毕业设计保温式离子热处理炉的设计VIP

1、 2012届届 分类号： 单位代码：10452 本本科科毕毕业业设设计计 我的机械设计师职业生涯规划我的机械设计师职业生涯规划 保温式离子热处理炉的设计 姓名 张鹏程张鹏程 学号 200815820505200815820505 年级 20082008 专业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 系（院）机械工程学院机械工程学院 指导教师 李秋实李秋实 2011 年 12 月 10 日 目目 录录 第一部分第一部分 .1 1 我的机械设计师职业生涯规划我的机械设计师职业生涯规划 .1 1 1 1 自我认知自我认知.1 1 1.11.1 个人基本情况个人基本情况.1 1 1.21.2 职

2、业能力及适应性职业能力及适应性.1 1 1.31.3 个人特质个人特质.1 1 1.41.4 自我分析小结自我分析小结.2 2 2 2 外部坏境认知外部坏境认知.2 2 2.12.1 家庭环境分析家庭环境分析.2 2 2.22.2 社会环境分析社会环境分析.2 2 2.32.3 职业预备期职业预备期.2 2 第二部分第二部分 .4 4 保温式离子热处理炉的设计保温式离子热处理炉的设计 .4 4 1 1 绪论绪论.6 6 1.11.1 化学热处理化学热处理 .6 6 1.21.2 离子化学热处理的基本原理离子化学热处理的基本原理 .7 7 1.31.3 离子热处理炉的主要结构离子热处理炉的主要结

3、构.8 8 1.41.4 离子热处理设备的发展和现状离子热处理设备的发展和现状.9 9 2 2 真空保温式热处理炉的结构与设计真空保温式热处理炉的结构与设计 .1111 2.12.1 保温式离子热处理炉主要特点保温式离子热处理炉主要特点.1111 2.22.2 筒体的设计筒体的设计.1111 2.2.12.2.1 筒体材料的选择筒体材料的选择 .1111 2.2.22.2.2 筒体外形及厚度的确定筒体外形及厚度的确定.1212 2.32.3 封头的设计封头的设计 .1414 2.3.12.3.1 封头材料的选择封头材料的选择.1414 2.3.22.3.2 封头外形及厚度的确定封头外形及厚度的

4、确定.1414 2.42.4 保温层的计算保温层的计算.1616 2.4.12.4.1 保温材料的选择保温材料的选择.1616 2.4.22.4.2 保温层厚度的计算保温层厚度的计算.1717 2.52.5 观察窗的设计观察窗的设计 .1818 2.5.12.5.1 自行设计观察窗自行设计观察窗.1919 2.5.22.5.2 观察玻璃的选择观察玻璃的选择.1919 2.62.6 冷却系统的设计冷却系统的设计 .1919 2.6.12.6.1 冷却方式的选择冷却方式的选择.1919 2.6.22.6.2 风道的结构设计风道的结构设计.2020 2.72.7 隔热板的设计隔热板的设计 .2020

5、 2.7.12.7.1 隔热板设计要求隔热板设计要求.2020 2.7.22.7.2 隔热板的确定隔热板的确定.2020 2.82.8 大底盘的设计大底盘的设计 .2121 3 3 真空系统的设计真空系统的设计 .2323 3.13.1 真空系统的组成真空系统的组成 .2323 3.23.2 真空系统的类型真空系统的类型 .2323 3.2.13.2.1 低真空系统低真空系统.2323 3.2.23.2.2 中真空系统中真空系统.2323 3.2.33.2.3 高真空系统高真空系统.2323 3.2.43.2.4 超高真空系统超高真空系统.2323 3.33.3 密封系统的设计密封系统的设计.

6、2424 3.3.13.3.1 密封型式的确定密封型式的确定 .2424 3.3.23.3.2 密封材料的确定密封材料的确定.2424 3.3.33.3.3 密封设计密封设计.2525 3.43.4 泵的选择及计算泵的选择及计算.2626 3.4.13.4.1 泵的设计要求泵的设计要求 .2626 3.4.23.4.2 泵的确定泵的确定.2727 3.4.33.4.3 抽气时间计算抽气时间计算.2727 4.24.2 液压系统的组成液压系统的组成 .3030 4.34.3 液压传动的应用液压传动的应用 .3131 4.44.4 系统设计系统设计 .3131 4.54.5 液压泵站设计液压泵站设

7、计 .3333 参考文献参考文献 .3636 谢辞谢辞 .3737 第一部分第一部分 我的机械设计师职业生涯规划我的机械设计师职业生涯规划 1 自我认知 1.1 个人基本情况 个人性格：本人性格温和，稳重，乐观，自信，开朗大方，做事有耐心，善于团 队合作，喜欢控制他人，敢于面对失败和挫折，不喜欢被事情和任何人束缚；但有时 候会比较激进，有时候会爱表现自己。 身心情况：身体正常，饮食睡眠规律，没有重大疾病和身体缺陷；心理健康，没有 不良爱好，能够很快派遣压力社会关系：人际关系正常，能够很好的与同学、朋友、 同事相处，交友广泛；在接触上级的时候，会略显紧张，但仍保持稳定，与学校内领 导和老师有一定

8、联系。与外界商家或企事业单位的联系较少，缺少这方面的人脉。 实践技能：曾经到企业参观学习，了解其产供销流程；参加过义教等志愿者活动； 1.2 职业能力及适应性 我的数理能力和推理能力分数都很高，这和我从小偏向于理科类的学习有很大关 系，理科需要严谨的计算和缜密的思维，这些练就了我遇事先分析，逐项推理，从而 从最佳角度解决问题的能力。理科所需的大量的、严谨的计算，也使我养成做事细心， 有耐心的习惯，不会半途而废，也不会马马虎虎。因此，在面临重大决策时，我会冷 静的分析各种影响因素，然后再作出最后决定。 同时，我的基本智能、语言能力和信息分析能力都处于较高的分数，这些很多和 我日常的积累有关系。我

9、的人文素质是最低分的，这也和我平时的阅读缺少这方面的 内容有关，在这方面，还需要继续提高。 1.3 个人特质 我适合的职场特点：适合从事科研型技术性工作，不需要处理太多的人际关系和 去与别人打交道。还适合从事技术性工作，对智力和创造性具备一定的挑战性的工作。 职业个性特征和我适合的职业特征都指向了我适合从事从事科研型技术性工作， 而具备从事精细工作的耐心和长期智力劳动的兴趣。 1.4 自我分析小结 1、个性特征和风格：做事准确而有耐心，细致追求工作的质量，为人冷静理性， 对人外表比较冷漠，但是对于事情和情绪了然于心。在团体中很少发表自己的意见， 缺乏一些独立性，一般不会单独行动。 2、价值追求

10、：平稳的工作环境和节奏，讨厌做事断断续续，生活和工作有保障。工作 和生活中的人际关系比较松散。 3、能力优势：能应对复杂的系统和程序，耐心与毅力。工作讲究秩序和精确度， 具备无穷的技术工作潜力，关心品质与产能，经常具备一些特殊技巧或知识。 4、学习模式：不断补充自己，武装自己的头脑，即使了解机械界的新动态,；另 外多于设计方面的人才、成功者交谈，从吸取经验和知识。 2 外部坏境认知 2.1 家庭环境分析 家庭收入：父母均为小学文化，均在家务农，收入仅能解决温饱及勉强供我上大 学读书，不能为我提供其他享受的或者是创业启动资金。 家庭地位：家庭位于农村，对外交流不便，且父母人际关系较窄，不能为我提

11、供 或介绍就业岗位。且我的户口已经转移到临沂，临沂出现在父母及其他亲戚的人际圈 内的几率几乎为零。 家庭关系：父母对我的期望很高，他们尊重我选择的职业道路，但却不能在物质 上给我很大的支持。 2.2 社会环境分析 中国政治稳定，经济尽管处于金融危机之中，但经济仍持续发展，在全球经济一 体化环境中的担当重要角色。这个“世界的工厂”要实现“中国制造”到“中国创造” 正需要设计师这样的人才！ 2.3 职业预备期 大一、大二学习的都是基础课程、主要在于提高自身素质，加强自己的文化素养， 锻炼自己创新的能力。积累学习方法。 大三在加强专业知识学习的同时，考取与目标职业相关的职业资格证书。 大四初步完成毕

12、业论文设计，准备答辩不断充实自我，掌握丰富而又扎实的专业 知识，并到社会上实习，把心态调整好，有方向性的学习有关设计方面的知识，积累 这方面的经验. 毕业后前三年继续学习，再就业单位能担任较重要的角色。 我们每一个人都应该知道自己适合做什么，应该做什么，以及怎样实现自己的目标。 我们所在的环境（社会环境和自身周围的环境）是多变的，我们要适时调整自己的目 标计划，踏踏实实地为自己的梦想努力。无法知道自己能否做到最好，就尽力让自己 做到更好。 第二部分第二部分 保温式离子热处理炉的设计保温式离子热处理炉的设计 摘 要 等离子渗氮具有渗速快、渗层组织易于控制、脆性和变形小、无公害等优点，经 离子渗氮

13、处理的零件，其表面硬度高，耐磨性好，且耐蚀性及疲劳强度都有较大的提 高。由于离子渗氮零件的热能获得与一般传统的加热方法不同，是靠离子轰击工件表 面进行加热的，所以被处理工件的温度取决于其表面积。目前国内离子渗氮炉存在许 多问题，其中主要的问题是炉内工件温度不均匀，大量浪费热能。这些问题的关键在 于，国内的离子渗氮炉都采用了双层水冷的方式，渗氮炉的工作温度在 600左右， 冷却水带走了炉内热量，并造成炉内径向工件温度不均匀。这种渗氮炉的工作方式不 仅降低了工作效率，而且浪费了能源。 本文设计了一套新型的保温式离子热处理炉，在真空室的外侧设置了保温层，大 大提高了炉内工件的温度均匀性。另外，保温式

14、炉体结构简单，维修方便，节省能源， 从而提高了工作效率。 关键词：保温式；离子热处理炉；结构设计 abstract plasma nitrogen seepage rate is faster, easier to control layer organizations, brittle deformation and small, non-pollution and other advantages, the plasma nit riding treatment of spare parts, its surface hardness, abrasion resistance, and f

15、atigue and corrosion resistance and have a greater increase. because plasma nit riding parts of the thermal and general access to traditional heating methods, relying on ion bombardment heating the surface, the work requirements of the furnace temperature uniform. at present the domestic plasma nit

16、riding furnace there are many problems, of which the main issue is uneven temperature furnace parts, wasting a lot of heat. is the key to these issues, domestic plasma nit riding furnace use a water-cooled two-tier approach, nit riding temperature in the furnace of about 600 , cooling water taken aw

17、ay furnace heat, the furnace temperature uneven. this nit riding furnace work, not only reduced the efficiency and a waste of energy. in this paper, a new type of plasma heat-treatment furnace was designed. the furnace body was a vacuum chamber coved a layer of insulating material. the insulation fu

18、rnace can greatly improve the temperature uniformity of the work pieces. in addition, the insulation type of plasma heat-treatment furnace has the advances of simple structure, easy maintenance, energy saving and high efficiency. key words: thermal insulation; plasma heat treatment furnace; structur

19、al design 1 绪论 1.1 化学热处理 所谓化学热处理，是将工件置于含有某重渗入元素的活性介质中，通过加热、保 温和冷却，使渗入元素被吸附并扩散渗入工件的表面层，以改变化学成分和组织，从 而使其表面具有与心部不同的特殊性能的一种工艺。 化学热处理的主要特征是：固态扩散渗入 ，改变工件表面层的化学成分，既工件 表面不仅有组织的变化，而且有化学成分的变化，渗层与基体之间有扩散层。化学热 处理的驱动力是浓度梯度。化学热处理形成渗层的结构遵守相图，其结构是连续的， 属于冶金结合。 化学热处理按渗入元素可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铝、碳氮共渗以及碳铬复合 渗等。渗入一种元素的称为单元渗；同时渗入

20、两种或两种以上的元素的，称为二元或 多元共渗；先后渗入两种或两种以上元素的，称为二元或多元复合渗。化学热处理的 分类放大较多，可根据工件的工作条件和对性能的要求，选用相应的工艺处理方法。 按渗入元素的活性介质所处状态的不同分类，有固体法、液体法、气体法、离子 轰击法等。 本设计使用的是离子轰击法 包括离子轰击渗碳、离子轰击氮化、离子轰击渗金 属等。图 1-1（d）为离子轰击法示意图，采用 101000pa 真空度，向真空罐里通入 稀薄气体，在高压电场作用下引起辉光放电，使气体电离，用所产生的正离子轰击工 件表面，正离子具有高动能转化为热，能将工件加热，并使表面点阵原子激活脱位、 位错等晶体缺陷

21、，变为点阵缺陷扩散，大幅度缩短扩渗时间、生产周期，节省电源和 气源，无公害，劳动条件好，是一项发展较快的热处理工艺。 离子轰击热处理是至于低压容器内的工件，在辉光放电的作用下，带电离子轰击 工件表面，使其温度升高，实现所需源自渗扩进入工件表层的一张化学热处理方法。 与常规化学热处理相比，离子化学热处理具有许多突出的特点：渗层质量好、工艺可 控性强、工件变形小、；处理温度范围宽、易于实现局部防渗；渗速快、生产周期短， 可节约时间 15%50%；热效率高、工作气体耗量少，一般可节约能 30%以上、省气 70%90%；无烟雾、废气污染，处理后工件和夹具洁净，工作环境好；柔性好、便 于生产线组合，实现

22、自动化34。 图 1-1 各种化学热处理技术示意图 1.2 离子化学热处理的基本原理 以离子渗氮为例，其基本过程如下：按图 1-4 的装置，把工件（11）放在阴极托 盘（13）上，盖上真空钟罩（6），由真空泵（22）进行抽气，直至炉内真空达 1.33pa，然后通过进气管通氨气（渗氮气氛）至气压 66pa 后，接通电源，在阴极（11 和 13）与阳极（12）之间施加直流电压，又零逐渐增大，至某一值后，炉内工件上突 然出现辉光，逐渐增加外加电压，工件表面逐渐被辉光所覆盖，直至所有阴极面积完 全被度光所覆盖后，进一步增加两极间电压，辉光亮度增加，工件温度上升，直至所 需加热温度，并把炉内气压及电参数

23、调整至工艺要求值，开始正常渗氮过程，直至保 温终了，切断电源，处理完毕。 可见离子化学热处理系利用稀薄气体的辉光放电现象。在离子热扩渗中，欲渗元 素的离子的产生和运动都又低真空中气体辉光放电的产生条件和辉光区的特点决定， 因此有必要了解辉光放电的基本特性6。 图 1-4 离子渗氮装置示意图 1.氨瓶 2.氨压力表 3.阀 4.干燥箱 5.流量计 6.钟罩 7.进水管 8.出水管 9.进气管 10.窥视孔 11.工件 12.阳极 13.阴极 14.热电偶 15.xct 动圈式仪表 16.抽气管 17.u 型真空计 18.阀 19 阀 20.真空规管 21.真空计 22.真空泵 23.直流电流 1

24、.3 离子热处理炉的主要结构 真空炉体是离子轰击热处理工件的工作室，其结构设计与真空炉基本相同。离子 热处理炉的主要构件有： （1）炉体 等离子热处理炉炉体分为冷壁和热壁两类，传统的离子渗氮炉，一般温度均在 650以下，大都采用炉壁夹层通水冷却的冷壁炉，采用脉冲电源，可以满足离子轰击 件单位面积上功率的需要。热壁炉是指除离子轰击形式的加热外，在炉内另行设置加 热器件，它们同时（或预热后）加热工件，进行离子轰击处理。热壁炉有利于提高炉 内温度均匀度和减少处理开始期的“打弧”。 （2）隔热屏 在离子炉内设置隔热屏有显著的节能效果。测试表明，有一层不锈钢隔热屏比无 隔热屏的节省功率 40%，再加上一

25、层铝合金隔热屏，节省功率可达 55%。 隔热屏也作为辉光放电的阴极，可以单独引线，成与炉壁共接阳极。隔热屏内壁 应平整光滑。无焊点、铆钉头之类的突点，或则会在突点尖锐部位形成阳极辉光集中 亮点。 隔热屏是真空热处理炉的重要部件，它起隔热、保温的作用，也时常作为固定加 热器的结构基础，隔热屏结构型式和材料，对炉子加热功率有很大的影响，它除应满 足炉子的耐火度、绝热、抗热冲击和抗腐蚀等要素外，还应有良好的热透性，能够尽 快脱气。 （3） 阴极输电装置与支承 阴极输电装置起支承工件并将电流输入炉内的作用。离子渗氮的阴极输电装置也 可将引入加热室的部分采用非金属耐热制品，它既支承炉床，又作为电流传导的

26、阴极 输电柱，常用优质高强度石墨制作，其防止弧光放电的护隙结构与金属阴极类似。 对于一个阴极作为支承的较大工作盘采用三点以上的支承，它仅作支承面无输电 的功能，但因有辉光存在，所以仍必须有与输电阴极相同的护隙结构。 （4） 测工件温度的装置 由于在离子轰击处理过程中，工件带有高压电位，给准确测温带来困难。在离子 轰击辉光放电炉内，最准确的测温方法是采用封闭内孔带有护隙套管的热电偶埋入试 样内，用电位差计或高精度数字电压表读出毫状值。其他测温方法都应与埋偶测温进 行比较，以确定其测温精度。 （5）观察窗 通常通过观察窗来监视真空容器内部生产情况（如观测温度、试料状态等）或传 输光源。根据密封型式

27、，观察窗可分为可拆连接和不可拆连接。前者用于高真空和低 真空，后者用于超高真空系统。在不可拆连接中，用无氧高导铜和玻璃的不匹配封接 或者使用可伐与玻璃的匹配封接，两者都能承受 300450高温烘烤。真空度要求不 太高的地方，可用透明有机玻璃板代替玻璃板。传播光线的观察窗材料可采用光学玻 璃或熔石英等。石英玻璃用在高温炉上，为了预防橡胶密封圈过热，法兰要用水冷却。 为了防止某些金属蒸镀到玻璃片上，可装设挡片或擦拭片12。 1.4 离子热处理设备的发展和现状 现代工业生产中，为满足零件的大批量处理、零件的体积和重量大，渗氮表面质 量要求高的需求，离子渗氮设备采用了新型电子元件以及微机控制技术14。

28、近年来， 工业上应用的大型离子渗氮设备的最大直流电流达 500 安，甚至 10 兆安。离子渗氮设 备采用品闸管元件制成可调整流电源，随着品闸管、gt0 电力电子器件的应用，加大了 功率，方便了控制，而 igbt 器件的应用，使电源和控制得到了进一步提高。 脉冲电源的发展，解决了带有小孔、窄缝的零件的离子渗氮的困难。由于电子器 件的改进，系统的可靠性大大提高，目前脉冲频率可高达几万赫兹，最大电流可达 400a。数字控制技术的应用改变了原来比较烦琐的调试，增加了电源的稳定性和可靠 性， 离子渗氮炉炉体也有新的发展，除已经广泛使用的水冷炉壁外，还出现了多种保 温、加热、交换气体冷却和可控空气强迫冷却

29、等各种形式的炉体，进一步提高了离子 渗氮均匀性和表面质量。t 形炉体的出现，方便了零件的吊挂和长件内孔的处理。 我国于 1967 年开始试用离子渗氮，1971 年后，一些科研单位、大专院校和工厂 先后投人人力物力，开展离子渗氮方面的研究和应用。1977 年 4 月当时的第一机械工 业部组织召开了全国离子渗氮交流会，促进 r 离子渗氮技术在中国的迅速发展。我国 自改革开放以来，通过企业的重组和根据市场的要求，逐渐形成了为数不多的几家离 子渗氮设备生产厂，不少城市调整布局，停用了一些设备，开设一些专业离子渗氮处 理工厂，承接此类工艺处理业务同时也有引进国外先进技术和资金，成立了等离子技 术的合资公

30、司，生产微机控制全自动离子渗氮设备，并对各种零件进行离子渗氮处理， 促进了我国离子渗氮技术的发展 2 真空保温式热处理炉的结构与设计 2.1 保温式离子热处理炉主要特点 本装置采用保温式反应室结构，反应室内的工件采用离子轰击加热，反应室的外 壁用保温材料覆盖，反应室仅在密封胶圈、电极等必须冷却的部位采取局部水冷。反 应室经过绝热处理后，除节电、节水外，还提高了反应室内工件的温度均匀性，扩大 了反应室内的有效使用空间。为了使处理后的工件在冷却过程中加快冷却速度，在保 温层和反应室外壁之间有水冷或风冷通道。 与水冷式炉体结构相比，绝热式炉体结构具有以下特点： (1) 炉内空间温度高：解决了离子热处

31、理的测温问题。 (2) 炉体结构简单合理：炉内有效装载空间增加 30%。 (3) 节能效果好：节电 50、节水 80%。 (4) 具有多功能：可用于氮化、渗硫、软氮化加氧化和 pcvd 等处理。 图 2-1 保温式离子热处理装置示意图 2.2 筒体的设计 2.2.12.2.1 筒体材料的选择筒体材料的选择 离子渗氮时的温度在 600以下，考虑到保温式炉体在该温度下所要达到的性能 和设计寿命，以及对高温蠕变的考虑，决定采用高温强度和抗高温氧化性都比较好的 奥氏体不锈钢 1cr18ni9ti。另外，奥氏体不锈钢还具有较好的塑韧性、耐蚀性、冷加 工成形性、可焊性等一系列优点。虽然奥氏体不锈钢价格是普

32、通低碳钢的 2 倍，但用 于水冷式炉体由于要考虑水的腐蚀、水垢等因素的影响从长远来看选用不锈钢作炉体 成本要低于低碳钢作炉体的成本。 2.2.22.2.2 筒体外形及厚度的确定筒体外形及厚度的确定 大多数真空室的壳体都是圆筒形的，原因是制造容易而强度好。真空室除用板材 制造外，对于直径较小的真空室筒体亦可用热轧无缝钢管制造。圆筒体焊制后应进行 整形和矫直。根据需要真空室可以做成立式或卧式的。 圆筒形壳体的计算： 按计算公式确定外压圆筒形壳体壁厚 根据设计要求，所设计的筒体的内径 db= 600mm，内径高 hb= 1000mm。 因圆筒壳体只承受外压，可按稳定条件计算，其壁厚为 s = 1.2

33、5 d ( ) mm （2-1） 0b t e p b d l 4 . 0 式中： s0圆筒计算壁厚 mm ； db圆筒内径 mm ，取 db= 600mm； p外压设计压力 mpa，设计的工作压力为 0.1 个大气压，取 p=0.1mpa； l圆筒计算长度 mm ，（由图 2-2）可得 图 2-2 外压圆筒的计算长度 因设计的筒体的长度 y=700mm，封头的高度 h=300mm，则 xh=100mm， 3 1 l=yx800mm； et材料温度为 t 时的弹性模量105 mpa，资料16中图 9-7 给出了碳钢和合 金钢在各种温度下的 et 值；因所设计炉的材料为奥氏体不锈钢，有表可知，

34、et =1.46105 mpa； 上述所得出的结果带入公式（2-1）得 s = 1.25600（）3.15（mm） 。 0 5 1046 . 1 1 . 0 600 800 4 . 0 圆筒的实际壁厚为 s= s0c mm （2-2） 式中 s 圆筒实际壁厚 mm ； s0 圆筒计算壁厚 mm ，由上计算得 s03.15mm； c 壁厚附加量 mm, 壁厚的附加量应按下式确定： c=c1c2c3 mm （2-3） 式中 c 壁厚的附加量 mm ； c1 钢板的最大负公差附加量mm，一般情况下均取 0.5mm， 则 c10.5mm； c2 腐蚀裕度 mm , 当介质对容器材料的腐蚀速度大于 0.

35、55mm 年时，其腐蚀裕度应根据腐蚀速度 和设计的使用寿命来决定。当介质对容器材料的腐蚀速度0.05mm 年时（包括大 气腐蚀），单面腐蚀取 c2=1mm，双面腐蚀取 c2=2mm。 因所设计炉时单面被腐蚀，则 c2=1mm； c3 封头冲压时的拉伸减薄量 mm ， 在一般情况下，c3取计算厚度的 10%，并且不大于 4mm，对于需要加热工手工敲打的 封头，根据加工具体情况，考虑增加由于氧化及拉伸所减薄的厚度，并在图纸上注明， 对于圆筒体等不经冲压的元件，c3=0。则 c3=0。 则 c=c1+c2+c3=0.5101.5（mm） 以上的结果带入公式（2-2）得， s= s0+c=3.151.

36、54.65（mm） 根据实际情况，圆筒的实际壁厚应为 s5（mm） 2.3 封头的设计 错误!未指定应用程序。 图 2-3 封头简图 圆筒体上的封头一般都用椭圆形封头（如图1-10示），从受外压角度来讲，采用 这种封头形式比较好。除椭圆形以外，还有碟形封头及无折边球形封头。碟形封头常 用，无折边球形封头在圆筒体上少用，而在真空室门上多用。 因此所设计的封头为椭圆形封头的形式设计。 2.3.12.3.1 封头材料的选择封头材料的选择 由于封头是炉体的一部分，使用条件和筒体一样，我们同样采用了奥氏体不锈钢 1cr18ni9ti。 2.3.22.3.2 封头外形及厚度的确定封头外形及厚度的确定 椭圆

37、形封头厚度计算 因1.5,所以外压凸形封头按内压封头公式计算，但须将实际 0 100s l 600100 100 压力乘以 1.7 倍，如图（2-4）其公式为： 椭圆形封头： sc mm (2-4) b bb h d p pd 24 7 . 1 式中 s 封头计算壁厚 mm; p外压设计压力 mpa，设计的工作压力为 0.1 个大气压，取 p=0.1mpa； db圆筒内径 mm ，取 db= 600mm； 焊缝系数；由资料16中表 9-6 可得，双面自动电弧焊或手工焊的 对接焊缝以及保证双面焊透的丁字连接焊缝，则 0.7； hb 封头突出部分内边高度 mm；由图 2-3 得， 图 2-4 椭圆

38、形封基本尺寸 可知封头的高度为 h300mm，由图 2-6 可知 lh，hb200mms； 3 1 许用应力 mpa；由资料16中表 9-4，9-5 得。 ； b b n ； （2-5） s t s n 或 ； d t d n n t n n 式中 材料的许用应力 mpa，不同温度下材料的许用应力见资料16中表 9-4； b 常温下材料的最低强度限 mpa，则取 b144 mpa； 工作温度下材料的屈服限 mpa，亦可产生残余变形达 0.2%的条件屈服限， t s 则取 127 mpa； t s 工作温度下，材料的蠕变限 mpa，则取 127 mpa； t n t n nb，ns，nn 安全系

39、数，有资料16中表 9-5 得， n 3.0；n 1.5；n 1.0； bsn 以上带入公式（2-5）得； 48 mpa； 0 . 3 144mpa 84.67 mpa； 5 . 1 127mpa 127 mpa； 0 . 1 127mpa 所以48 mpa c 壁厚附加量 mm； 壁厚的附加量： cc1c2c3 mm (2-6) 式中 c1 钢板的最大负公差附加量 mm，由资料16中表 9-3 得，一般情况 下均取 c10.5mm； c2 腐蚀裕度 mm，因所设计的炉为单面腐蚀，则 c21mm； c3 封头冲压时的拉伸减薄量 mm，因圆筒体等不经冲压的元件，则 c30 。 则 cc1c2c3

40、0.5101.5 （mm） 综上所述，封头的壁厚为： sc1.5 b bb h d p pd 24 7 . 1 1 . 07 . 0484 6001 . 07 . 1 s2002 600 解得 s2.65（mm） ； 根据实际情况，取 s3.0（mm） 2.4 保温层的计算 2.4.12.4.1 保温材料的选择保温材料的选择 在保温材料的物理、化学性能满足工艺要求的前提下，应优先选用导热系数低、 密度小、价格低廉、施工方便、便于维护的保温材料。在本次设计中我们采用了硅酸 铝耐火纤维，其性能见表 2-1。硅酸铝耐火纤维是一种新型轻质耐火、绝热材料，它具 有以下特点：容重轻、导热系数小、耐高温、抗

41、机械振动好、受热膨胀小、绝缘、隔 音性能好、施工简便。 表表 2-12-1 硅酸铝纤维的性能参数硅酸铝纤维的性能参数 技术指标技术指标普通纤维普通纤维高纯纤维高纯纤维高铝纤维高铝纤维 导热系数（w/mk） 0.0380.0350.032 最高使用温度（） 100010511250 纤维细度（um） 2.32.32.3 渣球含量% 854 线收缩率%（1000， 3 小时） 432.5 防火性能a 级不燃a 级不燃a 级不燃 软毡密度（kg/m3） 80-192100-160100-160 2.4.22.4.2 保温层厚度的计算保温层厚度的计算 所设计的保温炉在常温下工作，炉内的工作温度在 60

42、0左右的环境下工作，对炉 内热量的保温有较高的要求。要求炉外壁的温度需要与常温下的温度接近，即 20 左 右。设计的保温炉有空气层的复合保温结构，紧贴在工作炉为 10mm 左右的共七层，而 空气层不能过大，否则将引起对流换热，从而减弱了空气的隔热作用；中间采用耐高 温的保温材料硅酸铝纤维进行保温。 传热方法计算 所设计保温炉在常温下工作，对炉整体的保温要求较高。保温炉有筒体、空气保 温层、内保护层、硅酸铝纤维保温层和外保温层组成，如图 2-4 所示。 炉内的传热为二维稳态传热，即四周传热的热量都是相等。设从炉内传出的热量 为 q、通过空气保温层传出的热量为 q1、通过保温材料传出的热量为 q2

43、、通过外保护 层散热到大气的热量为 q3，有下列等式可得：qq1q2q3。以上可得如下公式进行 求得保温层材料的壁厚：即 （2-7） 0 1 101 ln d d tt 1 2 212 ln d d tt 式中 1 空气的导热系数，取 0.25 wmk； 2 硅酸铝纤维的导热系数，取 0.09 wmk（400） ； t0 炉内壁的工作温度，设工作温度为 600，到炉内壁的共组温度为 550； t1 空气层的外表面温度（即保温材料的内壁温度，取 400） ； t2 保温材料的外壁温度，取 50； d0 为炉的外径，取 610mm； d1 为空气层的外径，取 630mm； d2 为保温层的外径；

44、上述可得保温层的壁厚为： 610 630 ln 40055025 . 0 630 ln 5040009 . 0 2 d 解得 d2785.54mm 得出保温层的壁厚为 d（785.54630）277.77mm； 根据实际要求，实际的壁厚为取 80mm。 图 2-5 有空气保温层的保温炉断面图 2.5 观察窗的设计 通常通过观察窗来监视真空容器内部生产情况（如观测温度、试料状态等）或传 输光源。根据密封型式，观察窗可分为可拆连接和不可拆连接。前者用于高真空和低 真空，后者用于超高真空系统。在不可拆连接中，用无氧高导铜和玻璃的不匹配封接 或者使用可伐与玻璃的匹配封接，两者都能承受 300450高温

45、烘烤。真空度要求不 太高的地方，可用透明有机玻璃板代替玻璃板。传播光线的观察窗材料可采用光学玻 璃或熔石英等。石英玻璃用在高温炉上，为了预防橡胶密封圈过热，法兰要用水冷却。 为了防止某些金属蒸镀到玻璃片上，可装设挡片或擦拭片。 观察窗的基本结构类型有： 带擦拭片的观察窗、 水冷观察窗、 可移动观 察窗、 透明聚乙烯薄膜观察窗等。 带擦片式观察窗 带擦片式观察窗的整体效果较好，可以对观察窗随时进行 擦洗，达到观察窗的清洁，但也有存在着缺点，主要在于炉子要进行维修时，带擦片 式观察窗拆卸不方便，甚至困难，所以这种观察窗不常采用。 水冷观察窗 带有冷却水的观察窗的冷却效果较好，降低了观察窗的温度，拆

46、 卸维修也比较方便；但也存在缺点，该观察窗上带有两个玻璃窗，且中间隔有间隙， 在冷却的过程中水汽在两玻璃片的中间模糊了观察炉内的效果，这样以来对观察窗要 经常进行擦洗，增大了工人的劳动强度。 可移动观察窗和透明聚乙烯薄膜观察窗 二者的观察窗优点在于总结了上述观 察窗的缺点，可大大增加了成本，然而这种观察窗在工业上不常用。 2.5.12.5.1 自行设计观察窗自行设计观察窗 图 2-6 观察窗结构 总结常用观察窗的优缺点，设计出成本低，维修方便且冷却效果较好的观察窗， 因此所设计的观察窗为带有冷却水的且可拆卸的观察窗。如图 2-6 所示。 所设计的观察窗为带有冷却水的且可拆卸的观察窗结构比较简单

47、，装拆卸、维修 也比较方便，主要是带有冷却系统，可降低观察玻璃的温度。 2.5.22.5.2 观察玻璃的选择观察玻璃的选择 炉内工作的温度在 600左右，对材料的隔热性能、耐高温的性能要求比较高，虽 然观察窗用水进行冷却，达到降低温度的目的，但炉内工作的温度较高也会大量热量 会辐射到观察窗上，使观察玻璃的温度上升。为了提高观察玻璃的使用寿命，应采用 耐高温的玻璃，即耐热玻璃。 2.6 冷却系统的设计 2.6.12.6.1 冷却方式的选择冷却方式的选择 传统离子渗氮炉的冷却方式存在许多问题。如水冷式的离子渗氮炉采取在炉筒夹 层内通水冷却的方式。由于炉壁吸收了大量的热量，最终被冷却水不断地带走，这

48、就 造成了能量的大量损失。离子渗氮处理完成后，工件要随炉自然冷却，由于设备的冷 却速度非常慢，因此冷却需要很长时间，这就大大降低了生产效率。另外，由于降温 缓慢，扩散层中针状 相析出，降低了离子渗氮后零件的力学性能。 为了提高劳动生产率和设备利用率，使被处理工件的针状 相迅速转变为含氮马 氏体，增加强度，进一步提高使用寿命，我们采用了风冷来对炉体进行冷却，设计了 离子渗氮炉的快速冷却系统风道，风道图如图 2-7 所示。当工件进行快速冷却时， 打开充气控制阀，冷却气体经进气环管进入炉内，冷却气体在风道流动带走了热量。 从而加快了工件的冷却速度。 2.6.22.6.2 风道的结构设计风道的结构设计

49、 风道的快速冷却系统，风道图如图 2-7 所示。将直径为 10mm 的不锈钢钢丝以 100mm 的间距缠绕在炉体外侧，用点焊的方法将其固定在炉体上，然后在炉体外侧既 是钢丝的外侧覆一薄钢片，钢片和炉体之间夹着不锈钢丝，即形成风道。 图 2-7 风道的结构图 2.7 隔热板的设计 2.7.12.7.1 隔热板设计要求隔热板设计要求 隔热板是真空热处理炉的重要部件，它起隔热、保温的作用，也时常作为固定加 热器的结构基础，隔热板结构型式和材料，对炉子加热功率有很大的影响，它除应满 足炉子的耐火度、绝热、抗热冲击和抗腐蚀等要素外，还应有良好的热透性，能够尽 快脱气。 隔热板内部结构尺寸决定于处理工件的

50、形状、尺寸和炉子生产率，并要保证有良 好的加热效果、炉温均匀度和便于检修及装出料操作。一般隔热板内表面与加热器的 间距约为 2080mm，加热器与工件（或夹具、料筐）的间距约为 30160mm，隔热板 两端通常不布置加热器，温度偏低，因此隔热板两端的尺寸均应大于有效加热区尺寸 约 50300mm 或更长一些。 2.7.22.7.2 隔热板的确定隔热板的确定 隔热板结构一般有四种型式:全金属隔热板、夹层式隔热板、石墨毯隔热板和混合 毯隔热板。 （1） 全金属隔热板 全金属隔热板由数层金属板（或片） 、隔离环（条）和支撑 杆等部分组成。全金属隔热板的热容量和热惯性都小，可快速加热和冷却，且除气容

51、易。这种隔热板多用于处理清洁度要求高的真空热处理炉。 （2） 夹层式隔热板 夹层式隔热板是在金属制的内外板中填充耐火纤维。夹层 式隔热板结构简单，隔热、均热效果好，热损失小热惯性小，可以实现快速加热和快 速冷却。但采用这种结构的炉子其真空度不可能很高，因此，常适用于真空回火炉、 气冷真空炉、真空烧结炉中。 （3） 石墨毯隔热板 石墨毯隔热板是用石墨绳将多层石墨毯缝扎在钢板网上。 这种隔热板结构简单，制造容易，隔热效果好，但由于石墨毯的纤维很细小、柔软， 会使断头到处飞扬，易在很大面积上造成电热元件与炉体短路。因此这种结构的炉子 在气冷真空炉、真空烧结炉上都采用此隔热板。 （4） 混合毯隔热板

52、混合毯隔热板内层通常为石墨毯，外层为硅酸铝纤维毯， 这种隔热板结构简单，加工制造容易，晚装维修方便，因此油淬真空炉都采用这种结 构。 所设计的保温炉，真空度要求较高，且炉内的清洁度也高，因此根据所设计的保 温炉的设计要求，结合上述中隔热板的机构型式及特点，选择全金属隔热板。 2.7.3 隔热板的结构要求隔热板的结构要求 （1） 材料选择，保证在工作温度下隔热板能正常工作，翘曲变形小。 （2） 材料加工，隔热板在装配前均需进行表面加工或处理使表面光洁，以降低 黑度，增强反射效果。 （3） 材料厚度，在工作条件允许的情况下，隔热板应尽量薄些，一般中、小型 炉为 0.20.5mm，大型炉为 0.51

53、.0mm。 （4） 隔热板层数，层数越多，热损失越小。但是层数对材料消耗也多，结构表 面增多，吸附面增大，使气体不易放出，影响真空度，尤其时在湿热的夏季，层数对 减少热损失的效果是第一层辐射板的隔热效果为 50%，第二层为 17%，第三层为 8%，一 次递减。所以层数不必过多，一般采用 56 层。 （5） 层与层间的距离，层间距一般应尽量小，以减少炉子的结构尺寸，但应防 止各层间不致因热应力变形二相互接触，一般按隔热板大小选用，间距为 510mm。 （6） 几层辐射板连接的接触面积，辐射板的接触面积不能太大。 （7） 隔热板的安装，隔热板设计成可拆卸式，要留有热胀冷缩的余地12。 2.8 大底

54、盘的设计 所设计的底盘位于炉体的下部主要用于炉体的支撑做用，因此具有一定的强度。 炉体的工作温度在 600左右，且炉体进行保温；底盘未进行保温且炉体所需的设备都 设置在底盘的下部，炉体的热胀冷缩对底盘有一定的影响，从而降低了保温炉的寿命， 因此，底盘有一定的厚度且要进行水冷，降低底盘的温度。底盘的结构如图 2-8 所示。 图 2-8 大底盘的结构示意图 3 真空系统的设计 真空系统的实际时为了正切的决定系统如何配置，选择系统的基本尺寸，选配适 当的真空泵、阀门、街头及连接管道等。而最主要的还是解决选择真空泵或真空机组 和确定满足工艺所要求工作压力的抽气时间两个问题。 3.1 真空系统的组成 真

55、空室是真空设备的主要部件之一。真空设备的生产工艺过程都是在真空室中进 行的。真空室中装有不同的部件，可以完成各种不同的工艺要求。如真空室中有蒸发 金属的部件，就可蒸镀金属薄膜；真空室中有感应加热部件，就可以作为真空冶炼用 的真空感应电炉等等。 真空热处理炉的真空系统，一般由真空泵、真空阀门、真空测量仪表、电极系统、 管道等部分组成。 3.2 真空系统的类型 3.2.13.2.1 低真空系统低真空系统 低真空系统（指 7601 托）一般采用往复泵、水环泵、水环大气喷射泵、水蒸 气喷射泵、12 级罗茨泵、罗茨泵水环泵机组和机械泵等。低真空系统广泛应用在 真空浓缩、脱臭、真空负压造型、真空运输，真空

56、成型等。 3.2.23.2.2 中真空系统中真空系统 中真空系统（指110-3 托）多采用机械泵、油或机械增压泵、吸附泵等。中真 空系统也用于真空蒸馏及精馏、真空干燥、冷冻干燥、真空浸渍、真空绝热、真空烧 结、真空钎焊、低压风润、激光及电光源器件、真空退火等等。 3.2.33.2.3 高真空系统高真空系统 高真空系统（10-310-7托）多采用扩散泵、涡轮分子泵做主泵。高真空系统应 用在真空冶炼各种真空电炉、半导体区域熔炼、热处理、真空电子束焊、激光及电真 空管、x射线管、真空镀膜等。 3.2.43.2.4 超高真空系统超高真空系统 超高真空系统（11-7托）的主泵有扩散泵、离子泵、涡轮分子泵

57、、钛泵和低温 泵。超高真空系统应用与宇宙航行、热核反应、薄膜、表面和等离子体物理、表面化 学、超导技术、宇宙环境模拟等1718。 3.3 密封系统的设计 3.3.13.3.1 密封型式的确定密封型式的确定 真空设备为了隔绝大气，它的各个部件的连接处、电源和讯号的引入端、转动轴、 观察窗、盖等地方，都应有可靠的真空密封。真空设备的密封性能时真空设备的重要 指标，要求通过各种密封途径将漏气限制在允许的范围之内。 真空密封通常可分为可拆密封和不可拆密封；可拆密封中又有静密封和动密封的 区别。 根据所设计的保温炉的要求，选择静密封来确定密封系统。 3.3.23.3.2 密封材料的确定密封材料的确定 静

58、密封是指连接件不能做相对运动的密封，对于低真空和高真空，可拆静密封一 般采用弹性很大的橡胶做密封材料。 （1）橡胶的一般特性 橡胶的种类很多，性质各有不同，但都具有很大的弹性，在很小的作用力下能产 生很大的变形。 橡胶的体积时很不容易被压缩的。在某一方向上受压就在另一方向上伸长，总体 积几乎不变。因此，橡胶不仅可以用作压紧密封，而且还可以用作胀紧密封。 橡胶长期处于压缩状态，会发生永久便习惯，及残余变形。残余变形的大小随温 度升高而急剧增加。 密封法兰的槽沟容积如果小于橡胶密封圈的体积，两个法兰表面就压不到一起。 使用这种法兰时，螺栓如果拧得过紧，橡胶圈就会产生永久变形甚至被压坏而影响密 封性

59、能。 温度对橡胶的性能影响很大。高温容易使橡胶产生残余变形，加速橡胶的老化； 低温容易使橡胶发生结晶硬化，丧失弹性。因此，橡胶都有一定的使用温度范围。普 通橡胶的使用温度范围为-3090；氟橡胶的使用温度范围为-40250；丁腈橡胶 的使用温度范围为-25150。 根据设计炉的要求，所设计的保温炉的工作温度范围在 600左右，而在观察窗， 底座，电极系统都要进行密封，因而在观察窗，底座，电极系统都采用水冷进行冷却， 降低了这三者中的温度。 因此根据以上叙述，结合所设计的保温炉的要求，选择氟橡胶进行密封。 （2）氟橡胶的特性 氟橡胶的真空性能比其他橡胶好。它具有良好的耐高温、耐油和化学稳定性。各

60、 种气体在维通型氟橡胶中有较小的扩散速度和较大的溶解度，透气性很小，与丁基橡 胶相当，在高温、真空中出气率很低（在 2.610-7pa 的失重为 2.3%） ，可用于 10- 510-7pa 的真空密封；采用双“o”圈密封结构，烘烤到 200，并加上冷却措施， 可达到 10-8pa 的超高真空。 使用温度在 220左右。长期去气温度达 250，短期去气温度可达 300。在烘 烤的条件下，氟橡胶也只放出微量的 h2o、co、co2 等，因此，氟橡胶可应用于 10- 910-10 托的超高真空系统中。 3.3.33.3.3 密封设计密封设计 （1）密封槽的设计 真空橡胶密封槽有各种型式，如（资料1