厚度的計算
設爐頂的爐襯結構為：耐火層是113mm厚的輕質粘土磚（QN—0.8），保溫層是厚度60mm、密度350Kg/m3的普通硅酸鹽耐火纖維氈和厚度113mm的膨脹珍珠巖。
在爐頂周圍內壁溫度為950℃、爐殼周圍溫度20℃的穩定導熱條件下，通過爐頂向周圍空氣散熱的熱流密度為：
1）S1，S2，S3確定
S1，S2，S3分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的厚度（m）。 若考慮它們之間2mm的砌縫寬度，則S1，S2，S3得厚度為：
； ； 。
2），，，的確定
，，分別是輕質粘土磚、硅酸鹽耐火纖維氈和膨脹珍珠巖的平均熱導率（W/m·℃）；是爐頂外殼對周圍空氣的綜合傳熱系數（W/m·℃）。要求出，，和，首先必須假定各層界面溫度和爐殼溫度。設輕質粘土磚和硅酸鹽耐火纖維氈之間的界面溫度，硅酸鹽耐火纖維和平膨脹珍珠巖之間的界面溫度，爐頂外殼溫度。
