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1、真空热处理炉设计说明书（课程设计）姓名：黄承飞学号： 20101547班级：材料1001 班指导教师：申老师目录1. 设计任务说明12. 真空热处理炉的发展概况及用途12.1 在马弗中加热淬火2.2 气冷式真空淬火炉2.3 油冷式真空淬火炉. 3.3. 43. 具体计算过程53.1 确定炉体结构和尺寸53.2 炉子热平衡计算93.3 电热元件的选择及布置163.4 其他部件的设计计算173.5 真空热处理炉真空系统的设计193.6 真空热处理的优点24参考文献26第 1 页1、设计任务说明：WZC-60型真空淬火炉技术参数：项目单位指标炉子有效尺寸mm900600450最大装炉量kg210最大

2、温度1300压升率Pa/h0.67额定功率kw1002、真空热处理炉的发展概况及用途真空技术在四十年代才开始应用于热处理。真空热处理的兴起，有两个直接原因，一是要寻找适合于活性金属 ( 钦、错等 ) 和高熔点金属 ( 钥、钨等 ) 的退火气氛。这些金属在普通气氛( 大气压、空气 ) 中加热退火，不但表面氧化，还会因吸气而变脆。也曾采用氢、氦等惰性气体代替普通气氛进行退火，但终因其纯度不够和成本过高而被淘汰，所以急需找到一种合适的加热环境 ; 二是受到真空熔炼和真空脱气的启发。金属经此种处理，由于接触的空气非常稀薄，炉气压力又很低，所以能够较彻底地脱除金属中的气体，避免非金属夹杂物和白点的形成，

3、还可以减轻偏析。实践表明，将真空技术应用于退火热处理后，确实能防止金属的脆化和表面氧化，使金属表面变得光亮。到五第 2 页十年代初期，真空退火就比较盛行起来，但仅限于处理精密零件和某些材料，如钟表发条、仪表小轴、不锈钢带以及硅钢片等的退火。所采用的炉子，均为真空热壁炉，即使用热惰性很大的耐火材料作炉衬的真空热处理炉，其缺点是冷却速度小，限制了它的使用范围。其后，人们致力于提高在真空条件下的冷却速度，以实现真空淬火。大致可以分为三个发展阶段：2.1. 在马弗中加热淬火工件装入不锈钢制成的容器中，封固，抽成真空后置于普通的热壁炉中加热，待淬火冷却后拆封，取出工件。这显然是真空淬火的低级形态。由于操

4、作麻烦和技术落后，质量不稳; 又由于是外热式加热 , 再加上是热壁，因此热损失大，不符合节约能源的要求。2.2. 气冷式真空淬火炉这是在真空退火炉的基础上，用石墨毡或薄的难熔金属做成辐射屏，代替耐火材料炉衬。由于这种辐射屏的热消性极小，可以实现较快的加热和冷却，炉壁几乎不储存和逸散多少热量，故谓冷壁炉。同时设置了高速风扇，强制惰性 ( 或中性 ) 气体通过热交换器进行环流，加速对工件的冷却。美国利用氮的环流造成的强力冷却，使自硬钢制工模具实现了淬火，一九六 O年，气冷式真空淬火炉投入了商品生产。同年，第 3 页日本从美国易卜生 (IPsen) 公司购入了第一台真空热处理炉，一九六五年生产了第一

5、台气冷式真空热处理炉。冷壁真空炉的制成，标志了由真空退火到真空淬火的开始。由于是气冷式炉，其冷却速度仍不够大，炉子的尺寸也比较小，因此在国外仍然局限于用来做易氧化金属制件及高纯度合金的退火，或者用于某些工具钢和特殊钢的真空淬火。2.3. 油冷式真空淬火炉一九六八年前后，美国海斯(Haycs) 公司、易卜生公司和日本真空技术股份公司，由于真空淬火油的研制成功，相继制成了油冷式真空淬火炉。有代表性的炉子是立式的，只有一个炉室。炉室内包括_L 部加热区和活动炉底下的淬火冷却区。炉底通过升降机构作垂直运动，只需 45 秒钟就能下降到冷却区 , 立即对工件进行喷油淬火。淬火油的成分是一种低粘度纯度较高的

6、石油，无水蒸汽、氧气和其他杂质，而且蒸汽压力低。使用这种油，既能保持油面上部空间的真空度，又能达到一定的淬火要求。于是，真空热处理的应用范围迅速扩大，突破了只用于稀有金属、磁性材料、半导体材料的退火和自硬钢淬火的局限，可以用于各种工具钢、轴承钢的光亮淬火与回火，也可以用于不锈钢、沉淀硬化合金的固溶处理以及某些合金钢第 4 页制重要零件的热处理和化学热处理。3、具体计算过程3.1 、确定炉体结构和尺寸：3.1.1 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

7、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(150 300) 12001500mmB6002(50 150) 2(50 100)8001100mmH4502(50 150) 2(50 100)L=1400650950mmB=950不妨，我们取 L=1400mm；B=950mm；H=800mm。H=8003.1

8、.2 、炉衬隔热材料的选择第 5 页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

9、。3.1.3 、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：F12 L1B1L1H1B1H12(1400 9501400800950800)第 6 页6.42 第二层面积：F2 2 L2B2L2H2B2H22（ 14109601410810960810）6.5466 第三层面积：F32 L3B3L3H3B3H32（ 14209701420820970820）6.6744 第四层面积：F4 2 L4B4L4H4B4H42（ 1430980143

10、0830980830）6.8034 第五层面积：F52 L5B5L5H5B5H52（ 14409901440840990840）6.9336 第六层面积：F62 L6B6L6H6B6H62（ 1450100014508501000850）7.0650 （2）、炉壳内壁F1 =6.42 F2 =6.5466 F3 =6.6744 F4 6.8034 F5 6.9336 F6 7.0650 第 7 页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（1460 101014608601010860）7.1976 F冷 7.1976 壁厚按矩形平板计

11、算，板周边固定，受外压1105 Pa，水压实验按 P水 2105 Pa 计。S0 225.5 B/弯225.576/360 106 0.903 式中： B矩形板窄边长度， B76 ;弯 45 号优质碳素钢的弯曲许用应力为 360Mpa。实际壁厚： SS0 C15318 式中： C壁厚附加量；CC1 C2 C3 1113。水压试验时，其应力为2 0.5B P水2SC 0.5 7622 105256.7Mpa0.9s 324Mpa1.80.3256.7Mpa则所需壁厚符合要求，即S18 0.9s 324Mpa3.2 、炉子热平衡计算S18 第 8 页3.2.1 、有效热消耗的计算工件和夹具在130

12、0和 20的比热容分别为C1 0.636Kg/(kg ?) 和 C0 0.486Kg/(kg ?) ，它们的质量分别为G工 =210kg,G夹 =20kg则：Q 有效 Q工 Q夹 （ G工 G夹 ） (C 1 t 1 C0 t 0 ) (210 20) (0.636 13000.486 20)187928.4KJ/hQ有效 187928.4KJ/h3.2.2 、无功热损失的计算（1）、通过隔热屏热损失Q1 的计算电热元件、隔热屏的黑度为：热 0.95 ；1 0.133 ； 2 0.096 ； 3 0.096 ；4 5 60.5 ； 冷0.56。则导热辐射系数：C热1 4.964.96F热110

13、.452161111F10.956.420.133热1 3.2810KJ/( hK4 )其中 F1 由前面算得， F热 为加热元件的表面积。同样计算得：C12 4.964.96F1116.42111F210.1336.54660.096120.2961KJ/( hK4 )第 9 页C23 4.964.96F2116.546611F310.0966.67441230.096 0.2524KJ/( hK4 )C34 4.964.96F3116.674411F410.0966.80341340.5 0.4352KJ/( hK4 )C45 4.964.96F4116.803411F510.56.933

14、61450.51.6637KJ/( hK4 )C56 4.964.96F5116.933611F610.57.06501560.5 1.6636KJ/( hK4 )C6冷 4.964.96F617.06501111F冷10.57.19760.566冷1.7898KJ/( hK4 )则：44热T冷TQ1100100111C 热F热C1 F1C冷F64373416731001001113.28100.452160.29616.421.78987.065032510.9KJ/hQ1 32510.9KJ/h第10页式中：T热 电热元件得绝对温度，按高于炉子工作温度的 100计算，即 T热 1673K;

15、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：T14T热41第一层：Q1100100F热C 热1把各项数据代入上述公式，计算得T1 =1541K即 t 1 =1268t1 =12684T热4112第二层：TQ1100100F热C12 F1C 热1把各项数据代入上述公式，计算得T2=1402K即 t 2 =1129t2 =1129类似计算，得：t3 =901t3=901 ;t4 =667;t5 =565;t4 =667t6=405 ;t冷 =100t5 =565验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相t6 =405近，符合要求。t冷 =100（2）、水冷电极传导的热

16、损失Q2Q2d2 nt1 t 2431.0 103 0.008 224第11页4.2 10 3 （ 3020）12660.5KJ/hQ2 12660.5KJ/h式中：n水冷电极，n 3;水的密度，1.0 103 KJ/m3 ;d 水管直径，取d0.008m；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 30；t 2 冷却水出口温度t 2 20；（3）、热短路损失Q3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Q1 的 5一 10左右，这里我们取：Q3 8Q1

17、 832510.9 2600.9 KJ/hQ3 2600.9 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Q1的 3一 5左右 , 取 Q4(3 一 5) Q 1 这里我们取： Q4 5Q1 5 32510.91625.5 KJ/hQ4 1625.5 KJ/h则：第12页Q损失 Q1Q2 Q3Q432510.9 12660.5 2600.9 1625.549397.8 KJ/hQ损失 49397.8KJ/h3.2.3 、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

18、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：G1 钼 F1b110.2 103 6.42 0.3 10 3 19.65 G1 19.65 q 1 G1Cm t1t 019.650.259 （ 126820） 6351.51KJq1 6351.51KJ第二层：G2 钼 F2b210.2 10 3 6.5466 0.3 10 3 20.03 G2 20.03 q 2 G2 Cmt2t020.

19、030.259 （ 112920） 5753.24KJq2 5753.24KJ第13页第三层：G3 钼 F3 b310.2 10 3 6.6744 0.3 10 3 20.42 G3 20.42 q 3 G3Cm t 3 t020.420.259 （ 90120） 4659.42KJq3 4659.42KJ第四层：G4 钢 F4 b47.9 103 6.8034 0.6 103 32.25 G4 32.25 q 4 G4 Cmt4 t032.250.5041 （ 667 20） 10518.42KJq4 10518.42KJ第五层：G5 钢 F5 b57.9 103 6.9336 0.6 10

20、3 32.87 G5 32.87 q 5 G5 Cm t5 t 032.870.5041 （ 565 20） 9030.52KJq5 9030.52KJ第六层：G6 钢 F6 b67.9 103 7.0650 0.6 10 3 33.49 G6 33.49 q 6 G6Cm t 6 t033.49 0.5041 （ 405 20） 6499.69KJq6 6499.69KJ（ 2）、炉壳内壁的蓄热量G冷 钢 F冷 b冷第14页7.9 103 7.1976 1810 3 1023.50 G 内 1023.50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 冷 1/2

21、G冷 Cm t冷t 0 1/2 1023.500.4682 （ 10020）19168.11KJq冷 =19168.11KJ于是：Q蓄 q1 q2ql 冷 6351.515753.244659.4210518.429030.526499.6919168.11161980.91 KJ/hQ蓄 61980.91 KJ/h3.2.4 、炉子功率的验证炉子应供给的总热量：Q总 Q有效 Q损失 Q蓄 187928.4 49397.8 61980.91299307.11KJ/hQ总 299307.11则炉子总负载功率N总KJ/hN总 K Q总 1.2 299307.11 99.91kw35953595与炉

22、子所要求设计功率100kw相近 , 则取 N总 100kw。空载升温功率：N总 100kw第15页N空 Q损失Q蓄38798 .7843543.431.0kwN空 31.0kw35953595空载升温时间：Q蓄61980 .91359535950.25h0.8N 总0.8 Q损失35950.8100 0.849397 .835953.3 、电热元件的选择及布置0.25h对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性，在炉膛的四周都布置上加热元件，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 200

23、V。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 , 每个面上都布置有 6 根石墨棒，四个面上共 46 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 Rt U 2和 Ftl 得：PRFllP2U2UP12 860010 32110330.24mmF=30.24 mm22002设石墨棒的外径D10 ，则其内径：D 2F10230.24d 447.8 44为保证功率满足要求，取d8 。第16页根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外DD10 10 ，内径 d8 ，电热元件在靠近炉口得部分其d8 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

24、调压器。3.4 、其他部件的设计计算3.4.1、冷却系统设计（1）、冷却水消耗计算壳Q QQQ 12432510.9 12660.5 1625.5 46796.90KJ/hQ散780F外壁 7807.3314 5718.49 KJ/hG水 Q壳Q散 46796.905718.49 0.49C t1t24.2 10340 20V水 G水 0.490.49m3V水 0.49m3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1.5 m/s，则水流管得当量直径为：0.4d4V436001.510 d10 （3）、球对流热换系数0.113 310d0.8d 0.113 310

25、10 1010 103 1.5 0.83第17页44.71KJ/( h )=44.71(4) 、验算水冷炉壁得温度 t壁 ( )KJ/(h )t壁 205.7N t水F 205.79.18 2025.76 100符合要求t 壁 25.76 44.717.3314N冷却水带走的热量，100NQ壳 Q散36948.283954.69.18kw符合要求35953595（5）、冷却水的管道设计进水管径的确定进水管直径 d10 ，出水管径稍大些为D12 。回水管直径的确定d10 下水管道的流速D12 2 2gh 29.80.2 2.0m/s则下水管道截面直径D2 4V2 0.448.436002.0取

26、D2=8D2=8（6）、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。电极要有足够大的断面积，常用紫铜制造。第18页（7）、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。（ 8）、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

27、温的高纯氧化铝管作为保护材料。3.5 、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。第19页(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。

28、(4) 真空检漏仪器、真空控制仪器、充气装置等。3.5.1.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 -2 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。3.5.2.真空炉必要抽速计算2q料 G料2 q衬V5q FqS必 5.710n 0.57100.16 10表漏pppp5.7 10 2 652101.20.5710 24020.2536000.13336000.1330.16 10 5 33.5167.33141041.86

29、110 40.1330.13331.20L/sS必 31.20L/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，换算成标准第20页状态下的气体体积 ( 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( cm 3 / dm 3 ) ，取 40 cm3 /LV炉衬材料的体积 ( dm 3 ), 隔热屏的体积为20.25dm

30、3q 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 10-6L/s cm 2 33.516cm3 / cm2h ；F炉子金属构件和炉壁的表面积（cm 2 ），F7.3314 P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放气系数，一般取为 1.2 ，真空烧结时取为2q 漏 系统的漏气率，根据设计要求为0.67Pa/h 1.861 10 4 Pas。3.5.3.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

31、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 =133.35L/sS主 133.35L/S第21页按 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 6.7 10 -2 Pa3.5.4.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 :S前1S主15 30 L/s510按 S前 选取 2X30 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 6.7 10 -2 Pa3.5.5.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第22页间小等。(2) 、全属波纹管金属波纹管又