粉末冶金电炉课程设计说明书

1、0 / 25 文档可自由编辑打印 粉末冶金炉课程 设计说明 书起止日期： 2012 年 5 月 21 日 至 2012 年 6 月 1 日学生姓名 亮 亮班级 金属材料 092学号成绩指导教师 (签字 )冶金工程学院（部）冶金工程学院（部） 2012 年年 月月 日日前前 言言1 / 25 文档可自由编辑打印工业现代化的实质是工业生产科学化，其关键在于工业生产的技术化。设备是粉末冶金工业的物质基础和技术基础。粉末冶金工艺过程中的制粉、烧结、粉末锻造以及粉末冶金材料的热处理等都要应用到粉末冶金炉。掌握好粉末冶金炉热工技术，采用新的热工设备，对提高产品的产量和质量、节约能源、改善劳动条件以及促进粉

2、末冶金发展均有十分重要的意义。烧结工序是硬质合金生产过程中最后一道主要工序，也是一道关键工序。所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定的温度，并保持一定的时间，然后冷却，从而得到所需性能的制品。烧结的目的是使多孔的粉末压坯变为具有一定的组织和性能的合金。烧结工序产生的废品一般无法通过后续工序进行处理，所以其工艺和设备的选择对烧结产品的组织和性能，有着重大的甚至是决定性的影响。自硬质合金产品问世以来，烧结作为硬质合金生产过程中最重要的工序，一直是人们研究的重点，各种促进烧结的方法和设备不断涌现，对改进烧结工艺，提高硬质合金产品的性能，降低能源消耗，起了积极的作用。 烧结设备和烧结工艺有着紧密联系。真空烧

3、结炉随着硬质合金烧结工艺的发展而不断改进，上世纪 80 年代， 采用真空烧结炉生产的碳化钛合金产品， 不论硬度还是强度都优于氢气烧结炉生产的产品。目前真空烧结炉被广泛应用于中低档硬质合金产品的生产中。 我国硬质合金烧结开始广泛采用真空烧结工艺。在炉内压力小于大气压的条件下进行烧结，叫真空烧结。真空烧结炉分为真空烧结脱蜡一体炉，和脱蜡与真空烧结分开进行的单独真空烧结炉。目前，卧式真空烧结炉使用较广泛。目录目录2 / 25 文档可自由编辑打印前言前言1设计任务书设计任务书3一、一、设计任务3二、二、设计内容3三、三、已知条件3设计计算、说明书设计计算、说明书4一、确定炉型4二、二、确定炉子尺寸41

4、、炉膛尺寸的确定 42、炉衬隔热的材料选择 53、各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度5三、三、确定炉子的功率7 71、炉子加热温度7 72、加热曲线7 73、无功热损失的计算74、结构的蓄热量11 5、炉子功率的验证146、其他部件的设计及计算15五、真空系统设计五、真空系统设计171、根据设计技术条件,确定真空系统方案 182、真空炉必要抽速计算183、根据炉子必要抽气速率选择主泵204、选配前级真空泵205、确定真空系统管及配件尺寸20后记后记 22参考文献参考文献 23设计任务书设计任务书3 / 25 文档可自由编辑打印一、一、设计任务设计任务设计一台加热功率为 100KW 的硬质合金真空烧

5、结炉。二、二、设计内容与要求设计内容与要求1、炉体结构设计包括炉型的选择、炉子结构的确定、炉体尺寸的计算、耐火（隔热）材料的选择、进出料系统的确定、冷却系统和炉架部分的确定等。2、电热元件设计包括电热元件材质的选择、电热体结构尺寸的计算、电热体安装结构和尺寸的确定。3、真空系统设计包括必要抽速的计算、真空系统的布置及真空泵的选择。4、辅助设备设计包括测量和控制系统的选择、供电、供水系统的选择等。5、绘图炉主体图 1 张，采用 2#图纸。建议采用 CAD 绘制。三、三、已知条件已知条件4 / 25 文档可自由编辑打印真空烧结炉技术参数：项目单位指标炉子有效加热尺寸mm900600600最高温度1

6、500额定功率KW100极限真空度Pa10-2设计计算、说明书设计计算、说明书5 / 25 文档可自由编辑打印一、确定炉型 采用卧式间歇式真空烧结炉二、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900mm600mm600mm600mm600mm，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器，温度偏低。因此，隔热屏每端应大于有效加热

7、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：L9002(150300)12001500mm L=1300B6002(50150)2(50100)8001100mm B=1000H6002(50150)2(50100)8001100mm H=1000 据经验，我们取 L=1300mm；B=1000mm；H=1000mm。 2、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，6 / 25 文档可自由编辑打印由于加热炉的最高使用温度为 1500。

8、这里我们采用六层全金属隔热屏，其中内二层为钼层，外四层为不锈钢层。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 300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：1500；第二层：1200；第三层：900；第四层：600；第五层：450；第六层：300；水冷夹层内壁：100最后水冷夹层内壁的温度为 100120，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 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：21F111

9、111HBHLBL 2(130010001300100010001000)7.20 第二层面积：7 / 25 文档可自由编辑打印22F222222HBHLBL2（131010101310101010101010）7.3326 第三层面积：23F333333HBHLBL 2（132010201320102010201020）7.4664 第四层面积：24F444444HBHLBL 2（133010301330103010301030）7.6014 第五层面积：25F555555HBHLBL 2（134010401340104010401040）7.7376 第六层面积：26F666666HBHL

10、BL 2（135010501350105010501050）7.875 （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：8 / 25 文档可自由编辑打印2冷F冷冷冷冷冷冷HBHLBL2（136010601360106010601060）8.0136 根据经验值取壁厚为:S10三、确定炉子的功率值三、确定炉子的功率值1、炉子加热温度：1500 2、设计加热曲线如下： t3、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：10.95；0.096；热10.096；20.55；0.6。3456冷则导来辐射系数：C1热115.675.6

11、711110.602887.20110.950.096FF热热3.08J/(hK )49 / 25 文档可自由编辑打印其中 F 由前面算得，F 为加热元件的表面积，1热F =热24=3.14 10 0.8 24=0.60288DL同样计算得：C 1211225.675.6717.20111110.0967.3326 0.096FF0.288kJ/(hK )4C 2322335.675.6717.3326111110.0967.4664 0.55FF0.5053kJ/(hK )4C 3433445.675.6717.4664111110.557.6014 0.55FF2.1625 kJ/(hK

12、)4C 4544555.675.6717.6014111110.557.7376 0.55FF2.1625kJ/(hK )4C 5655665.675.6717.7376111110.557.8750.55FF2.1624kJ/(hK )4C冷6665.675.6717.875111110.68.0136 0.6FF冷冷2.4421kJ/(hK )410 / 25 文档可自由编辑打印则Q 161144111100100FCFCFCTT 4418734231001001113.08 0.602880.288 7.202.4421 7.87580479.85KJ/h 式中：T 电热元件的绝对温度，

13、按高于炉子工作热温度的 100计算，即 T 1873K;热T 炉内壁的绝对温度，即按设计计算冷得 T 423K。冷各辐射屏的温度的验算：第一层：Q41100 T4100热T1热热FC11把各项数据代入上述公式，计算得T =1680K 即 t =1407 11第二层：Q42100 T4100热T1112111FCFC热热把各项数据代入上述公式，计算得T =1422K 即 t =1149 22类似计算，得： 11 / 25 文档可自由编辑打印t =854；t =685685；34t =532532； t =317317；56t =151151 冷验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相近，符合要求。

14、 （2） 、水冷电极传导的热损失 Q2Q 22124ttCdn31.010 24.210 （3020）34008. 02312660.5kJ/h 式中：n水冷电极， n3;水的密度， 1.010 Kg/m ;33水管直径，取 d0.008m；d水的流速，对于中等硬度水取 2m/s；t 冷却水出口温度 t 30；11t 冷却水出口温度 t 20;22C水的比热，kJkg（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 5-10左右，这里我们取：12 / 2

15、5 文档可自由编辑打印Q 8Q 880479.856438.4 kJ/h 31（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3-5左右,取 Q4(3-5) Q 这里我们取：1Q 5Q 580479.854024.0kJ/h 41则： QQ Q Q Q损失123480479.85+12660.5+6438.4 +4024.0103602.75 kJ/h 4、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

16、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。炉子结构蓄热量是隔热层、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 111bF 钼10.210 7.200.310 22.3Kg 33q 1011ttCGm13 / 25 文档可自由编辑打印22.30.259（140720）8010.9kJ 第二层：G 222bF 钼10.210 7.33260.310 22.4 Kg 33q 2022ttCGm22.40.259（114920）6550kJ 第三层：G 333bF 钢7.910 7.46640.310 17.70 Kg

17、 33q 3033ttCGm17.700.259（85420）3823.31kJ 第四层：G 444bF 钢7.910 7.60140.610 36.03 Kg 33q 4044ttCGm36.030.5041（68520）12078.2kJ 第五层：G 555bF 钢7.910 7.73760.610 36.68 Kg 33q 5055ttCGm36.680.5041（53220）9467.1kJ 14 / 25 文档可自由编辑打印第六层：G 666bF 钢7.910 7.8750.610 37.33 Kg 33q 6066ttCGm37.330.5041（31720）5588.96kJ （

18、2） 、炉壳内壁的蓄热量G 内冷冷钢bF7.910 8.01361810 1139.5 Kg 33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 1/2冷0ttCGm冷冷1/21139.50.4682（10020）21340.6kJ 于是：Q 蓄冷21lqqq 8010.965503823.31 12078.29467.1 5588.96145518.47kJ/h 5、炉子功率的验证 ： 炉子应供给的总热量：炉子加热温度：1500 设计加热曲线如下：15 / 25 文档可自由编辑打印 t根据加热曲线转换炉子功率：Q =45518.473600=12.64Kw蓄Q=1

19、0362.753600=28.78KW损失Q =Q -Q-Q有效总损失蓄80-12.64-28.7858.58Kw 则炉子效率 N N (58.58100)100=58.58总与炉子设计效率基本符合，则可采用。6、其他部件的设计及计算 对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性，在炉膛的四周都安装加热元件，即两底面和两侧面都安装上加热元件，加热元件组成星形连接。由于炉温最高温度达 1500，而加热元件的温度则为 1600，壳选用石墨棒为加热元件，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=900,每个面上都布置有 6 根石墨棒，四个面上共 4624 根。每 8 根为一

20、组进行星形连接，16 / 25 文档可自由编辑打印每组分配功率为 25kw。由公式 R 和 F得：tPU2RltFPUl2PUl2122510 54mm 328 900 1020032设石墨棒的外径 D11，则其内径：d7.222211544444DF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 D11，内径 d8，电热元件在靠近炉口的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。7、冷却系统设计（1） 、冷却水消耗计算壳Q421QQQ80479.8512660.54024.097164.35KJ/h7808.2946469.32 KJ/h

21、外壁散FQ7801.121ttCQQG散壳水397164.356469.324.2 104020V 1.1m 水水水G1.11.0317 / 25 文档可自由编辑打印(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5 . 1得当量直径为：d16 V41.1436001.5（3） 、求对流热换系数0.113dd8 . 03100.1130.833310 16 101.516 1035.17KJ/(h) (4)、验算水冷炉壁得温度() 壁t壁tFN7 .205水t2020.7100 符合要求 205.7 9.1835.17 8.294N冷却水带走的热量， N25.2k

22、w3595散壳QQ97164.356469.323595（5） 、冷却水的管道设计 进水管径的确定进水管直径 d12，出水管径稍大些为D16。 回水管直径的确定 下水管道的流速 18 / 25 文档可自由编辑打印2.0m/s2gh22 . 08 . 92则下水管道截面直径D 13.3224V1.1 43600 2.0取 D =14 2（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。电极要有足够大得断面积，常用紫铜制造。（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

23、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。使用耐高温的高纯氧化铝管作为保护材料。五、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19 / 25 文档可自由编

24、辑打印速的超高真空泵，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、密封圈和法兰等。(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，如电离导管、热电偶导管。通常还设有真空压力表和其它真空测量仪表。 (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-210械增压泵和机械真空泵组成的真空系统即:罗

25、茨泵机械真空泵机组。2.真空炉必要抽速计算pqpFqpVqnpGqS漏表衬料料必5221016. 01057. 0107 . 5 5.710 2265 171.87540 35.51.20.57 103600 0.1333600 0.1330.1610 54433.516 8.294 101.861 100.1330.133 47.83L/s 式中有些数据根据一般设定得；S 炉子的必要抽速，即为了达到所要求的真必空度，从炉中抽出气体的速度(Ls)；G 炉料重量(kg)，为 171.875kg；料20 / 25 文档可自由编辑打印q 被处理材料所放出的气体量，换算成标准料状态下的气体体积(/10

26、0g)，通过查表可知钢3cm在标准状态下的放气量为 0.150.65L/kg，取0.60L/kg,即 65 /100g；3cmq 炉衬材料单位体积中放出的气体量，换算衬成标准状态下的气体体积(/)，取 40 /L；3cm3dm3cmV炉衬材料的体积(),隔热屏的体积为 35.5dm3dm3q 金属结构材料单位表面积上单位时间内放表出的气体量，换算成标准状态下的体积/（3cms)） ，因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可2cm得 q =9.3110-6L/s33.516 ；表2cmhcm/cm23F炉子金属构件和炉壁的表面积（） ，F8.2942cmP真空度，即工作压强(Pa)，为 0.133Pa；

27、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 系统的漏气率，根据设计要求为漏0.67Pa/h1.86110 Pas。43.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,过滤器等。阻力损失仅考虑管道和阀门,所以采取 2 倍炉21 / 25 文档可自由编辑打印子必要抽气速率即 S =3S =143.49L/s 主必按 S 选取 ZJ150 机械增压泵为主泵,其主要 主技术指标为: 抽气速率 150L/s 极限真空度 6.7Pa -2104.选配前级真空泵机械增压泵(罗茨

28、泵)的前级真空泵的抽气速率按下式算: L/s25131051主前SS按 S 选取 2X30 旋片式真空泵为前级泵,其主要指标为: 前抽气速率 30L/s 极限真空度 6.7Pa -2105.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。22 / 25 文档可自由编辑打印(2)、全属波纹管金属波纹管又称弹性管，它可产生轴向变形，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 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