真空热处理炉_课程设计

1、真空热处理炉设计说明书（课程设计）一、设计任务说明说：WZC-6理真空淬火炉技术参数:项目单位指标炉子有效尺寸Mm900 X 600X450最大装炉量Kg210最大温度C1300压升率Pa/h额定功率Kw100二、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900mm( 600mm( 450mm,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

2、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：L= 900+ 2X (150 300) = 11001400mmB= 600 + 2X (50 150) + 2X (50 100)= 800 1100mmmmmmmmH= 450 + 2X (50 150) + 2X (50 100)L=1300= 650 950mmB=900不妨，我们取 L=1300 mm B=900mm H=850mmH=8502、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。为简单起见，炉门及出炉口我们

3、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1300，这里我们采用六层全金属隔热屏，其中内三层为钼层，外三层为不锈钢层。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250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：1300；第二层：1050；第三层：800；第四层：550；第五层：400；第六层：250；水冷夹层内壁：100最后水冷加层内壁的温度为100 <150，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815mm这里我们取10mm铝层厚度0.3mm不

4、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："2X L1 B1 L1 H1 B1 H1=2X (1300 X 900+ 1300X 850+ 900X 850)=m2F1 = m2第二层面积:F2=2*L2B2L2 H 2B2H 2=2X ( 1310X910+ 1310X 860+910X 860)=m2F2 =m2第三层面积:F3 = 2X L3B3L3H3 B3 H3=2X ( 1320X920+ 1320X 870+920X 870)=m2F3 = m2第四层面积:F4 = 2X L4 B4 L4 H4 B4 H4=2X ( 1330X930+ 1330

5、X 880+930X 880)=m2F4 = m2第五层面积:F5 = 2X L5 B5L5H 5 B5 H 5=2X ( 1340X940+ 1340X 890+940X 890)=m2F5= m2第六层面积:F6 = 2 X L6B6L6 h 6 B6 h 6=2X ( 1350X950+ 1350X 900+950X 900)=m2f6= m2(2)、炉壳内壁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：F冷=2X L冷B冷 L冷 H冷 B冷H冷=2X ( 1360X960+ 1360X910 + 960X 910)=肝f冷=m2壁厚按矩形平板计算，板周边固定，受外压S0

6、 = x=x式中：1X105Pa,水压实验按 P水= 2X105Pa计。B/、：90/ v360 106 =cmB矩形板窄边长度，B= 90 cm ;弯一一45号优质碳素钢的弯曲许用应力为 360Mpa实际壁厚：S= S0+C= 17+3= 20 mm式中：C-一壁厚附加量；C= C1 + C2 + C3 = 1 + 1 + 1 = 3o水压试验时，其应力为0.5B2P水s=324Mpa =_ 0.5 902 2 105022.0 0.3则所需壁厚符合要求，即S= 20 mm三、炉子热平衡计算S1、有效热消耗的计算< s = 324Mpa=18 mm工件和夹具在1300c和20c的比热容

7、分别为C1 = 0.636Kg/(kg ? C )和 C0 = 0.486Kg/(kg ? C ), 它们的质量分别为 G工=160kg,G夹=10kgQ有效=Qr+Q= (Gk + Ge) x(C1t1C°t°)= (120 + 10) xx 1300 x 20)=hQ有效=h2、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：热=： ， ， 1 一， 2 一， 3 一，4=5=6 =； 冷=。则导来辐射系数:G1 =4.961 昆_1热 F114.9610.45216110.956.080.133二(nf h K4)其中F1由前面算得，F热为加

8、热元件的表面积。同样计算得：C124.964.966.080.1336.2026 0.096C234.96三_1F334.96fF44C454.96C6冷Q1 =4.96F _1F664.961F61h K4)4.966.20261 d10.096 6.3264 0.0964.966.3264 1/ 10.096 6.4514 0.5二(nf h K4)0.54.966.4514 1 彳16.5776 0.54.96(m26.5776 1 d16.7050 0.5 h K4)4.96工于,10.5 6.8336 0.5644T热T冷100100111C热？F热C1C 冷? F616733737

9、0010011.79 6.70513.226 0.45216 0.2961 6.08式中:T热电热元件得绝对温度，按高于炉子工作温度的100 c计算，即T热= 1673K;T冷炉内壁的绝对温度，即按设计计算得 T冷=373K。各辐射屏的温度的验算:44第一层：工=TL Q 1100100C 热 1?F热把各项数据代入上述公式，计算得T1=1545K即 t 1=1272 c1=1272 c44第二层：工=TL Q 1100100C 热 1?F热1C12 ? F1把各项数据代入上述公式，计算得丁2=1412K即 t 2=1139 c类似计算，得:t 3=914 C;t 4=688C ;t 5=59

10、3C ;t 6=453 C;t 冷=99 C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=1139 c3=914C4=688C5=593C6=453C> =99 C(2)、水冷电极传导的热损失 Q2Q = n -d t1 t242=3X x 103 x 0008- x 2X4X1O3 X ( 3020) =h Q 2=h式中：n水冷电极，n =3;水的密度，=x 103KJ/m3；d 水管直径，取 d= 0.008m；水的流速，对于中等硬度水取=2m/s；t 1 冷却水出口温度 t 1=30C；t 2 冷却水出口温度 t 2 = 20C ；(3)、热短路损失Q3该项热损失，包括

11、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， 权据经验，这部分热损失大约为 Q的5% 10% 左右，这里我们取：Q3 = 8%Q=8%x= KJ/h Q 3= KJ/h(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Q的3% 5%左右，取Q= (3 % 5%) Qi这里我们取:Q4 = 5%Q = 5%x= KJ/h Q 4 = h则：Q 损失=Q+Q2+Q3 + Q=+=KJ/hQ损失=3、结构的蓄热量KJ/h炉子结构

12、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。炉子结蔷热量是隔热层、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 =钥？ Fi ? bi=X 103 X X X 10 3 = kg G 1 = kgqi=GlCmtl to=XX ( 1272 20) = q 1 =第二层：G2 =钥？ F2 ? b2=X 103 X X X 10 3 = kg G 2 = kgq2 = G?Cmt2 to=xx ( 1139

13、-20) = q 2 =第三层：G3 =钥？ F3 ? b3=X 103 X X X 10 3 = kg G 3 = kgq3 = G3Cm t3 t0=xx ( 91420) = q 3 =第四层：G4 =钢？ F4 ? b4=X 103 X X X 10 3 = kg G 4 = kgq4 = G4Cmt4 t0=xx ( 68820) = q 4 =第五层：G5 =钢？ F5 ? b5=X 103 X X X 10 3 = kg G 5 = kgq5 G5Cm t5 t0=xx ( 59320) = q 5 =第六层：Q =钢？ F6 ? b6=X 103 X X X 10 3 = kg

14、 G 6 = kg=XX ( 45320) = q 6 =(2)、炉壳内壁的蓄热量Gj =钢？ F冷? b冷= X 103 XX 18X 10 3 = kg G 内=卜8由于内壁温度由内到外以此降低，内部温度 为100C,外部温度为20Co 则：q冷=1/2 G冷Cm t冷卜= 1/2 x x x ( 10020)=q冷于是:qi冷=6031.4 5500.8 4482.7 10297.5 9006.3 6936.8 18198=KJ/h4、炉子功率的验证KJ/h炉子应供给的总热量：Q = QT效+ Q员失+ Q=+ +=KJ/hQ”则炉子总负载功率N总KJ/h总= 100kwN空=Q损失 =

15、35954783L 3 60453.5M=0=x 214505.2 =心 35953595与炉子所要求的设计功率 100kw相近，则取N总= 100kw。空载升温功率:空载升温时间:Q蓄=35950视总 °.8Q1359560453.5=3595no 八。47831.30.8 63 0.8 -3595四、电热元件的选择及布置对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性， 在炉膛的四周都不知上加热元件，即两底面和两 侧面都按上加热元件，加热元件组成星形连接。由于炉温最高温度达1300 C,而加热元件的温度则为1400 C,竞选用石墨棒为加热元件，所加电压为200V。21kw。根据加热室的形状

16、尺寸，确定石墨棒的有效加 热长度为L=600mn),每个面上都不知有6根石墨棒, 四个面上工4X6= 24根。每8根为一组进行星形连接，每组分配功率为由公式Rt = U和f= PF= u2 p=-l ? pU23二 12X 8 600 ,10 X 21X 103=30.24mm2F=30.24 mm200社石墨棒的外径D= 10 mm,则其内径：D2 F102 30.24d= 4 =mm,44为保证功率满足要求，取 d = 8 mmo根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外D =10 mmD= 10 mm,内径d= 8 mm?电热元件在靠近炉口得d = 8 mm部分其间距应稍小一些，以使炉口处温

17、度不致过 低。其电源为三相，使用磁性调压器。五、其他部件得设计计算1、冷却系统设计(1)、冷却水消耗计算、壳=Q1 Q2 Q4=+ + = hQ散= 780F 外壁=780X = KJ/hQ壳 Q散45341.38 3954.6 _6水=3里Ct1 t24.2 103 40 20丫水=8=" = 0.5m3V水=0.5m3水 1.0(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 1.5m/s,则水流管得当量直径为：0.54d= 11 mmd= J4V = -3600 = 11 mm1.5(3)、球对流热换系数=310d 0.8 d30.8=X 310 11 101.5

18、311 10(4)、验算水冷炉壁得温度t壁(C)KJ/(+205.7?N , +t壁二十t水?F=205.7 9.18 + 20= C <100 C符合要求37.91 5.07N冷却水带走的热量，=C <100 C符合要求N= Q 壳 Q 散=45341.38 3954.6 =35953595(5)、冷却水的管道设计进水管径的确定进水管直径d=10mm,出水管径稍大些为D= 14 mmo回水管直径的确定d下水管道的流速D2 =鬲h = 22 9.8 0.2 = 2.0m/s则下水管道截面直径。2=g=尸工=唧2,3600 2.0=11 mm=14 mmM D2=10 mmD2 =1

19、0 mm（ 2） 、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。（ 3） 、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。（ 4） 、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

20、纯氧化铝管作为保护材料。六、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、密封团和法兰等。(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， 如电离规管、热电偶规管。通常还设有真空压力表和 其它真空测旦仪表。(4) 真空

21、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- io-2Pa真空度范围内有较大的抽气速率。所以，选取 机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。10 2qVP2 .真空炉必要抽速计算0.1640 20.25S必= 5.7 10 2 q料 G料 n 0.57 ?p10 21.2 0.573600 0.1333600 0.133= X 10 2 X 65 120_4 45 v 33.516 10 101.861 10A 10 X 0.1330.133必=

22、44.45L/s= 44.45L/sS式中S必一一炉子的必要抽速，即为了达到所要求的真 空度，从炉中抽出气体的速度（L/s）;G斗一一炉料重量（kg）,为120kg;q料一一被处理材料所放出的气体量，换算成标准 状态下的气体体积（cm3/100g）,通过查表可知钢 在标准状态下的放气量为0.65L/kg ,取 0.60L/kg,即 65 cm3/100g;q衬一一炉衬材料单位体积中放出的气体量，换算 成标准状态下的气体体积（cm3/ dm3）,取40 cm3/L ;V炉衬材料的体积（dm3）,隔热屏的体积为3 q表一一金属结构材料单位表面积上单位时间内放 出的气体量，换算成标准状态下的体积cm

23、3/ （ cm2 S）,因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可 得 4表=乂 10-6L/s cm2 = cm 3/ cm2 ? h ；F炉子金属构件和炉壁的表面积（cm2）, F=m2 P-真空度，即工作压强（Pa）,为； 处理时间（s） , p=1h = 3600s;n一一热处理过程中的不均匀放气系数，一般取为，真空烧结时取为2q漏系统的漏气率，根据设计要求为h= x 10 4 Pa/s。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24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倍炉子必要抽气速率即 S主=3S必=133.3

24、5L/s S主=133.35L/S按S主选取ZJ150机械增压泵为主泵，其主要 选取ZJ150机械技术指标为：增压泵为主泵抽气速率150L/S极限真空度x io-2Pa4 .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：一 1_，Sw Se 1530 L/s510按S前选取2XH 30旋片式真空泵为前级泵，其主要2X 30旋片式真技术指标为：空泵为前级泵抽气速率30L/s极限真空度x 10-2Pa5 .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

25、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。(2) 、全属波纹管金属波纹管又称弹性管，它可产生袖向变形，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。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热处理炉的技术要求，提高真空