底热式中温氮气烧结炉设计毕业论文

底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 1 1 底热式中温氮气烧结炉设计 摘要 ：本设计主要从炉体优化，加热通风系统改进，以及提高设备在长期工作中保持可靠的封气和隔热效果来介绍底热式中温氮气烧结炉的研制及设计过程。这种氮气烧结炉要求节能、节气、环保、高效，能够满足国家经济科学环保的发展要求。在基础工业不断现代化，即传统的制造技术与计算机技术、信息技术自动化、新材料技术、现代管理技术的紧密结合，市场竞争更趋于白热化，产品的质量不仅要求更加严格，同时如何提高效率、效益、保护环境方面也更上一层楼，因此对本设计中新型氮气烧结炉的研制和设计急不可待。本设计主要包括总 体结构设计、总体图、主要部件装配图、以及设计计算说明说一份。 关键词： 烧结炉，通风系统，烧结 1 引言 1.1 国内对三层塑料自润滑材料的需求 钢背 -铜粉 -改性 PTFE三层复合自润滑轴承材料，是 60年代末英国 GLACIER公司发明的一种新型自润滑轴承材料，由于其综合机械性能和导热性能优良抗摩擦性能好，特别是可在无润滑条件下工作，对配偶材料磨损低，自问世以来很快在机械领域中推广应用。我国从 70年代末，在参照国外产品的基础上开始了国产三层复合材料的开发应用，特别是 90年代以来，随着先进机械技术的引进和 交流，国产三层复合材料的应用和行业生产也进入一个新的发展时期，但是与先进工业国家产品质量相比，国产三层复合材料的品质仍存在较大差距。 1.2 国内使用烧结炉现状 目前国内对三层复合材料的塑化结构主要使用上海仪器厂的箱 151型炉作为烧结装置，这种烧结方式主要早空气气氛中加热烧结，这种烧结方式存在严重不足， DU材料层中的填料如铅粉铜粉等成份在高温下氧化反应，使复合材料成份和组织结构发生变化，并导致使用性能特别是摩擦磨损性能降低。因此改进金属基于氟塑材料层的复合方法，对于提高 D 三层复合材料性能，进一步拓宽其使用 范围有很大的现实意义。基于这种思想我们在研究烧结气氛对氟塑材料复合自润滑化材料摩擦学性能影响的基础上，提出氮气保护烧结 DU材料的工艺方法，并研制开发了新型高效节能氮气保护烧结装置 底热式中温氮气烧结炉。 1.3 底热式氮气烧结炉的技术要求及技术关键问题 1.3.1 底热式中文氮气烧结炉的技术要求 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 2 2 为保证烧结出具有优良摩擦磨损性能和综合使用性能的三层复合材料要求塑化烧结设备具有以下三个要求： （ 1） 炉内温度均匀、温度波动小，使用三层复合材料在最佳温度下塑化烧结； （ 2） 炉内外伸的传动元件在高速运转下要有良好的动态密 封，减少窜气和氮气泄露，使设备在长期工作中保持可靠的密封和隔热效果，尽量避免高温烧结下炉内三层复合材料的氧化； （ 3） 提高炉膛内塑化烧结区的温度控制精度，以满足氟塑材料充分塑化对控温温度的要求。 1.3.2 中温氮气烧结技术关键问题 （ 1） 如何在炉膛内减小温度场的分布梯度，使炉内温度充分均匀、温度波动达到最小； （ 2） 如何提高炉膛内塑化烧结区的温度控制精度，以满足氟塑料充分塑化对控温精度的要求； （ 3） 如何设计炉内外伸传动件的高速运转下的动态密封结构，使设备在长期工作中保持可靠地封气和隔热效果； 为解决这些技术难题，在对设计方案进行 充分论证的基础上，运用所掌握的知识，科学的使用新技术 和新材料。如何防止烧结过程中三层复合材料的氧化，采取氮气保护气氛；为减少氮气和热能的损失，采取全封闭状态烧结，并要求达到一定的真空度等。 2 .底热式氮气烧结炉的主体设计 2.1 通风系统 2.1.1 风扇及风扇轴的设计与计算 （ 1）由于风扇的工作环境为靠近加热元件的位置，扇叶直接接受电热元件辐射，需要耐高温的材料加工的扇叶才能正常工作。出于经济性的考虑选用马氏体不锈钢 2Cr12NiMo1W1V。其化学成分为 C 0.20-0.25， Si 0.50， Mn 0.50-1.00 P 0.030， S 0.025， Ni 0.50-1.00， Cr 11.0- 12.50， Mo 0.90-1.25， W 0.90-1.25，V 0.20-0.30， Cu 0.30。密度为 7780KG m3 ，将其制成厚度为 2mm，直径为 300mm的扇叶的总质量 m= v= （ d 2） =1.099。最大允许偏转半径 5O 。 （ 2）风扇轴的设计与计算： 风扇在高速旋转中使其扇叶左右两部分产生压差，从而让工作室的气流迅速通 过电热体，将其表面的热量迅速带走并送入风道进行强制均匀的混合通过右侧 不等间距通风孔，均匀送入炉膛，工作转盘及工件的旋转则进一步使温度场气流 均化，使烧结质量达到最优化。可以看出风扇在温 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 3 3 度场强制均匀化中起着至关重 要的作用，因此对它的设计要引起足够重视。风扇轴主要承受两个力矩，一是高 速旋转时空气阻力对轴产生的阻力矩；二是由于安装等其他原因造成的偏转半 径，轴在高速旋转时产生离心力，离心力会对整根轴作用弯矩。因此整根轴设计 就是通过弯扭组合考虑它的危险截面，确定轴的最小直径尺寸。风扇的参数：厚度 3mm；直 径 250mm； 质量 1700；转速 1500r/min 最大允许偏转半径 4 mm ，电机功率 0.55kw。 由于风扇的主轴需要有足够的长度通过保温层，所以先考虑保温层的厚度，才能考虑风扇主轴的弯矩。 有设计需求知 1，炉膛的最高温度使 t1=400，外壁温度 t2=40，室温t3=25。 平壁以热传导的方式自内壁传导到外壁的热量为： q2= s（ t1-t2） 外壁以辐射和对流的方式传给车间空气的热量为： q3=a总 2（ t2-t3） 因为是稳态传导热量，所以 q2=q3. 由此可得 ： S=（ t1-t2） a总 2（ t2-t3） 式中 a总 2 -炉腔外表对空气的综合热系数，因为卢强外壁温度为 40，此时 a总 2 不超过 16 kcal h C。 故 S=67.5mm 68mm 由于风扇的主轴受到弯矩和扭矩的的联合作用，所以应分别计算出主轴的转矩和弯矩。 转矩的计算： T=9550P n=3.502 N m 最大弯矩的计算： 先计算主轴所受到的离心力 F=mv2 r 计算 主轴所受到的最大离心速度 V2= 2r2=m 2r=mr（ 2 f） 计算偏转半径 r=L Sin5 由此得 F=255N 计算弯矩 M=F L=27.54N m 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 4 4 图 2-1 转矩图 图 2-2 弯矩图 根据第三强度理论： ca= 22 )2(4)( WTWM =W1 22 TM W= 323d所以 d 32232TM =18.64mm 取整得 d=20mm 校验：按弯扭合成应力校核风扇主轴的强度，用轴上所承受的最大弯矩和扭 矩的截面作为校核截面： W TM 222 )*1( = )(32 3 TMd =21.79MPa 1 ，式中 1 ，因为扭转切应力是以对称循环变应力的形式存在的。 （ 3）烧结炉风扇主轴材料选取：不仅要考虑其耐 热性还要考虑其力学性能，奥氏体不锈钢不仅具有良好的耐腐蚀性而且在 540的条件下强度较高，出于经济型的考虑选用最常见的 304钢，牌号为 1Cr18Ni9Ti。一般使用温度为 815以下的环境。抗拉强度为 b 520MP，许用弯曲应力 -1 =45MPa。： 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 5 5 图 2-3 风扇主轴 2.1.2 通风道及多孔通风道的设计与选材 三层复合材料的塑化烧结质量对烧结温度的波动较为敏感，烧结温度不够或过烧都严重影响三 层复合材料的使用性能。因此，新型炉体设计中首先要解决温度场分布的均匀性和温控精度问题。传统底热式烧结炉主要缺点是冷炉升温慢，炉内温差大，工件容易产生氧化和脱碳，受热不均匀，低层容易产生加热高温区。为解决这一问题我们增加一通风系统，使炉内各层受热均匀。 因为热气流有自下而上流动的特性，为了使炉膛内的温升更加均匀，使工件被加热的更加均匀，因此将通风板设计成下大孔上小孔的密孔板。这样能使更多的热气流吹向下层。这样就能避免下层工件加热的不充分，又由于热气流向上升，也加热了工件，延长了热气流的流动路线，使工件 得到热量充分均匀。 图 2-4 通风板 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 6 6 由于多空通风板和通风道在实际工作时，仅受到气流流通时所产生的力，且力的数值较小，可忽略不计。出于经济性的考虑，将炉体的通风板和通风道的材料选用不受力的铁素体不锈钢材料。铁素体不锈钢具有良好的抗高温氧化性能，但他的高温机械性能不高。因此选用最常见的 430型不锈钢，成分为 1Cr17。 2.1.3 炉门及其他的传动的密封设计 中温氮气烧结炉主要用于三层复合材料的烧结，由于三层复合材料板在装炉卸炉时需要的操作空间较大，也要求较大的炉门尺寸。又要保护三层复合材料在烧结过 程中不发生氧化，炉体必须设计成完全密封的。因此大尺寸炉门的密封的实现也成看新型炉设计的一个关键。保证密封的最佳途径是采用弹性密封材料。这里主要应用高分子弹性材料，经济可靠的实现了炉门的密封。应用传热学的原理，设计出了如图所示的三重复合密封的炉门结构，其内采用了两道石棉和玻纤布构成的耐高温挡圈，以有效阻止炉膛内的热量沿门框间隙向外传导，最外层选用了耐热性能良好的发泡硅橡胶密封圈，在拧紧把手关紧炉门的情况下，达到良好的隔热封气效果（如图所示）。利用这种复合炉门密封结构可以将炉门外壁的温度 控制在 60 80 0 C 以下，并能承受在约 400 0 C 打开炉门时热气流的冲击而长期可靠的稳定工作。同时选用复合塑料柔性自润滑材料和特殊的结构设计实现了高速风扇轴零件的动态密封。使中温氮气烧结炉的整体密封达到良好的设计要求。 图 2-5 炉门 除了有机保温材料外，其他保温材料都能耐高温，但各种材料所能承受的最高温度却有所不同，现今最常见的耐高温材料包括以下几种：硅酸钙管壳， 硅酸铝 棉毡，玻璃面， 硅藻土 ，膨胀蛭石，矿棉等。 由于本烧结炉要烧结 DU材料，炉壁的材料要求能够承受 400左右的高温同时还要保证材料的经济性。 由于矿棉的长期使 用温度高达 700，其导热系数为 0.045W(m K)，远远小 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 7 7 于硅酸钙管壳， 硅酸铝 棉毡，玻璃面， 硅藻土 ，膨胀蛭石，且其经济性较好故选用矿棉作为炉体的主要保温材料。里层选用耐热不锈钢板，外层选用不锈钢板。 2.1.4 通风系统转配图 图 2-6 2.2 电气部分 2.2.1 加热元件的设计 加热元件是烧结炉最在设计加热重要的部件之一，在设计加热元件时主要考虑以下几个问题。 （ 1）加热元件的材料选取及安置 由于中温氮气烧结炉采用了内热式结构，电热丝必需置于炉膛内部，有因为氟塑烧结区域和炉膛底部严禁出现过热区。排 列在炉膛底部通风口处，并用网板与烧结区隔开。 加热元件按照其材质种类可分为金属电热元件和非金属电热元件。非金属加热元件一般用于 1000以上的高温电阻炉，价格相对金属电热元件价格高，而400的电阻炉若是使用非金属加热元件进行加热 ，则会造成极大的浪费，违背了经济性的原则，故此处不选用非金属加热元件。由于镍铬合金耐腐蚀能力强，具有较高的电阻系数，电阻温度系数较小，高温时的力学性能较好，且易于加工焊接，功率稳定，经济型较好。 在一系列的镍铬合金中， Cr20Ni80 具有较高的电阻系数，高耐热性和高温强度且具有较 小的线胀系数和电阻温度系数，长期使用时不会产生脆性断裂，经济性较好。故选用 Cr20Ni80作为加热电阻丝的材料。其主要物理性能如下元件最高 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 8 8 使用温度 1200，快速寿命 :不小于 80h，熔点 1400，密度 8.4克 /立方厘米，电阻率 :软态丝材， 600的电阻系数 t 为 1.139 m2 m-1 。 (2).电热体的表面负荷的确定 表面负荷是指加热，元件单位表面积发出的热功率，在一定条件下表面负荷 选的小，元件表面温度就低，但电热体用量将变大且体积长度也大；而表面 负荷 过大时，往往有会使电热体的表面温度太高，导致电热体的寿命大大降低。所以 表面负荷的正确设计是至关重要的。本设计中的炉子是气流强迫循环式电阻加热 炉，加热元件的散热是以对流交换为主，因此将加热元件置于通风的入风口处， 可使加热元件在承受较大的表面负荷时，不至表面温度过高。设计中确定的表面负荷在使环境加热温度达到 400 410 C ，加热元件温度不高于 550 C ，入口风速为 6m/s,则可从查出表面负荷可达到 5.5w/ 2 。 2.2.2 加热元件的计算 （ 1）炉子功率的计算 烧结炉一般为电阻 丝炉且属于间歇式工作式炉。电阻炉的公路大小与升温时间，工作室尺寸，路子的结构等因素有关。设计时可以采用热平衡法进行设计计算，也可由经验法设计计算。由于经验计算法计算简便，部分影响因素可由经验法进行确定，理论计算法比较精确，但是计算方法较为复杂，部分影响因素无法考虑，所以本次计算选用经验法。 根据经验法公式来计算功率： 比例系数 C=25（ kw h0.5） m1.8C1.55，为了达到最大效率，所以加热时间为0.5h，工作室尺寸 1100*900，加热温度 400。 P=C 5.0升F0.9（1000t） 1.55 F= dh +2 22d）（由上式得 P 20KW （ 2）电热丝功率的计算 表面负荷是指电热体单位表面积的复合功率，他是影响电热体的使用寿命的重要标准。如果表面负荷较小，加热元件表面的温度就低，则消耗的材料就多，即电热丝的长度就会变大。另一方面，如果便面复合过大，又会 使电热体与工件之间的温差增加，使电热体经常处于高温的情况，使使用寿命降低。所以表面负荷的设计是十分重要的。本炉的加热元件的散热以空气对流来实现。因此将加热元件放置在风道的入风口出，可是电热体的承受较大的表面负荷的情况下，表面温度不会过高。当加热原价的温度 400时 从相关手册中查到，直径 1.2mm的电热丝表面负荷为 w=5.5W cm2。 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 9 9 根据前面公式得到加热元件的总体功率为 20KW,使用三相交流电供电，相电压为 v=220V，每一相分配到的功率为 6.667KW，且有两根电热丝承担，故每根电热丝的功率为x3.334KW。 根据热处理手册得： d=34.4322wv tx =1.2mm 所以电热丝的电阻是： Rt=)*10( 32XU=14.52 单根电热丝的长度参数截面积： S= r2 =1.130 单根电热丝的长度： I=ttRS*=14.4m （ 3）电热丝的放置 由于 烧结炉使内热式结构，且电热丝太长，将电热丝先卷成螺旋状，在将螺旋状的电热丝卷在陶瓷制成耐火材料棒上。制成侧立式的加热元件板，放置在炉膛的底部风扇吸气口处。 图 2-7 螺旋缠绕电热丝排列板 3.底热式中温氮气烧结炉的技术特色 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 10 10 3.1 炉体内全部采用全封闭结构 烧结全过程用氮气保护，并采用预抽真空后充氮气的方式，最大限度的减 少炉腔内残留的空气量，显著减缓和避免聚合物和金属的氧化，大大提高了复合材料的外观质量和使用性能。 3.2 良好的氮气烧结保护效果 氮气保护气氛烧结的板材外观质量、机械强度、减磨 耐磨性能及后处理特性均明显优于普通开式烧结法烧制的板材； 3.3 炉膛容积变大 可一次烧结 10 15 的板材，约为现行使用的 151 型烧结炉的 3 4倍而热功率仅增加 1/4，且塑化烧结时间也缩短，生产效率及节能效果非常显著。 4.烧结炉总装图： 图 4-1 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 11 11 结论 经过三个多月的时间，我阅读了大量文献，收集了大量有关热处理炉和复合材料的资料。综合运用 CAD，机械工程材料，热处理炉和机械设计的相关知识完成了此次氮气烧结炉加热及通风系统设计。主要解决了当前上海仪器厂生产的151炉对于材料烧结工 艺的不足。着重改善了 151炉通风及加热系统中存在加热不均匀现象，其中使用了风扇，通风板和通风道，改善了热气流上升问题和热气流不能多方位加热材料的问题。电热系统改善了电热丝排布过密问题，使材料的烧结工艺能够赶上国际水品。 致谢 本论文在周杰敏导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。本次论文从 选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！ 参考文献 1 中国机械工程学会热处理学会 . 热处理手册 .北京： 机械工业出版社 ,2008. 2 阎承沛 .金属材料及热处理 .上海：上海人民出版社， 1993. 3 中科院兰化所塑料自润滑材料研究组 .固体润滑 ,1983.2-3 4 焦明华等 . JHN 高温氮气烧结炉保护烧结工艺研究 .机械工程师 .1995.3.8-9 5 M.O.W.查理德逊。聚合物工程复合材料 .国防工业出版社 6 孙士琦 .真空电阻炉设计 .冶金工业出版社， 1997 7 热处理炉 .哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社 ， 1999 8 吴宗泽，罗圣国 .机械设计课程设计手册。北京：高等教育出版社， 2012 9 Department of Dalian University of Technology School of engineering drawing. Mechanical drawing .Beijing: Higher Education Press， 2007 10 Yuan Zehu, Guo Jing. Computer aided design . Beijing: Tsinghua University press， 2012 11 Pu Lianggui, Ji Minggang. Mechanical design , Beijing: Higher Education Press， 2001 底热式中温氮气烧结炉设计 第 页 共 12 页 12 12 Title： Design of side heating and ventilation system of nitrogen sintering furnace Abstract： Based on PTFE three layer composite self lubricating bearing materials sintering process requirements, this paper after independent thinking, draws a large number of heat treatment equipment data and the actual observation, the integrated use of mechanical design, mechanics of materials,