粉末冶金电炉课程设计说明书.doc

粉末冶金炉课程 设计说明书 起止日期： 2012 年 5 月 21 日 至 2012 年 6 月 1 日 学生姓名 亮 亮 班级 金属材料 092 学号 成绩 指导教师 (签字 ) 冶金工程学院（部）冶金工程学院（部） 2012 年年 月月 日日 1 前前 言言 工业现代化的实质是工业生产科学化，其关键在于工业生产的技术化。设 备是粉末冶金工业的物质基础和技术基础。粉末冶金工艺过程中的制粉、烧结、 粉末锻造以及粉末冶金材料的热处理等都要应用到粉末冶金炉。掌握好粉末冶 金炉热工技术，采用新的热工设备，对提高产品的产量和质量、节约能源、改 善劳动条件以及促进粉末冶金发展均有十分重要的意义。 烧结工序是硬质合金生产过程中最后一道主要工序，也是一道关键工序。 所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定的温度，并保持一定的时间，然后冷却， 从而得到所需性能的制品。烧结的目的是使多孔的粉末压坯变为具有一定的组 织和性能的合金。烧结工序产生的废品一般无法通过后续工序进行处理，所以 其工艺和设备的选择对烧结产品的组织和性能，有着重大的甚至是决定性的影 响。自硬质合金产品问世以来，烧结作为硬质合金生产过程中最重要的工序， 一直是人们研究的重点，各种促进烧结的方法和设备不断涌现，对改进烧结工 艺，提高硬质合金产品的性能，降低能源消耗，起了积极的作用。 烧结设备 和烧结工艺有着紧密联系。 真空烧结炉随着硬质合金烧结工艺的发展而不断改进，上世纪 80 年代， 采用真空烧结炉生产的碳化钛合金产品， 不论硬度还是强度都优于氢气烧结 炉生产的产品。目前真空烧结炉被广泛应用于中低档硬质合金产品的生产中。 我国硬质合金烧结开始广泛采用真空烧结工艺。在炉内压力小于大气压的条件 下进行烧结，叫真空烧结。真空烧结炉分为真空烧结脱蜡一体炉，和脱蜡与真 空烧结分开进行的单独真空烧结炉。目前，卧式真空烧结炉使用较广泛。 2 目录目录 前言前言1 设计任务书设计任务书3 一、一、设计任务3 二、二、设计内容3 三、三、已知条件3 设计计算、说明书设计计算、说明书4 一、确定炉型4 二、二、确定炉子尺寸4 1、炉膛尺寸的确定 4 2、炉衬隔热的材料选择 5 3、各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度5 三、三、确定炉子的功率7 7 1、炉子加热温度7 7 2、加热曲线7 7 3、无功热损失的计算7 4、结构的蓄热量11 5、炉子功率的验证14 6、其他部件的设计及计算15 五、真空系统设计五、真空系统设计17 1、根据设计技术条件,确定真空系统方案 18 2、真空炉必要抽速计算18 3、根据炉子必要抽气速率选择主泵20 4、选配前级真空泵20 5、确定真空系统管及配件尺寸20 后记后记 22 参考文献参考文献 23 3 设计任务书设计任务书 一、一、设计任务设计任务 设计一台加热功率为 100kw 的硬质合金真空烧结炉。 二、二、设计内容与要求设计内容与要求 1、炉体结构设计 包括炉型的选择、炉子结构的确定、炉体尺寸的计算、耐火（隔热）材料 的选择、进出料系统的确定、冷却系统和炉架部分的确定等。 2、电热元件设计 包括电热元件材质的选择、电热体结构尺寸的计算、电热体安装结构和尺 寸的确定。 3、真空系统设计 包括必要抽速的计算、真空系统的布置及真空泵的选择。 4、辅助设备设计 包括测量和控制系统的选择、供电、供水系统的选择等。 5、绘图 炉主体图 1 张，采用 2#图纸。建议采用 cad 绘制。 4 三、三、已知条件已知条件 真空烧结炉技术参数： 项目单位指标 炉子有效加热尺寸 mm900600600 最高温度 1500 额定功率 kw100 极限真空度 pa10-2 5 设计计算、说明书设计计算、说明书 一、确定炉型 采用卧式间歇式真空烧结炉 二、确定炉体结构和尺寸： 1、炉膛尺寸的确定 由设计说明书中，真空加热炉的有效加热尺寸为 900mm600mm600mm600mm600mm，隔热屏内部结构尺寸主要根据处理工件的形状、尺寸 和炉子的生产率决定，并应考虑到炉子的加热效果、炉温均匀性、检修和装出 料操作的方便。一般隔热屏的内表面与加热器之间的距离约为 50-100mm；加热 器与工件(或夹具、料筐)之间的距离为 50-150mm。隔热屏两端通常不布置加热 器，温度偏低。因此，隔热屏每端应大于有效加热区约 150-300mm，或更长一 些。从传热学的观点看，圆筒形的隔热屏热损失最小，宜尽量采用。 则： l9002(150300)12001500mm l=1300 b6002(50150)2(50100)8001100mm b=1000 h6002(50150)2(50100)8001100mm h=1000 据经验，我们取 l=1300mm；b=1000mm；h=1000mm。 2、炉衬隔热材料的选择 由于炉子四周具有相似的工作环境，我们一般选用相同的材料。为简单起 6 见，炉门及出炉口我们也采用相同的结构和材料。这里我们选用金属隔热屏， 由于加热炉的最高使用温度为 1500。这里我们采用六层全金属隔热屏，其中 内二层为钼层，外四层为不锈钢层。 按设计计算，第一层钼辐射屏与炉温相等，以后各辐射屏逐层降低，钼层 每层降低 300左右，不锈钢层每层降低 150左右。 则按上述设计，各层的设计温度为： 第一层：1500；第二层：1200； 第三层：900；第四层：600； 第五层：450；第六层：300； 水冷夹层内壁：100 最后水冷夹层内壁的温度为 100120，符合要求。 3、各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度 （1） 、隔热屏 由于隔热层屏与屏之间的间距约 8-15mm，这里我们取 10mm。钼层厚度 0.3mm，不锈钢层厚度 0.6mm。屏的各层间通过螺钉和隔套隔开。 第一层面积： 2 1 f 111111 hbhlbl 2(130010001300100010001000) 7.20 7 第二层面积： 2 2 f 222222 hbhlbl 2（131010101310101010101010） 7.3326 第三层面积： 2 3 f 333333 hbhlbl 2（132010201320102010201020） 7.4664 第四层面积： 2 4 f 444444 hbhlbl 2（133010301330103010301030） 7.6014 第五层面积： 2 5 f 555555 hbhlbl 2（134010401340104010401040） 7.7376 第六层面积： 2 6 f 666666 hbhlbl 2（135010501350105010501050） 7.875 （2） 、炉壳内壁 8 炉壳采用双层冷冷却水结构，选用 45 号优质碳素钢。炉壳内壁面积： 2 冷 f 冷冷冷冷冷冷 hbhlbl 2（136010601360106010601060） 8.0136 根据经验值取壁厚为:s10 三、确定炉子的功率值三、确定炉子的功率值 1、炉子加热温度：1500 2、设计加热曲线如下： t 3、无功热损失的计算 （1） 、通过隔热屏热损失 q 的计算电热元件、隔热屏的黑度为： 1 0.95；0.096； 热 1 0.096； 2 0.55；0.6。 3 4 5 6 冷 则导来辐射系数： c 1热 11 5.675.67 11 11 0.602887.201 1 0.950.096 f f 热 热 9 3.08j/(hk ) 4 其中 f 由前面算得，f 为加热元件的表面积， 1热 f = 热 24=3.14 10 0.8 24=0.60288dl 同样计算得： c 12 1 122 5.675.67 17.201 11 1 1 0.0967.3326 0.096 f f 0.288kj/(hk ) 4 c 23 2 233 5.675.67 17.33261 11 1 1 0.0967.4664 0.55 f f 0.5053kj/(hk )4 c 34 3 344 5.675.67 17.46641 11 1 1 0.557.6014 0.55 f f 2.1625 kj/(hk ) 4 c 45 4 455 5.675.67 17.60141 11 1 1 0.557.7376 0.55 f f 2.1625kj/(hk ) 4 c 56 5 566 5.675.67 17.73761 11 1 1 0.557.8750.55 f f 2.1624kj/(hk ) 4 c 冷6 6 6 5.675.67 17.8751 11 1 1 0.68.0136 0.6 f f 冷冷 10 2.4421kj/(hk ) 4 则 q 1 611 44 111 100100 fcfcfc tt 44 1873423 100100 111 3.08 0.602880.288 7.202.4421 7.875 80479.85kj/h 式中： t 电热元件的绝对温度，按高于炉子工作 热 温度的 100计算，即 t 1873k; 热 t 炉内壁的绝对温度，即按设计计算 冷 得 t 423k。 冷 各辐射屏的温度的验算： 第一层：q 4 1 100 t 4 100 热 t 1 热热 fc 1 1 把各项数据代入上述公式，计算得 t =1680k 即 t =1407 11 第二层：q 4 2 100 t 4 100 热 t 1 1121 11 fcfc 热热 把各项数据代入上述公式，计算得 t =1422k 即 t =1149 22 11 类似计算，得： t =854；t =685685； 34 t =532532； t =317317； 56 t =151151 冷 验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相近，符合要求。 （2） 、水冷电极传导的热损失 q2 q 2 21 2 4 ttc d n 31.010 24.210 （3020） 3 4 008. 0 2 3 12660.5kj/h 式中： n水冷电极， n3; 水的密度， 1.010 kg/m ; 33 水管直径，取 d0.008m；d 水的流速，对于中等硬度水取 2m/s； t 冷却水出口温度 t 30； 11 t 冷却水出口温度 t 20; 22 c水的比热，kjkg （3） 、热短路损失 q3 该项热损失,包括隔热层支撑件与炉壁联接热传导损失，炉床或工件支承 架短路传导损失，以及其它热短路损失等。这部分热损失很难精确计算，权据 12 经验，这部分热损失大约为 q1的 5-10左右，这里我们取： q 8q 880479.856438.4 kj/h 31 （4） 、其他热损失 q4 其它热损失，加热电偶导出装置，真空管道、观察孔、风扇装置等的热损 失。这部分的热损失也很难精确计算，根据经验，这部分热损失大约为 q1的 3-5左右,取 q4(3-5) q 这里我们取： 1 q 5q 580479.854024.0kj/h 41 则： qq q q q 损失1234 80479.85+12660.5+6438.4 +4024.0 103602.75 kj/h 4、结构的蓄热量 炉子结构蓄热消耗是指炉子从室温加热至工作温度，并达到稳定状态即热 平衡时炉子结构件所吸收的热量，对于连续式炉，这部分销耗可不计算。对于 周期式炉，此项消耗是相当大的，它直接影响炉子的升温时间，对确定炉子功 率有很重要的意义。 炉子结构蓄热量是隔热层、炉床、炉壳内壁等热消耗之总和。 （1） 、隔热层的蓄热量 第一层： g 111 bf 钼 10.210 7.200.310 22.3kg 33 13 q 1 011 ttcg m 22.30.259（140720）8010.9kj 第二层： g 222 bf 钼 10.210 7.33260.310 22.4 kg 33 q 2 022 ttcg m 22.40.259（114920）6550kj 第三层： g 333 bf 钢 7.910 7.46640.310 17.70 kg 33 q 3 033 ttcg m 17.700.259（85420）3823.31kj 第四层： g 444 bf 钢 7.910 7.60140.610 36.03 kg 33 q 4 044 ttcg m 36.030.5041（68520）12078.2kj 第五层： g 555 bf 钢 7.910 7.73760.610 36.68 kg 33 q 5 055 ttcg m 14 36.680.5041（53220）9467.1kj 第六层： g 666 bf 钢 7.910 7.8750.610 37.33 kg 33 q 6 066 ttcg m 37.330.5041（31720）5588.96kj （2） 、炉壳内壁的蓄热量 g 内冷冷钢 bf 7.910 8.01361810 1139.5 kg 33 由于内壁温度由内到外以此降低，内部温度为 100，外部温度为 20。 则： q 1/2 冷 0 ttcg m 冷冷 1/21139.50.4682（10020） 21340.6kj 于是： q 蓄 冷21l qqq 8010.965503823.31 12078.29467.1 5588.96 1 45518.47kj/h 5、炉子功率的验证 ： 炉子应供给的总热量：炉子加热温度：1500 设计加热曲线如下： 15 t 根据加热曲线转换炉子功率： q =45518.473600=12.64kw 蓄 q=10362.753600=28.78kw 损失 q =q -q-q 有效总损失蓄 80-12.64-28.78 58.58kw 则炉子效率 n n (58.58100)100=58.58 总 与炉子设计效率基本符合，则可采用。 6、其他部件的设计及计算 对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性，在炉膛的四周都安装加热元 件，即两底面和两侧面都安装上加热元件，加热元件组成星形连接。 由于炉温最高温度达 1500，而加热元件的温度则为 1600，壳选用石墨 棒为加热元件，加电压为 200v。 根据加热室的形状尺寸，确定石墨棒的有效加热长度为 l=900,每个面上 都布置有 6 根石墨棒，四个面上共 4624 根。每 8 根为一组进行星形连接， 16 每组分配功率为 25kw。 由公式 r 和 f得： t p u 2 r l t f p u l 2 p u l 2 122510 54mm 3 2 8 900 10 200 32 设石墨棒的外径 d11，则其内径： d7.22 22 1154 44 44 df 为保证功率满足要求，取 d8。 根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外 d11，内径 d8，电热 元件在靠近炉口的部分其间距应稍小一些，以使炉口处温度不致过低。其电源 为三相，使用磁性调压器。 7、冷却系统设计 （1） 、冷却水消耗计算 壳 q 421 qqq 80479.8512660.54024.097164.35kj/h 7808.2946469.32 kj/h 外壁散 fq780 1.1 21 ttc qq g 散壳 水 3 97164.356469.32 4.2 104020 v 1.1m 水 水 水 g 1.1 1.0 3 17 (2)、确定水在水壳内的经济流速和当量直径 器管内为软水，流速为m/s，则水流管5 . 1 得当量直径为： d16 v4 1.1 4 3600 1.5 （3） 、求对流热换系数 0.113 d d 8 . 0 310 0.113 0.8 3 3 310 16 101.5 16 10 35.17kj/(h) (4)、验算水冷炉壁得温度() 壁 t 壁 t f n 7 . 205 水 t 2020.7100 符合要求 205.7 9.18 35.17 8.294 n冷却水带走的热量， n25.2kw 3595 散壳 qq 97164.356469.32 3595 （5） 、冷却水的管道设计 进水管径的确定 进水管直径 d12，出水管径稍大些为 d16。 回水管直径的确定 下水管道的流速 18 2.0m/s 2 gh22 . 08 . 92 则下水管道截面直径 d 13.3 2 2 4 v1.1 4 3600 2.0 取 d =14 2 （6） 、水冷电极 水冷电极是将电能引入到炉内电热元件上的导电装置，通过炉壳时要保证 良好的密封，通常用真空橡胶圈或聚四氟乙烯圈密封。电极要有足够大得断面 积，常用紫铜制造。 （7） 、观察窗 观察窗是真空炉工作时用于观察工件受热情况得，要求结构简单，观察 高度适宜，其尺寸的大小在满足观察视野的前提下，应尽量小些。观察窗上的 玻璃要求耐温并有一定的温度。6001100时可选用铝硅、高硅氧、石英玻 璃。 （8） 、热电偶测温装置 热电偶作为测温和控温装置的感温元件，是真空热处理炉加热室要的测试 装置，真空炉上要保证热电偶丝的引出必须符合真空密封的要求。本设计中一 般用钨铼热电偶作为热电偶丝。使用耐高温的高纯氧化铝管作为保护材料。 五、真空热处理炉真空系统的设计 真空热处理设备的真空系统通常由获得真空的容器(真空炉)和真空获得 设备(真空泵机组)、控制真空和测量真空的组件设备组成。分述如下： (1)真空泵机组，根据炉子工作压力和抽气量的大小，分别选配有不同抽 19 速的超高真空泵，高真空泵，中真空泵和低真空泵。 （2)在真空炉室和真空泵机组间配备的各种真空组件或真空元件，如阀门、 过滤器、冷阱、波纹管、管路、密封圈和法兰等。 (3)为了测量真空系统的真空度，在系统的不同位置上设置测量不同压力 的真空规管或其它真空仪表，如电离导管、热电偶导管。通常还设有真空压力 表和其它真空测量仪表。 (4)真空检漏仪器、真空控制仪器、充气装置等。 1.根据设计技术条件,确定真空系统方案 根据所选的真空泵的极限真空度应比炉子工作真空度高 1 个数量级的原则,同 时考虑到真空泵应在 1-pa 真空度范围内有较大的抽气速率。所以,选取机 -2 10 械增压泵和机械真空泵组成的真空系统即:罗茨泵机械真空泵机组。 2.真空炉必要抽速计算 p q p fq p vq n p gq s 漏表衬料料 必 522 1016 . 0 1057 . 0 107 . 5 5.710 22 65 171.87540 35.5 1.20.57 10 3600 0.1333600 0.133 0.1610 5 44 33.516 8.294 101.861 10 0.1330.133 47.83l/s 式中有些数据根据一般设定得； s 炉子的必要抽速，即为了达到所要求的真 必 空度，从炉中抽出气体的速度(ls)； g 炉料重量(kg)，为 171.875kg； 料 20 q 被处理材料所放出的气体量，换算成标准 料 状态下的气体体积(/100g)，通过查表可知钢 3 cm 在标准状态下的放气量为 0.150.65l/kg，取 0.60l/kg,即 65 /100g； 3 cm q 炉衬材料单位体积中放出的气体量，换算 衬 成标准状态下的气体体积(/)，取 40 /l； 3 cm 3 dm 3 cm v炉衬材料的体积(),隔热屏的体积为 35.5dm 3 dm 3 q 金属结构材料单位表面积上单位时间内放 表 出的气体量，换算成标准状态下的体积/（ 3 cm s)） ，因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可 2 cm 得 q =9.3110-6l/s33.516 ； 表 2 cmhcm/cm 23 f炉子金属构件和炉壁的表面积（） ，f8.294 2 cm p真空度，即工作压强(pa)，为 0.133pa； 处理时间(s)，1h3600s； n热处理过程中的不均匀放气系数，一般取 为 1.2，真空烧结时取为 2 q 系统的漏气率，根据设计要求为 漏 0.67pa/h1.86110 pas。 4 3.根据炉子必要抽气速率选择主泵 一般主泵的抽气速率约等于炉子必要抽气速率的 2-4 倍,考虑到本计算真 空系统没有采用障板,过滤器等。阻力损失仅考虑管道和阀门,所以采取 2 倍炉 21 子必要抽气速率即 s =3s =143.49l/s 主必 按 s 选取 zj150 机械增压泵为主泵,其主要 主 技术指标为: 抽气速率 150l/s 极限真空度 6.7pa -2 10 4.选配前级真空泵 机械增压泵(罗茨泵)的前级真空泵的抽气速率 按下式算: l/s2513 105 1 主前 ss 按 s 选取 2x30 旋片式真空泵为前级泵,其主要指标为: 前 抽气速率 30l/s 极限真空度 6.7pa -2 10 5.确定真空系统管及配件尺寸 按所选择的机械增压泵和前级真空泵的性能规格,选取管道及配件如阀门 等尺寸规格。 (1)、真空闽门 真空阀门的作用是用来调节气流或隔断气流，种类繁多，根据阀门的工 作特性、传动原理、结构和用途。 对真空阀的基本要求：尽可能大的流导，密封可靠，操作简便，密封部件 磨损性好长，容易安装和维护，有的还要求动作平稳快速，或者同时要求占据 空间小等。 22 (2)、全属波纹管 金属波纹管又称弹性管，它可产生轴向变形，在真空炉上广泛应用于机械 真空泵进口侧管道上，其作用是减少机械泵对炉体的震动；另外可用于补偿安 装位置误差和热胀冷缩的密封连接件等。真空系统中，对于小型管路，也可用 真空橡胶管或尼龙管内衬弹簧结构(金属丝网尼龙管)代替金属波纹管。 (3)、密封圈结构 密封图形式有几种,o 型主要用于静密封,j 型和 o 型主要用于动密封,此外 还有金属圈和金属丝的密封结构。密封形式有静密封和动密封,其选用依工作 要求而定。 (4)、冷阶和过滤器 根据真空