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-60型真空淬火炉技术参数：项目 单位 指标炉子有效尺寸 mm 900600450最大装炉量 Kg 210最大温度 1300压升率 Pa/h 0.67额定功率 Kw 100二、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900mm600mm450mm ，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50100mm；加热器与工件(或夹具、料筐之间的距离为50一150mm。隔热屏两端
2、通常不布置加热器，温度偏低。因此，隔热屏每端应大于有效加热区约150300mm，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：L9002(15030011001400mmB6002(501502(50100 8001100mmH4502(501502(50100 L=1300650950mm B=900不妨，我们取L=1300 mm；B=900mm；H=850mm。 H=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
3、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100150，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。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：22(1300900130085
4、09008506.08 =6.08第二层面积：22（13109101310860910860）6.2026 =6.2026第三层面积：22（13209201320870920870）6.3264 =6.3264第四层面积：22（13309301330880930880）6.4514 6.4514第五层面积：2 2（ 1340940 1340890 940890） 6.5776 6.5776第六层面积：22（13509501350900950900）6.7050 6.705（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：22（13609601360910960910
5、）6.8336 6.8336壁厚按矩形平板计算，板周边固定，受外压110 Pa，水压实验按P 2105Pa计。S 225.5B/225.590/ 1.0696式中：B矩形板窄边长度，B90;45号优质碳素钢的弯曲许用应力为360Mpa。实际壁厚：SS C17320式中：C壁厚附加量；CC C C 1113。水压试验时，其应力为 280.3Mpa0.9 324Mpa 280.3Mpa则所需壁厚符合要求，即S20 0.9 324Mpa三、炉子热平衡计算 S18 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，它们的质量分别为G =
6、160kg,G =10kg则 Q Q Q （G G ）(C t C t(12010(0.63613000.48620106220.4KJ/h Q 106220.4KJ/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： 0.95；0.133； 0.096； 0.096； 0.5； 0.56。则导来辐射系数：C 3.226J/(hK其中F 由前面算得，F 为加热元件的表面积。同样计算得：C 0.2961KJ/(hKC 0.2524KJ/(hKC 0.4352KJ/(hKC 1.6640KJ/(hKC 1.6639KJ/(hKC 1.7900KJ/(hK则Q 311
7、24.7KJ/h Q 31124.7KJ/h式中：T 电热元件得绝对温度，按高于炉子工作温度的 100计算，即 T 1673K;T 炉内壁的绝对温度，即按设计计算得 T 373K。各辐射屏的温度的验算：第一层： Q把各项数据代入上述公式，计算得T =1545K 即 t =1272 t =1272第二层： Q把各项数据代入上述公式，计算得T =1412K 即 t =1139 t =1139类似计算，得： t =914t =914 ;t =688 ;t =593 ; t =688t =453 ;t =99 t =593验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相 t =453近，符合要求。 t =99（
8、 2）、水冷电极传导的热损失 QQ 31.010 24.210 （ 30 20） 12660.5KJ/h Q 12660.5KJ/h式中：n水冷电极， n 3;水的密度， 1.010 KJ/m ;水管直径，取 d 0.008m；水的流速，对于中等硬度水取 2m/s；t 冷却水出口温度 t 30；t 冷却水出口温度 t 20；（ 3）、热短路损失 Q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 1的5一10左右， 这里我们取：Q 8 Q 8 31124.7 2489.9 KJ/h Q
9、 2489.9 KJ/h（ 4）、其他热损失 Q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 1的3一5左右,取Q 4(3一5 Q 这里我们取：Q 5Q 531124.71556.2 KJ/h Q 1556.2KJ/h则：Q Q Q Q Q31124.7+12660.5+2489.9+1556.247831.3 KJ/h Q 47831.3 3、结构的蓄热量 KJ/h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
10、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 10.210 6.080.310 18.6 G 18.6q 18.60.259（127220）6031.4KJ q 6031.4KJ第二层：G 10.210 6.20260.310 18.98 G 18.98q 18.980.259（113920）5500.8KJ q 5500.8KJ第三层：G 10.210 6.32640.310 19.36 G 19.36q 19.360.259（91420）4482.7KJ q 4482.7KJ第四
11、层：G 7.910 6.45140.610 30.58 G 30.58q 30.580.5041（68820）10297.5KJ q 10297.5KJ第五层：G 7.910 6.57760.610 31.18 G 31.18q 31.180.5041（59320）9006.3KJ q 9006.3KJ第六层：G 7.910 6.7050.610 31.78 G 31.78q 31.780.5041（45320）6936.8KJ q 6936.8KJ（2）、炉壳内壁的蓄热量G 7.910 6.83361810 971.7 G 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
12、20。则：q 1/21/2971.70.4682（10020）18198.0KJ q 18198.0KJ于是：Q 60453.5 KJ/h Q 60453.54、炉子功率的验证 KJ/h 炉子应供给的总热量：Q Q Q Q106220.447831.360453.5214505.2 KJ/h Q 214505.2则炉子总负载功率N KJ/hN K 1.2 97.6kw与炉子所要求的设计功率100kw相近，则取N 100kw。空载升温功率： N 100kwN 30.12kw N 30.12kw空载升温时间： 0.42h四、电热元件的选择及布置 0.42h对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性，在
13、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根石墨棒，四个面上工4624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 和F 得：F 12 2110 30.24mm F=30.24 mm社石墨棒的外径D10，则其内径：d 7.8为保证功率满足要求，取d8。根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外 D10D10，内径d8，电热元件在靠近炉口得 d8部分其间距应稍小一些
14、，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31124.712660.481556.245341.38KJ/h7805.073954.6 KJ/h 0.5V 0.5m V 0.5m(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 m/s，则水流管得当量直径为：d 11 d11（3）、球对流热换系数0.1130.11337.91KJ/(h =37.91(4、验算水冷炉壁得温度 ( KJ/(h 2029.8100 符合要求 29.8100N冷却水带走的热量， 符合要求N 11.51kw（5）、冷却水的管道设计 进水
15、管径的确定进水管直径d10，出水管径稍大些为D14。 回水管直径的确定 d11下水管道的流速 D14 2.0m/s则下水管道截面直径D 9.4取D =10 D =10（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
16、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
17、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- Pa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。2.真空炉必要抽速计算5.710 0.1610 44.45L/s S 44.45L/s式中S 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(Ls；G 炉料重量(kg，为120kg；q 被处理材料所放出
18、的气体量，换算成标准状态下的气体体积( /100g，通过查表可知钢在标准状态下的放气量为0.150.65L/kg，取0.60L/kg,即65 /100g；q 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( / ，取40 /L；V炉衬材料的体积( ,隔热屏的体积为20.25dmq 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 /（s），因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可得q =9.3110-6L/s 33.516 ；F炉子金属构件和炉壁的表面积（ ），F5.07P真空度，即工作压强(Pa，为0.133Pa；处理时间(s，1h3600s；n热处理过程中的不均匀
19、放气系数，一般取为1.2，真空烧结时取为2q 系统的漏气率，根据设计要求为0.67Pa/h1.86110 Pas。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 =3S =133.35L/s S 133.35L/S按S 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6.7 Pa 4.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:L/s按S 选取2X30旋片式真空泵为前级泵
20、,其主要 2X30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 Pa 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，种类繁多，根据阀门的工作特性、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
21、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0.51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
22、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、增碳等不利影响，保持工件表面原有的化学成分和光亮度。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
23、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、高速钢、模具钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢、耐热合金、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 机械工业出版社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
