目录一设计任务 (1)
二炉型的选择 (1)
三炉膛尺寸的确定 (1)
四砌体平均表面积计算 (2)
五电阻炉功率的计算 (2)
六电阻炉热效率计算 (6)
七炉子空载功率计算 (6)
八空炉升温时间计算 (6)
九功率的分配与接线 (9)
十电热元件材料选择及计算 (9)
十一、炉子技术指标 (12)
十二、绘制炉型图 (12)
一、设计任务
设计种类：轴类工件，杆件和长管件的回火加热（材料为中碳钢，低合金钢） 生产能力：160 kg/h
零件最大尺寸：Φ50*1800mm 作业制度：3班制生产
二、 炉型的选择
根据技术条件要求，工件材料为中碳钢或者低合金钢，热处理工艺为回火，对于中碳钢或低合金钢回火最高温度大约为600～700℃，所以选择中温炉（上限950℃）即可。金属热处理多用箱式炉、井式炉或者连续电阻加热炉。同时工件规定是长轴类，选择箱式炉，并且无需大批量生产、工艺多变，则选择周期式作业。综上所述，选择周期式中温井式电阻炉。
三、炉膛尺寸的确定
1、炉底面积的确定：
用炉底强度指标法计算，炉底有效面积： 查表5.1得g s =100Kg/（m 2·h ），又G s =160Kg/h F a =
gs G s =100
160
=1.6（m 2） 由于存在关系式Fa
F
=0.78~0.85，取系数上限，得炉底实际面积： F=
85.0Fa =85
.06
.1=1.88（m 2） 2、炉底直径的确定： 由公式F=πR 2
=
4
D 2
π
D=
π
F
4=
14
.388
.1*4=1.55m 3、炉膛高度的确定：
由于加热工件的最大长度为1800mm ，工件距炉顶和炉底各约150mm ～250mm ，
则炉深 H=1800+250+250=2300mm 4、炉衬材料及厚度的确定：
炉体包括炉壁、炉底、炉底、炉门、炉壳架几部分。炉体通常用耐火层和保温层构成，尺寸与炉膛砌筑尺寸有关。设计时应满足下列要求：
（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并应与耐火砖、隔热保温砖的尺寸相吻合；
（2）为了减少炉衬热损失和缩短冷炉升温时间，在满足耐火、保温和机械强度要求的前提下，应尽量选用轻质耐火材料；
（3）保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则将使保温性能降低； （4）炉衬外表面温升以保持在40~60℃为宜，否则会增大热损失，使环境温度升高，导致劳动条件恶化。
对于950℃的井式炉，用一层轻质粘土砖作为耐火层，硅藻土砖及蛭石粉做保护层，在炉膛底部应干铺一层粘土砖作为炉底。
对于深度较大的炉子，在耐火层和炉口砖之间应当留15～25mm 膨胀缝，炉膛底部应留有清楚氧化皮的扒渣口，炉衬外有炉壳保护。
综上所述，炉墙采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm 密度为250kg/m 3普通硅酸铝纤维毡+113mmB 级硅藻土砖。
炉顶采用113mmQN-1.0轻质粘土转+80mm 密度为250kg/m 3普通硅酸铝纤维毡+85mm 蛭石粉。
炉底采用QN-1.0轻质粘土转(67*2)mm+50mm 密度为250kg/m 3普通硅酸铝纤维毡+182mmB 级硅藻土砖和硅藻土粉复合炉衬。 炉壳用5mm 钢板制作。
四、砌体平均表面积计算
D 外=D+2*(115+80+115)=1550+620=2170(mm)
H 外=H+C 底+f+h 拱角 C 底=67*2+50+182=366mm
f=R(1-cos30°)=D(1-cos30°)=1550*(1-cos30°)=208mm h 拱角=(65+2)+(135+2)*2=341mm 、H 外=2300+366+208+341=3215(mm)
(1) 炉顶平均面积
F 顶内=622D π=255.1*614.3*2=2.51m 2
F 顶外=6D 42π=255.1*614
.3*4=5.03 m 2
F 顶均=
内
外
内外F F ln
F F -=51.203.5ln 51
.2-03.5=3.63 m 2
（2） 炉墙平均面积
F 墙内=2π内R *内H =2*3.14*0.775*2.3=11.19 m 2 F 墙外=2π外R *外H =2*3.14*1.085*3.215=21.91 m 2 F 墙均=
内
外
内外F F
ln F F -=19.1191.21ln 1.191-1.912=15.95m 2
（3） 炉底平均面积
F 底内=π内2R =3.14*0.7752=1.89 m 2 F 底外=π外2R =3.14*1.0852=3.70 m 2 F 底均=
内
外
内外F F
ln F F -=89.170.3ln .89
1-.703=2.69m 2
五、电阻炉功率计算
本炉采用理论设计法，理论设计法就是采用热平衡来确定炉子功率的方法。其
原理是炉子的总功率即热量的收入，应能满足炉子热量支出的总和。电阻炉的种类和作业形式不同，热量支出的具体项目和数量也不相同。
根据热平衡计算炉子功率：
（1） 加热工件所需的热量热Q
查表可知，工件在950℃及20℃时比热容分别为t C =0.636/()kJ kg C ??，
o C =0.486/()kJ kg C ??，所以
热Q =G s (o o f t t C -t C )=160*(0.636*950-0.486*20)=95117KJ/h
（2） 加热辅助构件（料筐、工具夹、支承架、炉底板、料盘等）所需的热
量辅Q
辅Q =G 辅(o o f t t C -t C )=0 KJ/h
（3） 加热控制气体所需的热量控Q 控Q =控G C(o f t -t )=0 KJ/h （4） 通过炉衬的散热损失散Q
通过炉衬的散热损失指炉膛内的热量通过炉体散发到大气中的损失。在炉子加热阶段，通过炉衬的散热损失属于不稳定态传热。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
散Q =
∑=+-n
i i
i i
n F S t t 11
1λ 对于炉墙散热，如图所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，墙‘
2t =850℃，
墙’3t =450℃，墙‘
4t =60℃。则耐火层s1的平均温度2
850
9501+=
均s t =900℃，硅酸铝纤维层s2的平均温度2
450
8502+=
均s t =650℃，硅藻土砖s3的平均温度2
60
4503+=均s t =255℃，s1,s3层炉衬的热导率由表得 1λ=0.294+0.212*310-*900= 0.485W/(m ﹒℃) 3λ=0.131+0.23*310-*255= 0.190W/(m ﹒℃)
普通硅酸铝纤维的热导率由表查得，在给定温度相差较小范围内近似认为
其热导率与温度成线性关系，由均2s t =650℃，得 2λ=0.128W/(m ﹒℃)
当室温为20℃时，由表近似计算得∑α=12.17W/(m 2﹒℃) 1）求热流
墙q =
∑+
++αλλλ1
s s s t -t 332211o f =17
.121190.0115.0128.0080.0485.0115.020
-950+++=600.2W/m 2 2）验算交界面上的温度2t 墙, t 3墙
墙2t =f t -墙
q 1
1
s λ=950-600.2*
485
.0115
.0=807.7℃ ?=
墙
‘
墙
’墙222t -t t =
850
850
7.807-*100%=4.9%
5%?<,满足设计要求，不需重算。
墙3t =墙2t -墙
q 2
2
s λ=807.7-600.2*
128
.0080
.0=432.6℃ ?=
墙
‘
墙
’墙333t -t t =
450
450
6.432-*100%=3.8%
5%?<,满足设计要求，不需重算。 3）验算炉壳温度t 4墙
墙4t =墙3t -墙
q 3
3
s λ=432.6-600.2*
190
.0115
.0=69.3℃<70℃满足要求 4）计算炉墙散热损失
墙散Q =墙均墙F q =600.2*15.95=9573.2W
同理可以求得
顶2t =808.1℃，顶3t =434.2℃，顶4t =63℃，顶q =598.3W/m 2
底2t =807.1℃，底3t =430.4℃，底4t =67℃，底q =602.8W/m 2
炉顶通过炉衬散热
顶散Q =顶均顶F q =598.3*3.63=2171.8W
炉底通过炉衬散热
底散Q =底均底F q =602.8*2.69=1621.5W 整个炉体散热损失
Q Q Q Q =++散墙散顶散底散
=9573.2+2171.8+1621.5 =13366.5W =48119.4kJ/h （5）开启炉门的辐射损失
设装出料所需时间为每小时6分钟，可得
443.6 5.675100100g a
t T T Q F δ??
????=???Φ??-?? ? ?????????
辐
因为g T =950+273=1223K, a T =20+273=293K,故 炉门开启面积 F=R *π=3.14*2775.0=1.892m
炉门开启率 6
0.160
t δ=
= 由于炉门开启后，辐射口为圆形，且H 与 R 之比为0.2/0.775=0.26，炉门开启高度与炉墙厚度之比为0.2/0.31=0.65，查表知Φ=0.7，故
443.6 5.675100100g a
t T T Q F δ??
????=???Φ??-?? ? ?????????辐
=3.6*5.675*1.89*0.7*0.1*???
?
??????? ??-??? ??441002*********
=6027kJ/h
（6）开启炉门溢气损失
溢气热损失 '
()a a a g a t Q qv c t t ρδ=-溢
其中，9.2762.0*2.0*55.1*1997**1997===H H D qv a m 3/h 冷空气密度 1.29a ρ=kg/m 3, 由表得 1.342a c =kJ/(m 3﹒℃), 20a t =℃,
'
g t 为溢气温度，近似认为g t '=a t +
()a g t t -32
=20+()209503
2-=640℃，
'
()a a a g a t Q qv c t t ρδ=-溢
=276.9*1.29*1.342*（640-20）*0.1 =29715.9kJ/h （7）其它热损失
其它热损失约为上述热损失之和的10%--20%，故
它Q =10%*(热Q +控Q +散Q +辐Q +溢Q )
=0.1*（95117+0+48119.4+6027+29715.9）
=17897.9kJ/h （8）热量总支出
总Q =热Q +控Q +散Q +辐Q +溢Q +它Q
=95117+0+48119.4+6027+29715.9+17897.9 =196877.2kJ/h
（9）炉子的安装总功率
3600
KQ P =
总
安 其中K 为功率储备系数，本炉设计中K 取1.4，则
安P =3600
2.196877*4.1=91.65kW
与标准炉子相比较，取炉子功率为90kW 。
六、 电阻炉热效率计算
1. 正常工作时的效率
总
热Q Q =
η=
2
.19687795117
*100%=48.3%
2. 在保温阶段，关闭炉门时的效率
()
()
9.297156027-19687795117
+=
+-=
溢辐总热
Q Q Q Q η*100%=59%
七、 炉子空载功率计算
3600
它
散空Q Q P +=
=
3600
9
.178974.48119+=18.3kW
八、 空炉升温时间计算
由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进
行单独计算，因升温时炉底底板也随炉升温，也要计算在内。 1. 炉墙及炉顶蓄热 侧
粘
V =2*[1.509*(34*0.067+0.135)*0.115]==0.837m 3
前后
粘
V =2*[1.509*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.837m 3 顶
粘V =0.97*(1.509+0.276)*0.115=0.199 m 3
侧
纤
V =2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080]=0.627 m 3 前后
纤V =2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.080]=0.627m 3 顶纤V =1.071*(1.509+0.276)*0.0.080=0.153m 3
侧硅V =2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.901 m 3 前后
硅
V =2*[(1.509+0.115)*(34*0.067+0.135)*0.115]=0.901m 3 侧
硅V =2.360*1.490*0.115=0.404m 3
所以
()()()000Q V c t t V c t t V c t t ρρρ=-+-+-硅硅硅硅蓄粘粘粘粘纤纤纤纤 因为 2
t t 21墙
粘+=
t =
2
7
.807950+=878.8℃ 查表得 =+=-8.878*10*26.084.03粘C 1.07kJ/(k g ﹒℃)
2.6202
6
.4327.8072
t t 32=+=
+=
墙
墙纤t ℃
查表得=+=-2.620*10*28.081.03纤C 0.98kJ/(k g ﹒℃)
2512
6
.4323.692
t t 34=+=
+=
墙
墙硅t ℃
查表得=+=-251*10*25.084.03硅C 0.90kJ/(k g ﹒℃) 所以得
()
()01Q V V V c t t ρ=++-侧前后顶蓄粘
粘粘粘粘粘
+()
()0V V V c t t ρ++-侧前后顶纤
纤纤纤纤纤
+ ()
()0V V V c t t ρ++-侧前后顶硅
硅硅硅硅硅
=（0.837+0.199）*0.8*310*1.07*（878.7-20） +（0.627+0.153）*0.25*310*0.98*（620.2-20） +（0.901+0.404）*0.55*310*0.90*（251-20）
=761508.9+114698.2+149220.2=1025427.3kJ
2. 炉底蓄热计算
底粘V =()[]43.1*113.0*2*042.06*113.0*067.0065.0*115.0++=0.143m 3
底
粘
V =1.601*1.079*0.05=0.086m 3
底
粘
V =1.601*1.079*0.182=0.314m 3
顶2t =808.1℃，顶3t =434.2℃，顶4t =63℃，顶q =598.3W/m 2
底2t =807.1℃，底3t =430.4℃，底4t =67℃，底q =602.8W/m 2
2
t t 21底
底粘
+=
t =
2
1
.807950+=878.6℃ 查表得 =+=-6.878*10*26.084.03粘C 1.07kJ/(k g ﹒℃)
8.6182
4
.4301.8072
t t 32=+=
+=
底
底底纤t ℃
查表得=+=-8.618*10*28.081.03底
纤C 0.98kJ/(k g ﹒℃)
7.2482
4
.430672
t t 34=+=
+=
底
底底
硅t ℃ 查表得=+=-7.248*10*25.084.03硅C 0.90kJ/(k g ﹒℃)
所以得
底
蓄
Q =0.143*1.0*310*1.07*(878.6-20) +0.176*0.25*310*0.98*(618.8-20) +0.633*0.5*310*0.90*(248.7-20)
=222339.9 kJ
3. 炉底板蓄热
查表得950℃和20℃时钢板的比热容分别为2板C =0.679/()kJ kg C ??和
1板C =0.473/()kJ kg C ??。经计算炉底板重量G=242kg ，所以有
板
蓄
Q =G(0112t -t 板板C C )=242*(0.670*950-0.473*20)=151743.6kJ 所以板
蓄
底蓄蓄蓄Q Q Q Q ++=1=1025427.3+222339.9 +151743.6=1399510.8kJ 得升温时间为
安
蓄升P Q 3600=
τ=
75
*36008
.1399510=5.18h
对于一般周期作业炉，其升温时间在2—8小时内均可，故本炉子设计符合
要求。
九、 功率的分配与接线
90kW 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y YY ???、或、接线。供电电压为车间动力网380V 。
核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉，内壁表面负荷应在15—25kW/m 2之间。 电底电侧电F F F +=2=2*1.714*0.64+1.714*0.869=3.74m 2
电
安F P W =
=20.05kW/m 2
表面负荷在常用的范围之内，故符合设计要求。
十、 电热元件材料选择及计算
由最高使用温度950℃，选用线状0255Cr Al 合金作电热元件，接线方式采用380V 单相接法。
1. 求950℃时电热元件的电阻率t ρ
当炉温为950℃时，电热元件温度取1100℃，查表得0Cr27Al7Mo2在20℃时电阻率 20 1.40ρ=2/mm m Ω?，电阻温度系数 51410C α--=??，则1200℃下的电热元件电阻率为
()=+=t t αρρ120 1.40*(1+4*510-*1100)=1.462/mm m Ω? 2. 确定电热元件表面功率
查表知，允W =1.7W/cm 2 3. 每组电热元件功率
由于采用三相接法，每组元件功率
组
P=10kW
4.每组电热元件端电压
由于采用三相接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端电压即为每相电压
220
U V
==
组
5.电热元件直径
线状电热元件直径为
3
2
2
3
2
2
220
*
7.1
10
*
46
.1
*
3.
34
*
3.
34=
=
组
允
组
U
W
P
d t
ρ
=4.2mm 取5
d mm
=
6.每组电热元件长度和质量
每组电热元件长度为
t
2
2
3-
d
*
10
*
785
.0
ρ
组
组
组P
U
L==0.785*
46
.1*
10
2.4
*
220
*
10
2
2
3-=45.9m 每组电热元件质量为
2
M
4
G d L
π
ρ
=
组组
式中3
M
7.1/g cm
ρ=，所以得
M
L
Gρ
π
组
组
2
d
4
==1.7
*
9.
45
*
2.4
*
4
14
.3
2=4.52kg
7.电热元件的总长度和总重量
电热元件的总长度为
组
总
L
L3
==3*45.9=137.7m
电热元件总重量为
组
总
G
G3
==3*4.52=13.56kg
8.校核电热元件表面负荷
组
组
实L
P
W
dπ
=39
.1
9.
45
*
05
.0
*
14
.3
10
=
=W/cm2
W W
<
允
实
，结果满足设计要求。
9.电热元件在炉膛内的布置
将3组电热元件分为12折，布置在炉墙及炉底上，则有
4
9.
45
4
=
=组
折
L
L=11.5m
布置电热元件的炉壁长度 225050230050=-=-='L L mm
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度低于1000℃，查表知，螺旋直径D= (4~6)d ，
取D=5d=5*5=25mm
螺旋体圈数N 和螺距h 分别为
D
L N π折
=
=
310*25
*14.35
.11=146圈
N L h '=
=1462250=15.4mm 5
4.15=
d h =3.08 按规定，h/d 在2—4范围内，满足设计要求。 根据计算，选用YY 方式接线，采用5d mm =所用电热元件重量最小，成本最低。
电热元件节距h 在安装时适当调整，路口部分增大功率。
10、电热元件引出棒及其套管的设计与选择
（1）、引出棒的设计
引出棒用耐热钢或者不锈钢制造，以防止氧化烧损，固选用1Cr18Ni9Ti ， φ=12mm ，L=500mm ，丝状电热元件与引出棒之间的连接，采用接头铣槽后焊接。
（2）、保护套管的选择
根据设计说明中炉膛以及电热元件的设计，选用SND ·724·016号套管，
高铝矾土，重量0.5Kg ，d 引=φ16mm ，D 引=φ36mm ，长度300mm 。
（五）、热电偶及其保护套管的设计与选择 （1）、热电偶的选择
由于炉内最高的温度为950℃.长期使用的温度在1000℃一些，所以选用镍铬-镍硅热电偶。由于炉膛不分区，所以选用型号WRN-121的镍铬-镍硅热电偶，保护套管规格选择，外径24mm ，插入长度为500mm 。保护材料为双层瓷管。
（2）、热电偶保护套管的选择
这些条件，应该选用SND·724·020,高矾土，重量0.4Kg。d套=φ25mm、D套=φ40mm，长度为300mm。测温热电偶与控温热电偶均选用此保护套管即可。十一、炉子技术指标
额定功率：90kw 额定电压：380V
最高使用温度：950℃生产率：160kg/h
相数：3 接线方法：Y
工作室有效尺寸：1550*2300