真空热处理炉_课程设计
真空热处理炉 设计说明书
(课程设计)
一、设计任务说明说:
WZC-60型真空淬火炉技术参数:
㎜㎜ ㎜
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 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℃
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8~15mm,这里我们取10mm。钼层厚度0.3mm,不锈钢层厚度 0.6mm。屏的各层间通过螺钉和隔套隔开。 第一层面积:
F1=2×(L1⨯B1+L1⨯H1+B1⨯H1)
=2×(1300×900+1300×850+900×850)
=6.08㎡F=6.08㎡
1
第二层面积:
F2=2×(L2⨯B2+L2⨯H2+B2⨯H2)
=2×(1310×910+1310×860+910×860)=6.2026㎡第三层面积:
F3=2×(L3⨯B3+L3⨯H3+B3⨯H3)
=2×(1320×920+1320×870+920×870)=6.3264㎡第四层面积:
F4=2×(L4⨯B4+L4⨯H4+B4⨯H4)
=2×(1330×930+1330×880+930×880)=6.4514㎡
第五层面积:
F5=2×(L5⨯B5+L5⨯H5+B5⨯H5)
=2×(1340×940+1340×890+940×890)=6.5776㎡第六层面积:
F6=2×(L6⨯B6+L6⨯H6+B6⨯H6)
F2
=6.2026㎡
F3
=6.3264㎡
F4
=6.4514㎡F5
=6.5776㎡
=2×(1350×950+1350×900+950×900)
=6.7050㎡F=6.705㎡
6
(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
=2×(L
冷
⨯B冷+L冷⨯H冷+B冷⨯H冷
)
=2×(1360×960+1360×910+960×910)=6.8336㎡壁厚按矩形平板计算,板周边固定,受外压 1×105
Pa,水压实验按P水
=2×105Pa计。
S0
=225.5×B/σ弯
=225.5×90/
360⨯10
6
=1.0696㎝
式中:B——矩形板窄边长度,B=90㎝; [σ]弯
——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㎜
式中:C——壁厚附加量; C=C1
+C2
+C3
=1+1+1=3。
水压试验时,其应力为
σ
=
0.5B2
P水
(S-C)
2
F冷
=6.8336㎡
=
0.5⨯90⨯2⨯10
25
(2.0-0.3)
2
=280.3Mpa≤0.9σ=σ=280.3Mpa
s
s
则所需壁厚符合要求,即S=20㎜≤0.9σ=324Mpa 三、炉子热平衡计算=18㎜ 1、有效热消耗的计算
工件和夹具在1300℃和20℃的比热容分别为 C=0.636Kg/(kg•℃)和C=0.486Kg/(kg•℃)
1
它们的质量分别为G=160kg,G=10kg
工
夹
则 Q
有效
=Q+Q=(G+G)×(Ct-Ct)
工
夹
工夹1100
=(120+10)×(0.636×1300-0.486×20)
=106220.4KJ/h Q2、无功热损失的计算
(1)、通过隔热屏热损失Q的计算
1
=106220.4KJ/h
电热元件、隔热屏的黑度为:ε=0.95;
热
ε1=0.133;ε2=0.096;ε3=0.096;
ε4=ε5=ε6=0.5;ε冷
=0.56。
则导来辐射系数: C=
热1
4.961
ε热
+
F热⎛1⎫
⎪-1 ⎪F1⎝ε1
⎭
=
4.96
10.95
4
+
0.45216⎛1⎫
-1⎪
6.08⎝0.133⎭
=3.226J/(㎡〃h〃K)
其中F由前面算得,F为加热元件的表面积。
1
热
同样计算得:
C=
4.9612
F⎛=
4.96
1
1
⎫1
6.08
⎛1
ε+1 -1⎪⎪1F2⎝ε2
⎭0.133+6.2026 -1⎫
⎝0.096⎪⎭=0.2961KJ/(㎡〃h〃K4
)
C=
4.9623
F⎫=
4.96
1
1
ε+2⎛ 1 -1⎪⎪0.096+6.2026⎛12F3⎝ε6.3264
-1⎫3
⎭
⎝0.096⎪⎭=0.2524KJ/(㎡〃h〃K4
)
C4.9634
=
⎫=
4.96
1
1
ε+F3⎛ 1 -1⎪⎪0.096+6.3264⎛1⎫3F4⎝ε4
⎭
6.4514
-1⎝0.5⎪⎭=0.4352KJ/(㎡〃h〃K4
)
C4.9645
=
=
4.96
1
F4⎛1
6.4514⎛1⎫
ε+F 1⎫ -1⎪⎪45⎝ε5
⎭
0.5+6.5776 -1⎝0.5⎪⎭=1.6640KJ/(㎡〃h〃K4
)
C=
4.9656
=
4.96
1
F5⎛1
6.5776⎛
ε+
F 1
-1⎫⎪5
⎝ε⎪66
⎭
0.5+6.7050 1.5-1⎫⎝0⎪⎭=1.6639KJ/(㎡〃h〃K4
)
C=
4.96
6冷
=
4.96
1
+F6⎛ 1-1⎫⎪1
6.
ε6F ⎪冷⎝ε冷
⎭
0.5+705⎛16.8336
-1⎫⎝0.56⎪⎭=1.7900KJ/(㎡〃h〃K4
)
则
⎛4
4
T热
⎫Q ⎪⎛T冷⎫⎝100⎪- ⎪⎭⎝100⎪⎭1
=
11
C+热∙F热
C+⋅⋅⋅+11∙F1C冷∙F6
=
⎛1673⎫⎛373 ⎪- ⎝100⎭⎝100
11
+
3.226⨯0.452160.2961⨯6.08
4
⎫
⎪⎭
4
+⋅⋅⋅+
11.79⨯6.705
=31124.7KJ/h =31124.7KJ/h
1
式中:
T
热
温度的100℃计算,即T=1673K;
热
T——炉内壁的绝对温度,即按设计计算
冷
得T=373K。
冷
各辐射屏的温度的验算:
T1⎫
第一层:⎛ ⎪
100⎝⎭
4
⎛T热
= 100
⎝⎫⎪⎪⎭
4
-Q
1
⎛1
C∙F
热⎝热1⎫⎪ ⎪⎭
把各项数据代入上述公式,计算得
T=1545K 即t=1272℃=1272℃
1
1
1
T2⎫
第二层:⎛ ⎪
⎝100⎭
4
⎛T热= 100
⎝⎫⎪⎪⎭
4
-Q
1
⎛⎫11 ⎪+ C∙FC12∙F1⎪热⎝热1⎭
把各项数据代入上述公式,计算得
T=1412K 即t=1139℃=1139℃
2
2
2
类似计算,得: t=914℃
3
t=914℃;t=688℃;t=593℃=688℃
3
454
t=453℃;t=99℃=593℃
6
冷
5
验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相=453℃
6
近,符合要求。=99℃
冷
(2)、水冷电极传导的热损失Q
2
Q=nγ
2
πd4
2
(t1-t2)
π⨯(0.008
4
=3×1.0×10×
3
3
)2
×2×
2
4.2×10×(30-20)==12660.5KJ/h 式中:
n——水冷电极, n=3;
γ
d
——水的密度,γ=1.0×10KJ/m;
3
3
——水管直径,取d=0.008m;
——水的流速,对于中等硬度水取ν=2m/s
1
1
ν
t——冷却水出口温度t=30℃; t——冷却水出口温度t=20℃;
2
2
(3)、热短路损失Q
3
该项热损失,包括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 权据经验,这部分热损失大约为Q1的5%一10% 左右,这里我们取:
Q=8%Q=8%×31124.7==2489.9 KJ/h
3
13
(4)、其他热损失Q
4
其它热损失,加热电偶导出装臵,真空管道、观察孔、风扇装臵等的热损失。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%一5%左右,取Q4=(3%一5%) Q1
Q=5%Q=5%×31124.7==1556.2KJ/h
4
14
则: Q
损失
=Q+Q+Q+Q
1
2
3
4
=31124.7+12660.5+2489.9+1556.2 =损失
=47831.3
3、结构的蓄热量炉子结构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=ρ
1
钼
∙F1∙b1
3
-3
1
=10.2×10×6.08×0.3×10=18.6㎏=18.6㎏ q=GC(t
1
1
m
1
-t0)
1
=18.6×0.259×(1272-20)==6031.4KJ 第二层: G=ρ
2
钼
∙F2∙b2
=10.2×10×6.2026×0.3×10=18.98㎏=18.98㎏
3
-3
2
q=G
2
2
Cm(t2-t0)
2
=18.98×0.259×(1139-20)==5500.8KJ 第三层: G3
=ρ
钼
∙F3∙b3
=10.2×103
×6.3264×0.3×10-3
=19.36㎏q3
=G
3
Cm(t3-t0)
=19.36×0.259×(914-20)=第四层: G4
=ρ
钢
∙F4∙b4
=7.9×103
×6.4514×0.6×10-3
=30.58㎏q4
=G
4
Cm(t4-t0)
=30.58×0.5041×(688-20)=第五层: G5
=ρ
钢
∙F5∙b5
=7.9×103
×6.5776×0.6×10-3
=31.18㎏q5
=G
5
Cm(t5-t0)
=31.18×0.5041×(593-20)=第六层: G6
=ρ
钢
∙F6∙b6
=7.9×103
×6.705×0.6×10-3
=31.78㎏q6
=G
6
Cm(t6-t0)
3
=19.36㎏
3
=4482.7KJ 4
=30.58㎏
4
=10297.5KJ 5
=31.18㎏
5
=9006.3KJ 6
=31.78㎏
=31.78×0.5041×(453-20)==6936.8KJ
6
(2)、炉壳内壁的蓄热量 G=ρ
内
钢
∙F冷∙b冷
3
-3
内
=7.9×10×6.8336×18×10=971.7㎏=971.7㎏ 由于内壁温度由内到外以此降低,内部温度 为100℃,外部温度为20℃。 则: q=1/2G
冷
冷
Cm(t冷-t0)
=1/2×971.7×0.4682×(100-20)
==18198.0KJ
冷
于是: Q=
蓄
q1+q2+⋅⋅⋅+ql\冷
τ
1
蓄
=
6031.4+5500.8+4482.7+10297.5+9006.3+6936.818198
==60453.5
4、炉子功率的验证炉子应供给的总热量: Q=Q
总
有效
+Q
损失
+Q
蓄
=106220.4+47831.3+60453.5
==214505.2
总
则炉子总负载功率N总
N=K
总
Q总3595
=1.2×214505
.2
3595
=97.6kw
总
与炉子所要求的设计功率100kw相近,则取N=。 空载升温功率:=100kw
总
N=
空
Q损失+Q蓄
3595
===30.12kw
空
空载升温时间:
Q蓄
τ
=
0.8N总
3595Q-0.8损失
=3595
47831.3
0.8⨯63-0.8⨯
3595
60453.5
=四、电热元件的选择及布臵τ=0.42h 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℃,而加热元件的 温度则为1400℃,壳选用石墨棒为加热元件,所加电压为200V。
根据加热室的形状尺寸,确定石墨棒的有效加热长度为L=600㎜,每个面上都不知有6 四个面上工4×6=24根。每8根为一组进行星形连接,每组分配功率为21kw。 由公式R=
t
UP
2
和F=ρ
lU
2
l
t
R
得:
F=ρ
lU
2
=ρ
P
∙P
=12×
8⨯600⨯10
200
2
-3
×21×10=30.24mm
3
2
2
社石墨棒的外径D=10㎜,则其内径:
π
D
2
d=
-F
=
π
⨯10
2
-30.24
π
4
π
4
=7.8㎜
为保证功率满足要求,取d=8㎜。
根据计算,选用星形方式连接,石墨棒的外=10㎜ D=10㎜,内径d=8㎜,电热元件在靠近炉口得=8㎜ 部分其间距应稍小一些,以使炉口处温度不致过 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
Q壳
=Q
1
+Q2+Q4
=31124.7+12660.48+1556.2=Q散=780F外壁
=780×5.07=3954.6 KJ/h =
0.51.0
G水=
Q壳-Q散C(t1-t2)G水
45341.38-3954.64.2⨯10⨯(40-20)
3
=0.5㎏
3
V=
水
ρ水
==0.5m=0.5m
3
水
(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ω得当量直径为:
=1.5m/s,则水流管
d=
4V
=
4⨯
0.5
3600=11㎜=11㎜
πω
π⨯1.5
(3)、球对流热换系数
α
=0.113
(310dω)0.8
d
=0.113×
(310⨯11⨯10-3⨯1.5
)0.8
11⨯10
-3
=37.91KJ/(㎡〃h〃℃(4)、验算水冷炉壁得温度t壁
(℃t.7∙N
壁=
205α∙F
+t水
=205.7⨯9.1837.91⨯5.07
+20=29.8℃
Q壳-Q散
45341.38-3954.6
3595
=
3595
=11.51kw
(5)、冷却水的管道设计 ● 进水管径的确定
进水管直径d=10㎜,出水管径稍大些为 D=14㎜。
● 回水管直径的确定下水管道的流速ω2=2gh
=
2⨯9.8⨯0.2
=2.0m/s
则下水管道截面直径
D4V
0.5⨯4
2
=
πω
2
=
π⨯3600⨯2.0
=9.4㎜
α=37.91 ㎡〃h〃℃)
t=29.8℃
符合要求
=11㎜
=14㎜
取D=10㎜=10㎜
2
2
(2)、水冷电极
水冷电极是将电能引入到炉内电热元件上 的导电装臵,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。600- 1100℃时可选用铝硅、高硅氧、石英玻璃。 (4)、热电偶测温装臵
热电偶作为测温和控温装臵的感温元件,是真空热处理炉加热室要的测试装臵,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 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 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) 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 1-10-2Pa真空度范围内有较大的抽气速率。所以, 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。 2.真空炉必要抽速计算
Sq料G料
-2
q衬V
漏必=5.7⨯10
-2
τ∙p
n+0.57⨯10
τp
+0.16⨯10
-5
q表Fp
+
qp
=5.7×10-2×
65⨯1202
3600⨯0.133
⨯1.2+0.57⨯10
-⨯
40⨯20.253600⨯0.133
+
0.16×10×
-5
33.516⨯10⨯10
0.133
4
+
1.861⨯10
0.133
-4
=必=44.45L/s 式中
S必——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料
——炉料重量(kg),为120kg;
q料
——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0.15~0.65L/kg,取 0.60L/kg,即65 cm3/100g;
q衬——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; V——炉衬材料的体积(dm3),隔热屏的体积为3 q表——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〔cm3/(
cm
2
〃s)),因为一般炉内壁均为碳钢件,查表可得q表=9.31×10-6[L/s〃cm2]=33.516 cm3/(cm2h); F——炉子金属构件和炉壁的表面积(cm2),F=7㎡ P——真空度,即工作压强(Pa),为0.133Pa; τ——处理时间(s),τ=1h=3600s; n——热处理过程中的不均匀放气系数,一般取 为1.2,真空烧结时取为2
q漏——系统的漏气率,根据设计要求为 0.67Pa/h=1.861×10-4Pa/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2—4倍,考虑到本计算真空系统没有采用障板, 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必主=133.35L/S
按S主选取ZJ—150机械增压泵为主泵,其主要选取ZJ—150机械 技术指标为增压泵为主泵
抽气速率极限真空度6.7×10-24.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:
S前=
15~10
S主=15~30
L/s
按S前选取2X—30旋片式真空泵为前级泵, 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6.7×10-2Pa 5.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
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臵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 O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,提高真空系统的 真空度和保护真空系统不受污染,系统中常附设冷阱
(又称捕集器)、挡油器、过滤器等。冷阱可捕集真空炉油蒸气、水蒸气等气体,保护真空泵不受污染;如采用液氮冷阱.RJ提高真空度0.5—1数量级(对以 Pa为单位而言)。
过滤器又称除尘器,它的作用是防止真空炉产
生的灰尘进入真空泵内污染真空泵油,一般安装在机械泵的入口端管道中。
档油器通常装在袖增压泵或扩散泵的入口,一般
用水冷,其作用是防止大量油蒸气返入真空炉内,污染真空炉室、隔热屏、加热元件和被处理工件。
七、真空热处理的优点
正因为真空热处理所采用的介质是高真空,所以它相比普通热处理有以下优点:
1.净化作用:可使金属表面氧化物分解,从而获得
光亮、清洁表面。
2.真空保护作用:可使金属避免氧化、脱碳、增碳等3.除气作用:在真空中可除去工件原来溶解、吸收的气体,使金属产品性能有明显提高。
4.脱脂作用:在真空中加热,金属零件在机械加工和冲压成型过程中使用的冷却剂、润滑剂等油脂能自行挥发,并被真空抽走,不致在高温时与零件表面
产生反应。故可得到无氧化、无腐蚀的非常光洁的表面。
5.节省能源:真空热处理炉蓄热和散热损失小、热效率高。
6.工件热处理后变形小、不易开裂,产品合格率高,使用寿命长;真空热处理可轻易地严格按照工艺要求控制温度变化,从而获得理想的金相组织,减小变形。
7.真空热处理后的产品可直接用于电镀或做为最终产品,免除了清洗、表面加工等辅助工序,大大降低生产成本。
8.对环境无污染,自动化程度高,操作简单。
目前,真空热处理炉广泛用于合金钢、工具钢、
合金、各种磁性材料、有色金属等的热处理。
参考文献:
1、阎承沛 真空热处理工艺与设备设计 2、吉责升 热处理炉 哈尔滨工业大学出版社
3、曾祥模 热处理炉 西北工业大学出版社