（化工过程机械专业论文）燃油外加热钛合金真空热处理系统开发研究.pdf

摘要 f 本文是结合浙江大学化工机械研究所c a d 研究室与温州市工业科学研究所 合作开发的“钛及钛合金真空退火热处理设备及工艺研究”这一课题而展开的。 真空热处理是材料改性方面高精度、优质、节能和清洁无污染的加工制造技术， 采用燃油外加热真空热处理系统进行钛合金的真空退火热处理，有其突出的优 点。f 皋文针对燃油外加热真空热处理系统的关键技术进行分析与研究，并在应用 中得到了实践论证。f 总结全文，主要有以下几个方面的研究成果：厂r 一 。采用有限元方法对真空热处理系统的真空炉胆进行了强度分析，解决了设备 7 的高温强度问题。 ，设计了高真空条件下的密封结构。f 钛合金的真空热处理需要在很高的真空度 ， 和温度下进行，采用双级冷却结构和0 形密封结构，以及柔性热电偶，很 好地解决了高真空高温下的设备密封问题。，了一 ，配套了高真空、大抽速真空机组，解决了钛合金的真空脱氢问题。f 钛合金真 5 空退火的一个主要目的就是去除钛合金内部的氢，钛合金的脱氢受热处理温 度、工作真空度以及热处理时间等因素的影响，配用高参数真空机组，有效 地解决脱氢问题。 j ，燃油外加热钛合金真空热处理的可行性研究国内目前没有将燃油外加热真 e 空热处理系统应用于钛合金的真空退火热处理的先例因此本文从燃油外加 热真空炉的热工分析、加热过程分析和有限元温度场模拟等方面进行研究， 验证了采用这一加热方式的可行性。 一一 一热处理温度的控制方式研究。保用燃烧器和变频调温风机联合调节方式进行 烟气温度调节，采用工控机进行温度调节和控制，在开关量输出模块中采用 输出锁存功能、控制回路和被控回路的隔离及开关量的状态检测技术，实现 了热处理温度控制的准确性和稳定性。卜、 。 关键词：真空热处理，钛合金，燃， 加热 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd o n ew i t l lt h ep r o j e c t “n t a n i u ma l l o yv a c u u ma n n e a l i n gh e a t t r e a t m e n ts y s t e m ”w h i c hi s d e v e l o p e db vc a d r e s e a r c hr o o ma tt h ei n s t i t u t eo f c h e m i c a lm a c h i n e r yo fz h e j t a n gu n i v e r s i t ya n dw e n z h o ui n d u s t r ya n ds c i e n c e i n s t i t u t ei nc o m m o n v a c u u mh e a tt r e a t m e n ti sat e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nt h ef i e l d o fm a t e r i a l m e l i o r a t i n g ，e n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e n tk e e p i n g i t sw i t h g r e a t a d v a n t a g et h a td e a lw i t ht h et i t a n i u ma l l o yu n d e ro u t - h e a t i n gv a c u u mh e a tt r e a t m e n t s y s t e mc o n d i t i o nw i t h t h eo i lb u r n i n gh e a tm e t h o d i ng e n e r a l t h er e s e a r c hw o r ko ft h e p a p e ri n c l u d e s ： i n t e n s i t ya n a l y z i n gw i t ht h ef e m m e t h o d i td e a l sw i t ht h ei n t e n s i t yp r o b l e mu n d e r t h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n a i r p r o o f s t r u c t u r ed e s i g n i n g w i t ht h ed o u b l ec o o l i n gs t r u c t u r e 0 一s h a p ea i r p r o o f s t r u c t u r ea n df l e c t i o n a lt h e r m o e l e c t r i cp a i r , t h ee q n i p m e n tc a nw o r ku n d e rh i g h v a c t l u ma n d h i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n h y d r o g e nt a k i n go f ra n dv a c u u ms e tc o n f i g u r i n g t h ee f f e c t o ft h e h y d r o g e n c o n s i s t i n g i nt h et i t a n i u m a l l o yt a k i n g 0 f ri si n f l u e n c e d b y h e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r e v a c u u ma n dp r o c e s sl a s t i n g w i 吐1t h eh i g hc a p a b i l i t yv a c u u ms e t i t m a y d e c r e a s et h ec o n t a n to fh y d r o g e ni nt h et i t a n i u ma l l o y f e a s i b i l i t yo fv a c u u mh e a tt r e a t m e n te q u i p m e n tw h i c hh e a t e dw i t hf u e lb u m i n g m e t h o d t h e p a d e rv a l i d a t e s t h e f e a s i b i l i t y o ft h e s y s t e m w i t l lt h ev i e w so f c a l o r i f i c sa n a l y z i n ga n d t e m p e r a t u r e f i e l da n a l y z i n gw i t hf e mm e t h o d h e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g w i t ht h et e c h n o l o g ys u c ha st e m p e r a t u r e a d j u s t i n gw i t ht h eo i lb u r n e ra n da d j u s t a b l eb l o w e r , t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gw i t l l c o m p u t e ra n dl o c k a b l eo u t p u ts t a t e ，s e g r e g a t i o n o ft h e c o n t r o l l i n gl o o p a n d c o n t r o l l e dl o o pa n do u t p u ts t a t eb a c k - c h e c k i n gi nt h eo n - o f fo u t p u tm o d u l e t h e s y s t e m c a l lc o n t r o lt h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei na c c e p t a b l ee n _ o rr a n g e k e y w o r d ： v a c u u mh e a tt r e a t m e n t ，t i t a n i u ma l l o y , o i lb u r n e r , o u t - h e a t i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 真空热处理技术的现状与发展前景 1 1 1 真空热处理技术的现状 真空热处理技术是材料改性方面高精度、优质、节能和清洁无污染的加工制 造技术，是本世纪近四十余年来和今后机械制造工艺发展的热点，也是当今制造 技术的的重要领域 2 i o 真空热处理技术是随着真空热处理设备的发展而发展的，l9 2 7 年美国无线电 公司研制v a c 1 0 型真空热处理炉，开始了真空退火工艺的应用；1 9 4 9 年美国芝 加哥将真空热处理炉用于淬火生产，至今己近半个世纪【2 j 。1 9 5 6 年美国开始批量 生产真空热处理炉，6 0 年代因为石墨材料的广泛应用，加之宇航、电子和精密机 械、工模具生产的迫切需要，真空热处理技术开始迅速发展。8 0 年代有人估计， 工业发达国家真空热处理占整个热处理的1 0 ，当前世界上拥有大、中型真空热 处理炉达4 0 0 0 个以上，人们估计，工业发达国家的产品热处理生产中，真空热 处理占2 3 ，真空热处理技术的发展方兴未艾，前景广阔。 1 1 2 真空撩处理的优越性 真空热处理技术的崛起和迅猛发展一方面源于工业技术发展的需要，另一 方面是由于真空热处理具有其它热处理不可比拟的一系列突出优点造成的这些 优占早 5 6 8 】 防止氧化作用，表面不氧化、不脱碳并有还原除锈作用，省去表面磨削 加工工艺，从而节省钢材和原材料消耗节省加工时间； 真空脱气作用使材料表面纯度提高，提高材料的疲劳寿命、韧性和塑 性提高耐腐蚀性： 脱脂作用，除去残留油脂，提高表面质量； - 处理工件无氢脆危险，防止钛和难融金属表面脆化： 淬火变形小。由于真空加热缓慢，工件内外温差小；热应力小；真空加热 室的隔热系统、加热元件设计布置合理受热均匀：同时真空炉设计结构使工件 无剧烈转移动作因而不会因外力作用而变形。一般来说真空热处理工件的变形 量为盐淬的1 ，2 l 1 0 ： 与可控气氛炉相比，不需优质可燃气体燃料，节约能源，由于真空加热 浙江大学硕士学位论文 室采用比热容小，隔热效果好的材料做隔热屏，因而蓄热损失小，炉子热效率高， 可实现快速升温和快速降温； 真空热处理工艺的稳定，陛和重复性好； 耗电少，能量消耗为常规热处理的5 0 ，生产成本低； 操作安全，自动化程度高工作环境好，无污染公害。 1 1 3 真空热处理技术的发展前景。”州”“6 3 根据美国金属学会热处理学会、美国金属处理研究院、美国能源部工业技术 厅对美国热处理工业2 0 2 0 年发展远景的预测，未来的热处理工业要有一流的质 量，生产具有零畸变的产品零件，在整个工艺中，产品质量具有零分散度，能量 利用充提高到8 0 ，工作环境好，清洁无污染，生产中采用标准的闭环控制系统， 智能系统控制决定产品的性能，综合技术的结果使工艺时间减少5 0 ，成本降低 7 5 。所有这些设想，为真空热处理技术的发展提供了广阔的舞台和机遇，美国 当前产品热处理生产中，真空热处理占1 5 ，这一发展趋势今后将进一步增长。 我国真空热处理技术的发展趋势和国际热处理工业的发展趋势同步，我国熟 处理行业“九五”规划和2 0 1 0 年设想提出，今后l o 年我国需制造1 0 0 0 台真空 热处理设备投入生产运行，我国今后主要优先发展的真空热处理技术如下： ( 1 ) 真空高压气淬热处理技术及智能控制系统。 ( 2 ) 真空连续热处理生产线及智能控制系统。 ( 3 ) 真空高温高压烧结技术。 ( 4 ) 真空清洗技术。 ( 5 ) 燃气真空热处理炉及智能化系统技术。 ( 6 ) 真空等温热处理技术与设备及智能控制系统。 1 2 钛合金应用情况与发展趋势 1 2 1 钛合金的应用情况n 6 7 “”舯”“3 尽管人类于1 7 9 5 年就发现了钛，但钛的熔点高，化学性质活泼，塑性良好 的纯钛很难制取钛锭的冶炼需在真空中进行，由于钛及其合金的制造工艺复杂， 因此在很长一段时间内，钛及其合金不能作为结构材料用于工业生产。 浙江大学硕士学位论文 由于航空及宇航技术的迫切需要，自五十年代开始，钛工业才获得了迅速的 发展。现在，钛及其合金不仅是航天航空工业不可缺少的结构材料，在造船、化 工、冶金、医疗等方面也获得了广泛的应用。 随着航空航天工业的不断发展，它对材料的要求越来越高，不仅要求材料具 有高的比强度、优良的抗氧化性、抗腐蚀性，而且还要求材料具有高的断裂韧性 以及抗蠕变性【4 j 。作为一种重要的新型金属结构材料钛合金同其他金属结构材 料相比，具有比强度高、5 5 0 以下热强度好和耐腐蚀等突出优点。在常温下， 钛合金的比强度高于超硬铝，甚至高于高强度结构钢。在4 0 0 5 5 0 内，钛合金 的比持久强度、比蠕变强度和比疲劳强度，都明显优于耐热不锈钢。在钛合金系 列中，t i 6 a i 4 v 以其优良的综合性能和应用能力而成为用途广泛的钛合金之一。 钛合金能接受多种热处理，如退火、固溶处理+ 时效、形变热处理及化学热 处理等。航空钛合金的热处理，目前主要是退火处理，其目的是消除或减少加工 ( 压力加工、焊接、机械切削等) 过程中所产生的残余应力：提高塑性或保证一 定的力学性能；稳定组织。 1 2 2 限制钛合金的应用的因素”“2 叭2 7 虽然钛合金有优良的高温力学性能然而室温脆性一直是其在更大范围内投 入商用的主要障碍。研究表明：氢引起室温脆性的主要原因。钛合金在酸洗、腐 蚀( 化学铣切) 和熟加工的高温气氛中，会吸收氢气。 氢在钛合金主要有两种存在形式，固溶于合金中及以化合物形式存在。当 t i a l 系金属间化合物溶氢较少时，氢主要以固溶形式存在，随着氢含量的增加 合金中就会生成成分为w h 2 的6 相，根据固体与分子经验电子理论( 又称余氏 理论、简称e e t ) ，t i h 2 为极脆相。因此当钛合金中的氢含量达到一定值后，由 于生成了6 相，在6 与基体交接面，特别是在6 相极弱的解理面首先形成裂纹源， 并沿6 相扩展而引起断裂，这种由于t i h 2 存在使钛合金变脆的机理，称为氢化 物型氢脆。钛合金断口检查发现裂纹是沿着氢化物和基体之间的界面发展的，这 是由于基体金属与氢化物之间的结合力较弱，而且两者的弹性和塑性性能不同， 受力后引起应力集中，形成裂纹，并迅速发展，导致断裂。在较低温度下，如果 氢以过饱和状态存在于钛合金中，则在应力作用下，将产生应变时效型氢脆。应 变时效型氢脆是指晶格间隙中的氢原子，在应力作用下，经过一段时间，扩散并 集中于缺陷引起的应力集中处在那里氢原子与位错交互作用，使位错被钉扎， 不能自由运动，从而使基体变脆。 根据以往的测定，钛的冲击韧性及断面收缩率随氢含量的关系如图1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 i 、0 1 r _ _ _ _ 1 7 l t i l 氯 丧度( - t “) 图1 1溶解气体的禽量j 对j 卒火状态盘爱的 机械性能的影响 l 一冲击橱性 = 一断面牧簟苹 从图中可以看出，随着氢在钛合金 中含量的增加，钛的冲击韧性和断 面收缩率将降低很多，如当钛中含 有2 原子即0 0 8 5 重量氢时，则 其冲击强度即降低为不含气体金 属的十分之一左右。 1 2 ，3 钛合金的发展 钛合金大量用于航空、航天和军事工业上有的飞机和发动机中钛合金用量 达到2 0 3 5 。钛合金在石油、化工、造船、冶金、造纸和医疗卫生等方面的应 用也越来越多。钛合金发展中的主要问题是耐热水平还未突破5 5 0 6 0 0 这一 关，而且生产成本高，合金化和热处理的研究还赶不上发展的需要。由于钛合金 的合金化及冷热加工工艺等研究不够，钛合金的强度，特别是热强度的潜力还远 未得到发挥m ”m 1 。 钛合金今后的发展方向主要有两个： 一、提高钛合金的耐热性能。 二、为实现降低成本，发展新的更为经济的成型工艺，如扩散连接、超塑性 成型及等温锻造等。 1 3 钛合金真空热处理 1 3 1 钛合金真空热处理的必要性 由于氢元素对钛合金性能的影响，通常规定：在使用状态下，钛合金零件的 氢含量应少于1 5 0 p p m ( 0 0 1 5 ) 。“。 要降低钛合金中氢的含量，必须控制钛合金加工过程中对氢的吸收，在目前 的工艺条件下，要直接将氢的含量控制在1 5 0 p p m ，将意味着生产成本的大幅度增 一1一掣姒蒋謦晕_珥一蕾革挚墨枢量 浙江大学硕士学位论文 加。资料表明，tj _ h 和t i h ：的分解温度分别为9 0 0 。c 和6 4 0 c 而有关研究表明： 含氢5 5 0 p p m 的t i 6 a i 4 v 合金在5 3 8 7 6 0 c ，o 0 5 p a 条件下退火2 4 h ，氢含量 将可降至2 5 3 5 p p m 。因此，降低钛合金零部件含氢量的撮可行方法是在钛合金 零件成型后，再在真空状态下进行退火或时效处理，达到去除钛合金中的氢的目 的。 钛在空气介质中加热时，表面会发生氧化，当温度低于5 0 04 c 时，所生成的 氧化膜很薄很致密，可阻止氧原子向内部扩散，具有保护作用，因此钛在5 0 0 4 c 以下的空气中是很稳定的。当温度高于5 0 0 c 以后，氧原子向内部扩散，形成富 氧的a 相层，其厚度取决于加热温度和时阃。如合金在1 0 0 04 c 下加热1 h 后，氧 化层厚度达0 6 m m 以上，该氧化层塑性很差在使用时易于剥落，故必须通过机 械2 n 3 - 去掉。在真空下进行热处理，可以有效降低钛合金的氧化量，实现钛合金 的少氧化加热，提高钛合金的综合力学性能”3 “1 。 金属的氧化和氧化物的分解，按下式进行： 2 m e + 0 2 = 2 d e o 当真空系统中氧分压大于氧化物的分解压p o ：时，金属要氧化，反之，氧化物 就分解。在真空热处理炉中，由于氧分压很低，氧化速率极缓慢，并且真空泵油 扩散到加热区后，使真空气氛成为含碳气氛，从而使炉内的氧分压进一步降低， 减少钛合金的氧化。 1 3 2 钛合金真空热处理的基本炉型 真空热处理炉常有两种炉型，即内热式真空炉和外热式真空炉。内热式真空 热处理炉通常采用电阻加热，炉内安设有电热元件、隔热屏、炉床、风扇、传送 机构和其它构件。通过加热元件的热辐射或充入气体气流循环加热，炉壳多采用 双层水冷式设计，因而也被称为冷壁式真空炉。外热式真空热处理炉又称马弗炉， 工件放在耐热钢或不锈钢制成的真空罐内，外热式真空炉常用电阻加热，也有个 别采用气体、液体燃料加热和感应加热的。 根据国内外的基本情况，综合比较内加热和外加热的优缺点经过方案的可 行性论证我们首次在国内将燃油外加热真空热处理炉用于t i 一6 a 1 4 v 合金的真 空退火热处理。与传统的内热式处理炉相比，燃油外热式真空炉的主要优缺点如 下： 炉罐内无电热元件，因而放气源少，易于清理，易于获得真空，可以减小 真空机组的负载，在高真空场合中更有其优越性； 浙江大学硕士学位论文 由于在炉罐外加热，因而无气体放电及其它电气弊病( 如短路，积碳等) ； 有利于实现工件的快速加热和冷却，由于炉胆内部件较少炉胆壁外侧可 以用冷风进行强制冷，因此可以实现炉内工件的快速冷却，并且由于工件不需要 用惰性气体进行冷却，因此其冷却可以在工作真空度下进行，从而保证钛合金工 件冷却时可以以适当的冷却速度通过时效区，并减少钛合金的氧化； 外热式真空炉结构简单，设备投资相对较少，虽然炉罐材料的成本有所增 加，但是由于不需要配置大功率供电系统，设备的总体投资少； 外热式真空炉的主要缺点是炉子的工作温度受炉罐材料的限制，在较高温 度下，炉罐的使用寿命较短。 1 3 3 燃油外加热钛合金真空退火热处理系统组成 燃油外加热钛合金真空热处理系统由以下几个子系统组成： 真空炉胆 加热系统 真空系统 冷却系统 控制系统 进出料辅助系统 炉胆是真空热处理炉系统的关键部件。真空炉胆一般采用金属轧制板制成， 对材料的要求是可焊性好，气密性好，可加工性好并有足够的强度。由于采用外 加热方式加热要达到热处理工艺温度，炉膛的温度很高，因此制造炉胆的主体 材料应选用抗氧化性和高温强度性能较好的耐热钢或高温合金。本系统选用的炉 胆主体材料为o c r 2 5 n i 2 0 扳材。 加热系统提供热处理所需要的能量，是实现热处理工艺温度的关键因素之 一。加热系统由燃烧器、调温风机、燃烧室、加热室、储油罐、高位油罐、油泵 和排烟系统等几个部分组成。 钛合金的特殊性要求钛合金真空退火热处理系统能达到比较高的极限真空 度，按照以往的经验，系统的极限真空度应达到0 0 0 1 p a 左右，属于高真空范围， 因此，从真空系统的设计，真空设备的选型及管道阀门的选择，都有较高的要求。 由于炉体温度较高，炉门和管道连接处的密封都必须进行冷却，才能满足密 浙江大学硕士学位论文 封材料的工作温度要求。因此冷却系统设计是否合理是真空炉胆密封性能好坏的 关键。 众作周知，在热处理过程中，应该对工艺温度进行严格的控制。温控系统是 实现温度控制，保证热处理质量的重要子系统。 进出料辅助系统是为了装料和卸料方便而设计的一些结构和设备，由卷扬 机、热处理台车和轨道组成。 1 4 学位论文的研究工作 1 4 1 课题背景和研究意义 与常规热处理相比，t i 6 a i 4 v 合金的真空热处理对设备的要求很高。由于 缺乏相应的设备，我国的钛合金的产量和质量一直受到一定影响，针对这种情况 浙江大学化机研究所与温州市工业科学研究所合作，联合开发了燃油外加热钛合 金真空退火热处理系统，首次在国内应用燃油外加热方式进行真空条件下工件的 加热，用于t i 6 a i 4 v 合金板材的真空退火热处理。本学位论文正是以该项目为 背景，将作者过去一年多从事燃油外加热钛合金真空退火热处理系统开发与研究 成果进行总结。 本文在燃油外加热钛合金真空热处理方面的研究工作，不仅有效地解决了燃 油外加热钛合金真空热处理总体方案中的加热和真空两大设计难题，而且为钛合 金真空热处理从内加热向外加热方向发展进行了大量的开创性研究，具有一定的 理论价值与应用价值。 1 4 2 论文研究的主要内容 本学位论文研究的主要内容有以下几个方面： 1 第一章，论述了真空热处理的基本原理和现状，钛合金的应用前景及其 应用的限制因素，以及钛合金真空热处理的现状与前景。简要的介绍了 燃油外加热钛合金真空退火热处理系统的基本组成。对本人的主要工作 进行了概述。 2 第二章，首先阐述了真空炉胆设计的一般问题，确定了设计参数，并用 有限元方法对真空炉胆的两种危险工况进行了校核。最后对真空热处理 炉的相关结构进行了介绍。 3 第三章，首先阐述了热处理炉传热的一般问题，并分析了真空热处理传 浙江大学硕士学位论文 热的特殊性。在分析了外热式真空热处理炉传热的基础上，用热平衡算 法得出外加热真空热处理炉系统的加热功率，建立了燃油外加热真空热 处理炉升温和降温过程的有限元传热模型，并用实验数据进行了验证。 4 第四章首先阐述了钛合金真空热处理炉真空系统设计参数的确定方法， 确定了真空机组的参数。提出了提高真空炉性能的关键技术，并将其应 用于燃油外加热钛合金真空退火热处理系统。 5 第五章，首先阐述了真空热处理炉控制系统的基本形式和真空热处理炉 控制系统设计的一般性问题。并对控制系统的硬件设计和软件编制作了 详细的论述。 6 第六章，介绍作为辅助系统的冷却和供油子系统。 7 第七章，总结全文，并对以后工作进行展望。 8 - 浙江大学硕士学位论义 第二章结构设计及强度计算 本章摘要：本章首先阐述了真空炉胆设计的一般问题，确定了设计参数，并f j 有限元方 法对真空炉胆的两种危险工况进行了校核。最后对真空热处理炉的相关结构进行了介纠。 2 1 炉胆结构设计与强度校核。甜瞳”“州n ” 2 1 1 选材 由于真空炉胆在高温高真空状态下工作，其材料一般采用金属轧制板制成， 对材料的要求是可焊性好，气密性好，可加工性好并有足够的高温强度。由于采 用外加热方式加热，要达到热处理工艺温度，炉膛的温度很高，因此考虑制造壳 体的主体材料选用0 c r 2 5 n i 2 0 板材。 2 1 2 设计参数选取 1 设计压力 按照设计规范，真空退火炉炉胆外无冷却水套，设计压力取为0 1 m p a ( 外压) 。 2 设计温度 燃油外加热真空热处理炉采用高温烟气加热炉胆，炉胆再通过辐射方式对工 件进行加热。由于炉胆直接受高温烟气加热，高温烟气的最高温度通过控制系统 进行控制，根据工艺的需要控制为9 5 0 ，因此设计温度取为9 5 0 。 3 炉胆的基本尺寸 根据真空热处理工件的尺寸，和热处理台车的尺寸选定真空炉胆的尺寸为： d 、：1 4 0 0 m m ，总长l ：4 3 5 0 m m 。 4 许用应力 根据设计规范，材料的许用应力值取下列三者中的最小值： o = o 。n b o = o 。n 。 o = od 。n d 或 o = o 。n 。 其中，安全系数： r i b = 3 0r l s = 1 5r i d = 1 5 1 0 0 0 时，o 。= 7 5m p a ，9 5 0 时o 。= 6 0 m p a 。 浙江夫学硕士学位论文 一般材料手册不提供材料o c r 2 5 n i 2 0 在9 5 0 。c 时的od t 数据，根据生产厂家的 测试结果，9 5 0 。c 时1 k g f r a m z 载荷下材料的断裂时间为3 5 5 8 小时3 5 分，因此用 该数据代替o 。 因此有 【o 1 6 5 4 m p a 5 高温下材料的弹性模量 由于一般钢材只提供7 0 0 。c 以下的弹性模量，因此须用数据拟合方法求得9 5 0 时0 c r 2 5 n i 2 0 钢的近似弹性模量值。 奥氏体钢的弹性模量与温度近似成线性关系”5 1 ，用最小二乘法拟合两者的关 系方程，结果如下：【3 9 1 e t = 2l3 6 8 5 8 6 4 14 2 6 5 8 t 因此9 5 0 c 时，弹性模量e t = 1 3 1 5 9 k g f 舢2 。 2 1 3 支座选型 真空炉胆的公称尺寸为d n = 1 4 0 0 m m ，简体共选用三个鞍式支座，考虑到设 备的工作温度很高，因此有必要补偿炉胆在轴向因高温而产生的伸长量，因此， 最左侧( 炉门侧) 的鞍式支座采用固定式，而右边的两个为滑动式。型号分别为： j b t 4 7 1 2 - 9 2 鞍座b i1 4 0 0 一f 和j b t 4 7 1 2 9 2 鞍座b i1 4 0 0 一s 。 2 1 4 简体壁厚的确定 按强度极限进行设计，计算厚度为： 占： 丝 ：1 0 8 聊m 2 o - 1 9 , 一p 腐蚀余量c 2 由9 5 0 c 时材料0 c r 2 5 n i 2 0 的氧化速率确定，该材料在9 8 2 。c 时 的年氧化速率为0 2 5 4 m m y ，实际工况是：炉胆外壁与热空气接触，温度9 5 0 。c ， 炉胆内为真空状态工件出炉时温度炉胆内温度约为2 0 0 。c ，因此可以将炉胆内 的氧化量忽略，按设计寿命5 年计算，总的氧化量为1 2 7 n m l 。c 。= 0 8 m m 。 s = 6 + c = 6 + c l + c 2 = 1 2 9n l m 经圆整，取6 = 1 4m m 2 1 5 危险工况下的应力校核 钛合金真空退火热处理炉的真空炉胆是系统的关键设备，其使用寿命是整个 浙江大学硕士学位论文 系统服役周期的决定性因素。因此有必要对其进行校核。由于钛合金真空热处理 炉炉胆的工况较为复杂，用常规计算很难得到准确的结果。因此在计算过程中， 我们选用了美国s d r c 公司的i o e a sm a s t e rs e r i e s 软件的有限元力学计 算模块进行计算。 在小车、工件和设各自重的作用下，钛合金真空热处理炉炉胆有两种危险工 况，一是在正常的热处理工作条件下，另一种危险工况是在工件及小车的进料和 出料过程。因此在计算过程中只对这两种工况进行校核。 为了简化计算，对模型进行了适当的处理，除了设备的自重外，热处理台车 和工件的重量作为集中载荷，通过热处理台车的十个车轮作用在台车轨道上。另 外，因为真空管道上已经设置管托，因此，在计算中没有考虑真空管道重量对真 空炉胆的影响。 通过对实际模型的三维建模和边界条件分析，得到正常热处理工况下的炉胆 最大等效应力为7 6 4 m p a ，进出料工况下炉胆的等效应力为7 1 7 m p a 。而实际上 根据材料的高温力学性能，我们可以得到材料在9 5 0 。c 的许用应力为6 5 4 m p a 。 因为材料的许用应力包含有1 i5 的安全系数，因此可以认为，经过有限元计算所 得到的结果是安全的。 计算结果如图2 1 2 8 图2 1 真空炉内胆真实三维模型 浙江大学硕士学位论文 图2 3 强度分析边界条件设定 一1 2 浙江大学硕士学位论文 图2 5 正常热处理工况下等效应力分析 ( 最大等效应力7 6 4 m p a ) 浙江大学硕士学位论文 图2 7 进出料工况下等效应力 ( 最大等效应力7 1 7 m p a ) 浙江大学硕士学位论文 2 2 砌体设计 图2 8 进出料工况下等效应力( 加入变形效果) 炉子砌体是承受热负荷的主要结构部分，砌体设计的主要内容是：选择耐火 材料和隔热材料选择炉墙、炉底和炉顶结构，确定砌体的具体结构尺寸，按照 炉子的热工要求设计燃烧室、排烟道及砌体的其它局部结构，布置测温孔、排烟 孔及膨胀缝的位置和数量。选择适宜的砌筑泥浆和各种泥料。 2 2 1 炉顶结构 为简化制造工艺，降低制造成本，缩短施工周期，并使炉子顶部具有良好的 整体性在本设计中采用硅酸盐水泥耐火混凝土作为炉顶的耐火层，绝热层则选 用高温超轻膨胀珍珠岩和水泥的混合料作为绝热材料。 为提高炉子的使用寿命，拱顶中心角取为1 8 0 。根据工业炉设计标准，拱项 厚度耐火层应为2 3 0 r a m 。为了使炉子具有良好的绝热性能，绝热层厚度不应低于 2 3 0 r a m 。 2 2 2 炉墙结构 浙江大学母i 士学位论文 炉墙采用双层结构，内层采用耐火粘土砖( n z 4 0 ) 作为耐火材料，外层采用 高温超轻膨胀珍珠岩和水泥的混合料作为绝热材料。 根据工业炉设计标准，温度1 0 0 0 ，墙高3 m 时，耐火层厚度应取为2 3 0 r a m ， 因为以水泥作为结合剂的膨胀珍珠岩的耐火度不低于1 2 5 0 ，而炉内可能最高温 度为1 2 0 0 。c ，因此在计算绝热层的厚度时，可以不考虑绝热材料耐火度的影响。 在本设计中，为改善炉子的保温性能，保温层厚度取为2 3 0 m m 。为提高支撑拱脚 处的强度，在耐火层外拱脚部位采用了拱脚梁结构”1 。 2 2 3 炉胆支撑结构 根据炉胆设计结果炉胆为卧式结构，采用三支座支撑，因为炉胆支座高度 较低，无法保证炉胆下部的烟气通道面积，因此应该在炉胆下部设立支撑。为减 小炉胆因为轴向约束造成的温差应力，一个炉胆支座与支撑平台的连接采用固定 连接其余两个支座则采用滑动连接形式。支撑平台采用耐火混凝土浇铸而成， 顶部设置耐热钢板以起到加强作用。 2 2 4 炉底结构 由于车间场地的影响，且炉内工作温度不高，因此在本设计中采用冷炉底结 构，为了防止炉子发生沉陷，在炉底的最下部采用了整体的槽钢框架结构，以保 证炉子的整体性。由于炉胆的重量全部通过炉胆支撑作用到槽钢框架结构上，因 实际上炉底的其它部位并不受力，在设计时只考虑其耐火和绝热性能。耐火层采 用耐火浇铸料，而绝热层采用膨胀珍珠岩和水泥的混合料。 2 2 5 烟气通道结构 温度均匀性是热处理的基本要求，本系统采用燃油外加热方式进行工件的加 热，与一般的热处理不同，燃油外加热的温度均匀性比较难以保证。当有效加热 区较大时，内加热和外加热电炉通常采用分区控制以保证炉温均匀性。而燃油外 加热无法采取这种控制策略。为了实现温度均匀性指标，本系统采用了螺旋与加 热烟气量分配技术，限制加热烟气的流道，适当减小温度较高的炉门侧烟气流量， 从而达到控制温度均匀性的目的。 2 3 燃烧室设计 炉胆钢材的烧损率是影响真空退火的使用寿命的一个重要指标，在本设计中， 炉胆采用的钢材是0 c r 2 5 n i 2 0 ，其最高使用温度为1 1 0 0 c ，而根据理论计算，燃 烧器的火焰温度最高可以达到1 3 0 0 c ，因此，如果用火焰直接对炉胆进行加热， 浙江太学碗士学位论文 由于炉胆的一部分直接受热，将可能使炉胆被烧穿。同时，用火焰直接加热方式， 使得炉胆内工艺温度控制困难，因此在本系统中采用了专门的燃烧室，在燃烧室 的一侧设置调温风机，通过燃烧器与调温风机的联合调节，以起到调控加热温度 的效果。 为了提高设备的使用寿命，燃烧室采用双层结构，内部耐火层采用耐火浇铸 料，以提高其强度和整体性，外层则采用高温超轻膨胀珍珠岩和水泥的混合料作 为绝热材料。 为了改善燃烧性能，燃烧室的出口采用缩口结构燃烧室的侧面预埋调温风 机的冷风入口。 2 4 炉门设计 真空室炉门是为了送入和取出炉内工件及炉内样品、材料而设置的，炉门通 常由法兰、密封圈、转动铰链、门板、预紧机构、水冷装置和附件组成。 真空炉炉胆通常采用标准椭圆形封头作门板。由于炉门法兰和壳体法兰是密 封面，通过法兰上开设的密封槽和密封圈密封，法兰加工要求平整，精度高，密 封槽尺寸应精确铣制加工。 为了保证密封圈各点受力均匀，简化设备的结构，炉门的开启采用手动，炉 门的预紧机构采用快开式结构。 2 5 工件进出料传输机构设计 钛合金真空热处理炉系统主要用于钛合金薄板的真空退火热处理，按照厂方 提出的设计要求，本系统处理的板材尺寸为2 6 0 0 1 0 0 0 o 8 8 9 m m ，每次的处理 量为3 吨，多层叠放。为了方便钛合金板材的装卸和处理，在处理过程中，我们 将钛合金板材放在特制的热处理台车上，在炉胆内设置台车轨道，。在炉外则设置 有活动的平台，再在平台上铺设有轨道，从而保证装卸工件的方便。 2 6 隔热屏结构设计 隔热屏是真空热处理炉加热室的重要组成部分，其主要作用是隔热、保温和 减少热损失。隔热屏结构形式的确定，材料的选用，对炉子的功率和性能有很大 影响。除了要考虑它的耐热性、绝热性外，还要考虑它的热透陛，要求能尽快脱 浙江大学硕士学位论文 气。与一般内热式真空热处理炉不同，外热式真空热处理炉的隔热屏主要设置在 炉胆的两侧，以减少工件和炉胆内壁向炉门侧和抽气管道侧的热辐射。 隔热屏通常可以分为金属隔热屏和非金属隔热屏两类，其结构形式一般有以 下四种：全金属隔热屏、夹层式隔热屏、石墨毡隔热屏和混合毡隔热屏。 夹层式隔热屏结构简单，隔热性能好热损失小可以实现快速加热和冷却， 在本系统中选用这一结构形式。为了有效降低炉门侧的温度，在本系统中采用了 双层隔热屏结构，并且隔热屏分为固定部分和可动部分，可动部分安装在放置工 件的小车上。而抽气管道侧的隔热屏，其面积大小应适中，既能起到隔热作用， 又不会明显影响真空系统的抽速。 2 7 法兰结构设计 在工作状况下，炉门和真空管道法兰受大气压力的作用，容易造成密封圈的 比压过大，损坏密封圈，同时，因为真空炉胆工作在高真空状态下，必须保证密 封可靠。因此在设计密封槽时，必须精确计算密封槽的各个尺寸，以保证密封圈 的一定变形量，同时，必须在结构上进行改进，以保证密封圈承受的比压限制在 一定范围内。 2 8 冷却结构 本系统中采用的是燃油外加热方式进行加热，工件加热区的工艺温度必须能 达到7 3 0 。c ，因此炉胆加热区的钢板温度将达到8 0 0 9 0 0 c ，如何保证炉门和抽 气管道处法兰的密封是实现工艺所要求的真空度的关键之所在。前面已经提到， 在高真空条件下，密封圈的材料常选用丁腈橡胶，而丁腈橡胶的使用温度为1 5 0 ，为了保证密封的性能，应尽量降低炉门和管道连接处的温度。在本系统中， 考虑到温度的特殊情况，采用了双级冷却结构。前级采用风冷夹套结构，为了增 强传热效果，在筒体上焊接有翅片。后级采用水冷夹套结构，以保证密封处的温 度不高于1 0 0 。c 。在炉门处，为了防止门板受辐射后温度过高，在门板上设置有 一圈半圆管。而在真空管道连接处，则在连接管道侧焊接有半圆管，通冷却水进 行冷却。 浙江大学硕士学位论文 第三章传热学计算 本章摘要：本章首先阐述了热处理炉传热的一般问题，分析了真空热处理传热的特殊性。 在分析了外热式真空热处理炉传热的基础上，通过热平衡算法得出外加热真空热处理炉系统 所需的加热功率，建立了燃油外热式真空热处理炉升温和降温过程的有限元传热模型，并用 实验数据进行了验证。 3 1 燃油外加热真空热处理炉加热特点 3 1 1 真空热处理条件下金属加热特点2 1 要进行真空条件下的热处理，首先要对工件进行加热。在真空气氛中加热具 有别的介质( 大气、可控气氛、盐浴) 中加热不可能具备的特点。因为一般的加 热实际上不能够在广泛的温度范围和普遍的条件下都完全保持金属高温表面与 气氛碳势严格平衡和不起任 何化学反应。因此，氧化、脱 碳、增碳等现象是普遍发生 。 的。如前所述，真空加热是在 极稀薄的气氛中进行的，因而pr 可以避免上述加热的弊病。另划 外，真空状态下的传热是单一 一 辐射传热，理想灰体传热能力 e 与绝对温度的四次方成正2 比，称为斯蒂芬一波尔兹曼定 律，虽然工程材料与理想灰体 有些偏差。为了计算方便，一 时阿分) 般仍用该定律进行计算。由此 要譬票妻：。銮其竺竺璺：。x 鬻机件 ? 鬻加未 升温必然缓慢，工件表面与心 8 ，i ；审磊羹： 一一。 部之间的温差小，热应力小， 工件变形也小。如图3 1 所示 即为g c r l 5 钢由5 0 l o o m m 试样在真空、盐浴和空气炉中加热速度的比较试验 结果。从图中可以看出，当试样，i i , 部加热到8 5 0 所需的时间分别是：盐浴炉8 分钟，空气炉3 5 分钟，真空炉则需5 0 分钟。 一般来说，热处理的加热时间都要保证完成升温、保温( 均温) 和组织转变 浙江大学硕士学位论文 三个基本过程。由于真空炉胆的蓄热能力小，因此当真空炉中测量热电偶升到设 定温度时，被加热工件还远未达到工艺温度，这就是所谓真空加热的“滞后现象” 影响工件在真空炉中加热滞后时间的因素主要有加热温度、加热方式、装炉量及 装炉方式等。在室温下装出炉的单室真空炉中进行的真空退火、真空回火和真空 正压气淬等工艺经常通过实测法合理确定真空热处理加热滞后时间，即通过跟踪 热电偶准确测量出滞后时间。其它真空热处理可以采用模拟法和经验法。只有 准确、合理地确定真空热处理加热滞后时间，才能保证真空热处理的工件质量满 足相关技术标准的要求，并且提高经济效益。为了解决温度滞后现象对工件热处 理质量的影响，必须控制好热处理的保温时间。 3 1 2 燃油外加热真空热处理条件下金属加热特点 真空热处理的常用炉型是内加热，即在真空炉胆内部设置电热装置对工件进 行加热，在这种条件下，工件的加热是通过电热元件和隔热元件的热辐射进行的。 而在燃油外加热真空炉中，高温烟气通过辐射和对流方式对真空炉胆进行加热， 真空炉胆再通过辐射对工件加热，因此与内加热电炉相比，燃油式外加热真空炉 的加热速度较慢，有利于降低工件心部和表面的温差。同时，由于有真空炉胆的 均温作用，工件表面受热比较均匀，更有利于控制工件热处理温度的均匀性。 3 2 燃油夕1 1 1 热真空热处理炉的热工分析n ”。” 3 2 1 加热系统构成 加热技术是燃油# i - d n 热真空热处理系统的关键技术之一，在加热过程中，不 但要保证工件的热处理工艺温度，还要尽可能地延长系统的使用寿命，对燃油外 加热真空热处理系统而言，真空炉罐的寿命是决定系统服役周期的关键因素。要 延长真空炉罐的使用寿命，主要有两个途径：一是降低炉罐的应力水平，二是降 低炉罐的使用温度，即减少材料的氧化速率，并提高炉罐材料应力的许用值。 在一般的燃油外加热真空热处理系统中，通常采用控制加热烟气温度的方法 来保证真空炉罐的使用寿命。其中一种方法是选用连续可调的燃烧装置，通过控 制燃油量和空气过剩系数，来达到控制燃烧系统的加热功率和烟气的温度的目 的。另外一种方法是选用位式调节燃烧装置，配用连续可调的调温风机进行温度 和加热功率调节，加热功率由燃烧装置消耗的油量决定，而烟气温度由燃烧装置 的耗油量和调温风机的风量共同决定。前一种方法虽然可以有效控南r d n 热功率的 大小，但是加热烟气的温度一般比较难调节。因此在本系统中选用后一种温度调 节方式。 浙江大学硕士学位论文 如图3 2 所示即为燃油外加热钛合金真空热处理加热系统构成图。加热系统 由燃烧器产生高温烟气，与调温风机送入的冷风混合，生成符合工艺温度要求的 加热烟气，进入加热室对真空炉胆壁加热，真空炉胆壁通过辐射加热放置在真空 图_ 互z 钛合金真空