真空热处理炉课程设计

1、指标900 X 600X 45021013000.67100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：项目单位炉子有效尺寸mm最大装炉量Kg最大温度°C压升率Pa/h额定功率Kw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900mm X 600mrX 450mm,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

2、 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：L= 900 + 2 X (150 360 = 1100 1400mmB= 600 + 2 X (50 10 + 2 X (50 160=800 1100mmH = 450 + 2 X (50 160 + 2 X (50 160 L=1300 伽=650 950mm B=900 伽不妨，我们取 L=1300 mm ; B=900mm ; H=850mm。H=850 伽2、炉衬隔热材料的选择由于炉子四周具有相

3、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 1300C,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250C左右，不锈钢层每层降低 150C左右。则按上述设计，各层的设计温度为：第一层：1300C； 第二层：1050C；第三层：800C;第四层：550C;第五层：400C;第六层：250C;水冷夹层内壁：100C最后水冷加层内壁的温度为100C V150C, 符合要求。3、各隔热层、炉壳内壁的面积

4、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：'=2 X'"=2 X (1300 X 900 + 1300 X 850 + 900 X 850=6.08 川琦=6.08 m2第二层面积：' = 2 乂 严济兀芯宁爲打J=2 X( 1310 X 910 + 1310 X 860 + 910 X 860 )=6.2026 m '' =6.2026 m第三层面积：''2 x - ；.十遇v 迅十迓”；=2 X

5、( 1320 X 920 + 1320 X 870 + 920 X 870 )6.3264 m '' =6.3264 m第四层面积：'2 X '2 X( 1330 X 930 + 1330 X 880 + 930 X 880 )6.4514 m 6.4514 m第五层面积：；=2 X - S膚耳乜+爲花込:j2X(1340 %40 + 1340 x890 + 94° X89°)=6.5776 卅人=6.5776 卅第六层面积：=2 乂'=2 x( 1350 X 950 + 1350 X 900 + 950 X 900 )=6.7050

6、 m2= 6.705 m2(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：J = 2 X - -=2 X( 1360 X 960 + 1360 X 910 + 960 X 910 )=6.8336 m '= 6.8336 m壁厚按矩形平板计算，板周边固定，受外压1 X 10Pa,水压实验按P = 2 X 15Pa计。225.5 X 90/11 = 1.0696 cm式中：B矩形板窄边长度，B= 90 cm;45号优质碳素钢的弯曲许用应力为 360Mpa。实际壁厚：S= S + C= 17 + 3 = 20 mm式中：C壁厚附加量；C= C + C + C

7、= 1 + 1 + 1 = 3。水压试验时，其应力为0.5 B P4= '山5只90,翼2*10*=':=280.3Mpa < 0.9= 324Mpa= 280.3Mpa则所需壁厚符合要求，即S= 20 m < 0.9 = 324Mpa三、炉子热平衡计算S= 18 m1、有效热消耗的计算工件和夹具在1300C和20C的比热容分别为C = 0.636Kg/(kg? 和 C = 0.486Kg/(kg? C,它们的质量分别为 G =160kg,G=10kg则Q = Q + Q =(G + G )x (C Ct=(120 + 10 X (0.636X 1300 0.486

8、 X 20=106220.4KJ/h Q = 106220.4KJ/h 2、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：4%4他1 Fuf 1-】0.45216 (1A+密1+ 1片乜丿0.95b.OX 1(1133C=3.226J/(厂 h K其中F由前面算得，F为加热元件的表面积同样计算得:=0.2961KJ/( h K4%16.2026 ( I_ + 0.0966.3264 1096=0.2524KJ/(川.h K4.964%】亠创1 J16.3264r】

9、jCd 上 J0.096 6.4514<0.5 J=0.4352KJ/(川.h K4.9b】 H】 + C$=齢J_ 6.4514 (0,5 6.5776 10.5=1.6640KJ/(川.h K4.96 TT4,9616.5776+ 0-56.7050=1.6639KJ/(h K4%6.705f 1156.8336；0.56)4.96=1.7900KJ/(川.h K1100丿 M丿Q =，-3.226x0.45216 + 0.2961 x 6.08 * 1.79 x 6.705=31124.7KJ/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

10、 C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_层：UK) (100 丿 _ q | Gm f丼把各项数据代入上述公式，计算得T =1545K 即 t =1272 c t =1272 c把各项数据代入上述公式，计算得T =1412K 即 t =1139 C t =1139 C类似计算，得：t =914 ct =914 c ；t =688 c ；t =593 c； t =688 ct =453 ct =453 c ；t =99 c t =593 c验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相近，符合要求。t =99 c(2) 、水冷电极传

11、导的热损失 Qjt x (0.008)'=12660.5KJ/h=30.000 x x2x4.2x10 X(30 20)= 12660.5KJ/h Q式中：n 水冷电极，n = 3；水的密度，=1.0 x10 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 = 30c；t 冷却水出口温度t = 20C；(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Q1的5 % 10 %左右，这里我们取：Q =

12、8 % Q = 8%x31124.7 = 2489.9 KJ/h Q = 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Q1的3% 5%左右，取Q4= (3% 5% Q这里我们取：Q = 5%Q = 5%x 31124.7 1556.2 KJ/h Q = 1556.2KJ/h 则：Q = Q + Q + Q + Q=31124.7+12660.5+2489.9+1556.2=47831.3 KJ/h Q = 47831.33、结构的蓄热量KJ/h炉子结构蓄热消耗是指炉子从

13、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：x 10.2 X 1X 6.08 X 0.3 XX 18.6 kg G = 18.6 kg=18.6 X 0.259 1272( 20 )= 6031.4KJ q = 6031.4KJ第二层:=10.2 X 1X 6.2026 X 0.3 X 10.98 kg G=18.98 kgx 18.98 X 0.259 1X9

14、( 20)= 5500.8KJ q=5500.8KJ第三层：x 10.2 X 1X 6.3264 X 0.3 X 10.36 kg G=19.36 kg=19.36 X 0.259 914 20) = 4482.7KJ q=4482.7KJ第四层:=7.9 X 1X 6.4514 X 0.6 X 30.58 kg G = 30.58 kg=30.58 X 0.5041 688 20)= 10297.5KJ q 勺=10297.5KJ第五层：G =7.9 X 10 6.5776 X 0.6 W 30.18 kg G = 31.18 kgq =31.18 X 0.5041 593-( 20)= 9

15、006.3KJ q ' = 9006.3KJ第六层：G =7.9 X 1X 6.705 X 0.6 ! = 30.78 kk G = 31.78 kkq =-衣:H=31.78 X 0.5041 453- 20) = 6936.8KJ q = 6936.8KJ(2)、炉壳内壁的蓄热量G =，»=7.9 X 1X 6.8336 X 18 X=1971.7 kk G = 971.7 kk由于内壁温度由内到外以此降低，内部温度为100C,外部温度为20C。则：q = 1/2 汽活严=1/2 X 971.7 X 0.468200X20)4 A=18198.0KJ q = 18198.

16、0KJ于是：g + g严+ g礪Q =6031 ,4 + 5500 A + 4482 7 + 10297 +5 + 9006 3 + 6936 卡 + 181 佣=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 + Q=106220.4 + 47831.3 + 60453.5=214505.2 KJ/h Q = 214505.2则炉子总负载功率N KJ/hQ話214505 三N = K = 1.2 X= 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 = 100kwQ 他 +47831

17、.3 + 60453,547831.3+60453.5N 电=：:=30.12kw N30.12kw空载升温时间：Q鬓/60453 .5/门 595=,35950主心-0点 %必x0,8 x 63-0,8x *7831 3-=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1300C,而加热元件的温度则为1400C,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伽，每个面上都不知有6根石墨棒

18、，四个面上工4X 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 =和F=得:F=8 x 600 x 10=12 XX 21 X 1830.24mmF=30.24 mm社石墨棒的外径D = 10 m,则其内径：=7.8 mm为保证功率满足要求，取d = 8 m。根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外D = 10 mD = 10 m,内径d = 8 m,电热元件在靠近炉口得 d = 8 m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=31124.7 + 12660.48 + 15

19、56.2 = 45341.38KJ/hQ敝=780甩=780 x 5.073954.6 KJ/h“ _- <?«4534138 - 3954.6那= 4加 10(40-20)= 0.5 kg0,5V =二 =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：(3)、球对流热换系数0血尸=0.113Q】0 耳 II： I。、乂 1.5)“=0.113 x=37.91KJ/( itf. h =37.91(4、验算水冷炉壁得温度(C KJ/(川.h C205 7* N= 宀+，205.7*9耳=+ 20 =

20、 29.8 °C <100 符合要求=29.8 °C <100 °CN 冷却水带走的热量，符合要求Q浇-(?耽45341.38 -3954 6N = 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 mm,出水管径稍大些为D = 14 mmo回水管直径的确定d = 11 m下水管道的流速D = 14 m=二=2.0m/s则下水管道截面直径迂 x .1600 x 2.0= 9 4 m取 D =10 mm D =10 mm(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

21、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 °C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

22、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

23、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S=5.7xlO 20-57x10 '咄十 0f>xl0、址卡邑r Prpp p65 x 1204（H 20*25, xL2 + 0.57 xlO +=5.7 x 10 x|33.516 x IO xlQ1 L861J0"0.16 X 10 Xi -=44.45L/S S = 44.45L/S式中JklS 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 炉料重量（kg ,为120kg

24、 ;q 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C /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I / （ s）因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可得 q =9.31 x 1O6L/s = 33.516 i；F炉子金属构件和炉壁的表面积（），F= 5.07 m2P真空度，即工作压强（Pa,

25、为0.133Pa;T 理时间（s,Tlh = 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2q 系统的漏气率，根据设计要求为0.67Pa/h = 1.861 x 1Pa/ 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 x Pa4选配前级真空泵机械

26、增压泵(罗茨泵的前级真空泵的抽气速率按下式算：- - ' ' '5-10L/S按S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 x Pa5.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 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，0型主