毕业设计保温式离子热处理炉的设计

1、2012届 分类号：单位代码：10452本科毕业设计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 张鹏程学号200815820505 年级2008专业机械设计制造及其自动化 系（院）机械工程学院 指导教师李秋实 2011年12月10日目 录第一部分1我的机械设计师职业生涯规划11自我认知11.1个人基本情况11.2职业能力及适应性11.3个人特质11.4自我分析小结22外部坏境认知22.1家庭环境分析22.2社会环境分析22.3职业预备期2第二部分4保温式离子热处理炉的设计41绪论61.1 化学热处理61.2 离子化学热处理的基本原理71.3离子热处理炉的主要结构81.4离子热处理设

2、备的发展和现状92 真空保温式热处理炉的结构与设计112.1保温式离子热处理炉主要特点112.2筒体的设计112.2.1筒体材料的选择112.2.2 筒体外形及厚度的确定122.3 封头的设计142.3.1 封头材料的选择142.3.2 封头外形及厚度的确定142.4保温层的计算162.4.1 保温材料的选择162.4.2 保温层厚度的计算172.5 观察窗的设计182.5.1 自行设计观察窗192.5.2 观察玻璃的选择192.6 冷却系统的设计192.6.1 冷却方式的选择192.6.2 风道的结构设计202.7 隔热板的设计202.7.1 隔热板设计要求202.7.2 隔热板的确定202

3、.8 大底盘的设计213 真空系统的设计233.1 真空系统的组成233.2 真空系统的类型233.2.1 低真空系统233.2.2 中真空系统233.2.3 高真空系统233.2.4 超高真空系统233.3密封系统的设计243.3.1密封型式的确定243.3.2 密封材料的确定243.3.3 密封设计253.4泵的选择及计算263.4.1泵的设计要求263.4.2 泵的确定273.4.3 抽气时间计算274.2 液压系统的组成304.3 液压传动的应用314.4 系统设计314.5 液压泵站设计33参考文献36谢辞37第一部分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

4、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

5、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

6、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：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：

7、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

8、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

9、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

10、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AbstractPlasma nitrogen seepage rate is faster, easier to control layer organizations, brittle deformation and small, non-pollution and other

11、 advantages, the plasma nit riding treatment of spare parts, its surface hardness, abrasion resistance, and fatigue 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 heati

12、ng the surface, the work requirements of the furnace temperature uniform. At present the domestic plasma nit 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

13、a water-cooled two-tier approach, nit riding temperature in the furnace of about 600 , cooling water taken away 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

14、 was designed. The furnace body was a vacuum chamber coved a layer of insulating material. The insulation furnace 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 maintenanc

15、e, energy saving and high efficiency.Keywords:thermal insulation;plasma heat treatment furnace;structural design1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

16、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

17、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，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、

18、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

19、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 1

20、8.阀 19阀20.真空规管 21.真空计 22.真空泵 23.直流电流1.3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

21、不锈钢隔热屏比无隔热屏的节省功率40%，再加上一层铝合金隔热屏，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

22、支承炉床，又作为电流传导的阴极输电柱，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

23、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。近年来，工业上应

24、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等各种形式的炉体，进一步提高了离子渗氮均匀性和表

25、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

26、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8

27、0%。(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。 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，

28、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= 1.25 D() mm （2-1）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

29、长度因设计的筒体的长度Y=700mm，封头的高度h=300mm，则Xh=100mm，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，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）。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

30、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0.55mm 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=

31、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=3.151.54.65（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。 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。2.3.2

32、封头外形及厚度的确定椭圆形封头厚度计算因1.5,所以外压凸形封头按内压封头公式计算，但须将实际压力乘以1.7倍，如图（2-4）其公式为：椭圆形封头：SC mm (2-4)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 椭圆形封基本尺寸可知封头的高度为 H300mm，由图2-6可知 LH，hB200mmS； 许用应力 MP

33、a；由资料16中表9-4，9-5得。； ； （2-5）或 ；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，则取127 MPa； 工作温度下，材料的蠕变限 MPa，则取127 MPa；nb，ns，nn 安全系数，有资料16中表9-5得，n3.0；n1.5；n1.0；以上带入公式（2-5）得；48 MPa； 84.67 MPa；127 MPa；所以48 MPaC 壁厚附加量 mm；壁厚的附加量： CC1C2C3 mm (2-6)式中 C1

34、 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 CC1C2C30.5101.5 （mm）综上所述，封头的壁厚为：SC1.5解得 S2.65（mm）；根据实际情况，取 S3.0（mm）2.4保温层的计算 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

35、火、绝热材料，它具有以下特点：容重轻、导热系数小、耐高温、抗机械振动好、受热膨胀小、绝缘、隔音性能好、施工简便。表2-1 硅酸铝纤维的性能参数技术指标普通纤维高纯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）80-192100-160100-1602.4.2 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600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

36、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、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

37、：即 （2-7）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；上述可得保温层的壁厚为：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

38、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

39、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。2.5.1 自行设计观察窗图2-6 观察窗结构

40、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，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。 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2.6.1 冷却方式的选择传统离子渗氮炉的冷却方式存在许

41、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

42、走了热量。从而加快了工件的冷却速度。2.6.2 风道的结构设计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 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形状、

43、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。2.7.2 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）

44、 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 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

45、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。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0.51.0mm。（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

46、，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

47、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

48、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 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，真空成型等。 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。 高真空系统高真空系

49、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。 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、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

50、。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。 密封材料的确定静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

51、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

52、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。 密封设计（1）密封槽的设计真空橡胶密

53、封槽有各种型式，如（资料16中，图6-11）所示，其中16为最常用的型式。设计密封槽的截面面积要求稍大于橡胶密封圈截面面积，橡胶压缩后的充填因数1，橡胶的压缩量通常为15%30%。 密封槽深度。设计橡胶密封槽，要充分考虑橡胶密封圈（截面为圆形或矩形）的热点，橡胶圈受力后形状改变而保持体积不变，即不可压缩的弹性压缩能力，超过这种能力就会产生塑性变形，严重时造成表皮破损，因此，确保橡胶密封圈最适宜的压缩量时密封槽设计中重要的参数之一。过小不能形成长期稳定的可靠密封，多大会影响橡胶圈的使用寿命。 密封槽宽度。密封槽宽度是密封槽设计中另一重要参数。由于安装在密封槽里的橡胶圈受压前后，形状发生变化而体积

54、不变（橡胶本身不可压缩），因此，密封槽要有容纳密封圈变形的空间。在受压密封状态下，密封圈不可能将密封槽完全充满，在不同的介质和温度下，橡胶圈会出现一定的膨胀，密封槽容积应有相对的余量。（2）矩形密封槽的设计“O”形圈的密封接触面宽度、密封力和密封比压力的计算。“O”形圈接触面宽度“O”形圈受压后可以自由向两侧伸展。压缩后的宽度系数和高度系数的试验关系曲线如资料16中图6-6所示。当0.70.95时，与近似于直线。“O”形圈实际接触面B可用下式近似计算：B2.2(1.02)d式中 B 密封圈压缩后接触面宽度； 密封圈压缩后的高速系数，； H 密封圈压缩后的高速； d“O”形圈截面直径。设所选择的密封圈d10mm，H7mm，可得 0.7则B2.2(1.02)d2.2（1.020.7）107.04（mm）“O”形圈压缩到一定高度时所需要的密封力“O”形圈压缩到一定高速时所需要的密封力F，可用下式计算： (N)之中 d“O”形圈截面直径，取d10mm； D“O”形圈内径，取D10mm E 杨氏