一、设计任务书
题目：设计一台中温箱式热处理电阻炉； 炉子用途：中小型零件的热处理；
材料及热处理工艺：中碳钢毛坯或零件的淬火、正火及调制处理； 生产率：160 kg/h；
生产要求：无定型产品，小批量多品种，周期式成批装料，长时间连续生产； 要求：完整的设计计算书一份和炉子总图一张。 二、炉型的选择
根据生产特点，拟选用中温箱式热处理电阻炉，最高使用温度 ℃，不通保护气氛。 三、确定炉体结构及尺寸 1.炉底面积的确定
因无定型产品，故不能用实际排料法确定炉底面积，只能用加热能力指标法。已知生产率p为160 kg/h，按照教材表5-1选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为
2
120 kg/(m﹒h)，故可求得炉底有效面积：
由于有效面积与炉底总面积存在关系式 ，取系数上限，得炉底实际面积：
2.炉底长度和宽度的确定
由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑出料方便，取 ，因此，可求得：
根据标准砖尺寸，为便于砌砖，取 ， ，如总图所示。 3.炉膛高度的确定
按照统计资料，炉膛高度 与宽度 之比 通常在 之间，根据炉子工作条件，取 。
因此，确定炉膛尺寸如下：
长
宽 高
为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为：
效 效 效
4.炉衬材料及厚度的确定
由于侧墙、前墙及后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即 轻质粘土砖， 密度为 的普通硅酸铝纤维毡， 级硅藻土砖。
炉顶采用 轻质粘土砖， 密度为 的普通硅酸铝纤维毡，
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膨胀珍珠岩 。
炉底采用三层 轻质粘土砖 ， 密度为 的普通硅酸铝纤维毡， 级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。
炉门用 轻质粘土砖， 密度为 的普通硅酸铝纤维毡， 级硅藻土砖。
炉底隔砖采用重质粘土砖（ ），电热元件搁砖选用重质高铝砖。 炉底板材料选用 耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或者四块，厚 。 四、砌体平均表面积计算 砌体外廓尺寸如下：
外
外
外 试中 ——拱顶高度，此炉子采用60°标准拱顶，取拱弧半径 ，则f可由 ° 求得。
1.炉顶平均面积
顶内
π
顶外 外 外 顶内 顶内 顶外 2.炉墙平均面积
炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算，将炉门包括在前墙内。 墙内
墙外 外 外 外
墙均 墙内 墙外 3.炉底平均面积
底内 底外 外 外
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底均 底内 底外 五、计算炉子功率
1.根据经验公式法计算炉子功率 由教材式（ ）
安 τ升
取式中系数 ℃ ℃，炉膛面积
避
所以
安 τ升
° °
，空炉升温时间假定为τ升 ，炉温
由经验公式法计算得 安 2.根据热平衡计算炉子功率 （1）加热工件所需的热量 件
由教材附表6得，工件在 ℃及 ℃时比热容分别为 件 ℃ ， 件 ℃ ，根据式
件 件 件
（2）通过炉衬的散热损失的热量 散
I.炉墙的散热损失
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。
根据式（ ）
散
λ
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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
‘ 墙
℃，
℃，
‘
墙
℃，则
耐火层 的平均温度 均 纤维层 的平均温度 均 的平均温度 均
℃，硅酸铝
℃，硅藻土砖层
℃， ， 层炉衬的导
热率由教材附表3得
λ 均
（ ℃） λ 均
（ ℃）。
普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成直线关系，由 均 ℃，得
λ （ ℃）
当炉壳温度为 ℃，室温为 ℃是，由教材附表2可得炉墙外表面对车间的综合传热系数α ℃
①求热流
墙
λ λ λ α
②验算交界面上的温度 墙和 墙
墙 墙
λ
‘ 墙
℃
墙
’ 墙
误差 ，满足设计要求，不需要重新估算。
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墙 墙 墙
λ
‘ 墙
℃
墙
’ 墙
误差 ，同样满足设计要求，不需要重新估算。 ③验算炉壳温度 墙
墙
墙 墙 ℃ ℃
λ
满足一般热处理电阻炉表面升温 ℃的要求。
计算炉墙散热损失
墙散 墙 墙均
II.炉顶的散热损失
和炉墙散热损失同理，首先假定界面上的温度及炉顶壳的温度，
’ 顶
‘ 顶
℃，
℃，
‘
顶
℃。则：
耐火层 的平均温度 均
℃ ，硅酸铝纤维层 的平均温度 均
℃，膨胀珍珠岩层 的平均温度 均
℃。
， 层炉衬的热导率由教材附表3得：
λ 均 （ ℃） λ 均 ℃ 普通硅酸铝纤维的热导率由教材附表4查得， 均 时，λ （ ℃）。 当炉壳温度为 ℃，室温为 ℃是，由教材附表2可查得炉壳表面对空气的综合传热系数α （ ℃）。
①求热流
顶
λ λ λ α
②验算交界面上的温度 顶和 顶
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实用标准
顶 顶
λ
‘ 顶
℃
顶
’ 顶
，满足设计要求，不需要重新估算。
顶 顶 顶 ℃
λ
顶
‘ 顶
‘ 顶
③验算炉壳温度 顶
顶 顶 顶
λ
℃ ℃
满足一般热处理电阻炉表面升温要求。
④计算炉顶的散热损失
顶散 顶 顶均
III.炉底的散热损失
假定各层界面的温度及炉底温度， 耐火层 的平均温度 均
’ 底
℃，
‘ 底
℃，
’
底
℃。则
℃，硅酸铝纤维层 的平均温度 均
℃，硅藻土砖层 的平均温度 均
℃。
和 层炉衬的热导率同样可由教材附表3得
λ 均 ℃ λ 均 （ ℃）
普通硅酸铝纤维的热导率同样可由教材附表4由插入法得λ （ ℃）。 当炉壳温度为 ℃，室温为 ℃是，由教材附表2可得α ①求热流
底
λ λ λ α
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（ ℃）。
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②验算交界面上的温度 底和 底
底 底
λ
‘ 底
℃
底
’ 底
，满足设计要求，不需要重新估算。
底 底 底 ℃
λ
底
‘ 底
‘ 底
，满足设计要求，不需要重新估算。
③验算炉壳温度 底
底 底 底
λ
℃ 满足一般热处理电阻炉表面升温要求。
④计算炉底散热损失
底散 底 底均 整个炉体散热损失
散 墙散 顶散 底散 （3）开启炉门的辐射热损失
设装出料所需时间为每小时6分钟，根据教材式（ ）
辐 ∅δ
因为 ， ，由于正常工作是，炉门开启高度为炉膛高度一半，故炉门开启面积 δ 。
由于炉门开启后，辐射口为矩形，且 与 之比为 ，炉门开启高度与炉墙厚度之比为 ，由教材图1-14第一条线查得孔口遮蔽系数∅ ，故
辐 ∅σ
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，炉门开启率
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（4）开启炉门溢气热损失 溢气热损失由教材式（ ）得
溢 αρ δ
式中， 由教材式（ ）得
‘
’
冷空气密度ρ ，由教材附表10得 ℃ ， ℃， 为溢气温度，近似认为
℃ 溢 ρ δ
(5)其他热损失
其他热损失约为上述热损失之和的 ，故 他 件 散 辐 溢
(6)炉子热量总支出
其中 辅 ， 控 ，由教材式（ ）得
总 件 辅 控 散 辐 溢 他
（7）炉子安装功率 由教材式（ ）
其中， 为功率储备系数，本炉设计中 取1.4，则 安
′
′
安
总
与标准炉子相比较，取炉子功率为 。 六、炉子热效率计算 1.正常工作时的效率 由教材式（5-12）
η
件 总
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2.在保温阶段，关闭炉门时的效率
η
件
总 辐 溢
七、炉子空载功率计算
散 他 空
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，因为升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。
1.炉墙及炉顶蓄热
侧
黏
前。后
黏顶
黏侧
纤
前。后
纤顶
纤
侧
硅
前。后
硅顶
珍
由教材式
蓄 黏ρ黏 黏 黏 纤ρ纤 纤 纤 硅ρ硅 硅 硅 因为
黏
查教材附表3，经计算得
黏 黏 ℃
纤
墙 墙
℃
墙
℃
查教材附表3，经计算得
纤 纤 ℃
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硅
查教材附表3，经计算得
墙 墙
℃ 硅 硅 ℃ 炉顶珍珠岩按硅藻土砖近似计算，炉顶温度均按侧墙近似计算，所以得
蓄
黏侧
前。后黏
ρ黏 黏 黏
黏顶纤
顶
纤
硅前。后
纤前。后
ρ纤 纤 纤 ρ硅 硅 硅
硅顶
硅
侧
硅
2.炉底蓄热计算
炉底高铝质电热元件搁砖，近似看成重质黏土砖。炉底的复合炉衬按硅藻土计算。
底
底黏重
底重黏
底
轻黏
底
纤
硅
底
底轻黏
由于
底纤底
底
硅
底黏
℃
近似将重质砖和轻质砖平均温度看成相等。 差教材附表3，经计算得
底重黏底轻黏
底 底
底重黏底轻黏
℃ ℃
底纤
℃
查教材附表3，经计算得
底纤
底纤
℃
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底 底
底硅
℃
查教材附表3，经计算得
底硅
底硅
℃
所以得
底蓄
3.炉底板蓄热计算
根据教材附表6查得 ℃和 ℃时高合金钢的比热容分别为 板 ℃ 和 板 ℃ 。经计算炉底板质量 ，所以有
板蓄
板 板
因此，综上可得炉子蓄热
蓄 蓄
底蓄
板蓄
由教材式 得空炉升温时间
τ升
蓄 安
对于一般周期作业炉，其空炉升温时间在 内均可，故本炉子设计符合要求。因计算蓄热时是按稳定态计算的，误差大，时间偏长，实际空炉升温时间应在 以内。
九、功率的分配与接线 功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成 、 或 、 接线。供电电压为车间动力电网 。
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 之间，常用为 之间。
电 电侧 电底
安 电
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 ℃，选用线状 合金作电热元件，接线方式采用 。 1.图表法
有教材附表15查得 电热元件， 箱式电阻炉 接线，直径 时，其表面负荷为 。每组元件长度 组 ，总长度 总 ，元件总质量
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总 。
2.理论计算法
（1）求 ℃时电热元件的电阻率ρ
当炉温为 ℃时，电热元件温度取 ℃，由教材附表12查得 在 ℃时电阻率ρ Ω ，电阻温度系数α ℃，则 ℃下的电热元件电阻率为
ρ ρ α Ω （2）确定电热元件表面功率
由教材图 ，根据本炉子电热元件工作条件取 允 。
(3)每组电热元件功率
由于采用 接法，即两组电热元件并联后再接成 的三相双星形接法，每组电热元件功率
组
（4）每组电热元件端电压
由于采用 接法，车间动力电网端电压为 ，故每组电热元件端电压即为每相电压
组
（5）电热元件直径
线状电热元件直径由教材式（ ）得
组ρ （ 组 允）
取 。
（6）每组电热元件长度和质量
每组电热元件长度由教材式（ ）得
组
组
组ρ
每组电热元件质量由教材式（ ）得
组
π 组ρ 其中ρ 由教材附表12查得ρ （7）电热元件总长度和总质量 电热元件总长度由教材式（ ）得
总 组
电热元件总质量由教材式（ ）得
总 组
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（8）校核电热元件表面负荷
实
组π 组
实 允，结果满足设计要求。
（9）电热元件在炉膛内的布置
将6组电热元件每组分为4折，布置在两侧炉墙及炉底上，则有
组 折
布置电热元件的炉壁长度
‘
丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于 ℃，由教材表 可知，螺旋节径 ，取 。螺旋体圈数N和螺距h分别为
折π
圈
’
按规定， 在 范围内满足设计要求。
根据计算，选用 方式接线，采用 所用电热元件质量最小，成本最低。 电热元件节距h在安装时适当调整，炉口部分增大功率。
电热元件引出棒材料选用 ，∅ ， 。 电热元件图（略）。
十一、炉子构架、炉门启闭机构和仪表图（略）。 十二、炉子总图，主要零部件图及外部接线图（略），砌体图（略） 十三、炉子技术指标（标牌） 额定功率： 额定电压：
生产率： 最高使用温度： ℃
相数：3 接线方法： 工作室有效尺寸： 外形尺寸： 质量： 出厂日期： 十四、编制使用说明书（略）
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