东北大学工程设备设计基础说明书

真空热处理炉 设计说明书

（课程设计）

Pfth油淬真空炉500*1200

姓名： 学号： 班级：

指导教师：申勇峰

目录

一:设计任务-------------------------------------2

二: 加热炉功率的计算----------------------------2

1：有效热消耗的计算--------------------------4 2：无功热损失的计算--------------------------4 3：结构蓄热量的计算--------------------------8 4：炉子功率的确定----------------------------9 三: 电热元件的确定-----------------------------10

1：工作温度下的加热元件的电阻---------------10 2：900℃时电阻元件的电阻率------------------10 3：电热元件长度的确定-----------------------11 4：电阻元件直径的确定-----------------------11 5：电热元件的表面积-------------------------11 四:真空热处理炉真空系统的设计-------------------12 1：确定真空系统方案-------------------------12 2：真空炉抽速计算---------------------------12 3：选择主泵---------------------------------13 4：选配前级真空泵---------------------------14 5：确定真空系统管及配件尺寸-----------------14

五:真空热处理的优点----------------------------15

参考文献---------------------------------------16

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一:设计任务

PFTH500/1200-型油淬真空炉 技术参数：

项目 炉子有效尺寸 最大装炉量 额定功率 1、设计:

室温20℃,工作加热温度1200℃,工作真空度0.133Pa,极限真空度 1.33×10-3Pa, 压升率0.67Pa/h 2、炉衬隔热材料的选择

隔热屏是真空热处理炉加热室的主要组成部分，其主要作用是隔热、保温及减少热损失。在有些情况下，隔热屏也是固定加热器的结构基础。因此，隔热屏结构型式的确定，材料的选择，对炉子的功率及性能(如真空度、放气率等)有很大影响。除了要考虑它的耐火度、绝热性、抗热冲击性和抗腐蚀性等外，还要考虑它的热透性，要求能够尽快脱气。

隔热屏基本上分为金属隔热屏和非金属隔热屏两类。其结构型式有：全金属隔热屏，夹层式隔热屏、石墨毡隔热屏和混合毡隔热屏四种型式。比较后，选用石墨毡隔热屏。这种隔热屏是由多层石墨毡用石墨绳或钢丝捆扎固定于钢板网上构成的。结构简单，制造容易．成本低廉，互不怕渗碳气氛和还原性气氛，同时具有高温性能好，隔热效果好，便于快速加热和冷却等优点。缺点是

单位 Mm Kg Kw 指标 Φ500×1200 250 150

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石墨毡酌纤维细小、柔软、断头易到处飞扬，容易在大面积上造成加热器与炉体间的短路。有时绝缘电阻仅有十几欧姆，很难检查和排除。为了防止上述弊端，可在隔热屏内铺设一层柔性石墨板(或耐高温纸制品)，同时在安装时要特别注意不要到处揉搓、碰撞石墨毡，防止石墨纤维到处飞扬，造成绝缘电阻降低。为防止石墨毡纤维飞扬的缺点，或者是在石墨纤维毡内外表面喷涂保护层保护。

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，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100℃<150℃，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

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0.3mm，不锈钢层厚度0.6mm。屏的各层间通过螺钉和隔套隔开。 （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＝3.14×0.5×1.7 ＝2.669 ㎡ 壁厚按矩形平板计算，板周边固定，受外压1×105Pa，水压实验按P水＝2×105Pa计。

S0＝225.5×B/???弯＝225.5×76/360?106＝0.903㎝ 式中：

B——矩形板窄边长度，B＝76㎝;

???弯——45号优质碳素钢的弯曲许用应力为360Mpa。 实际壁厚：S＝S0＋C＝15＋3＝18㎜ 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 ?＝

0.5B2P水?S?C?20.5?762?2?105＝＝256.7Mpa≤0.9?s＝324Mpa

?1.8?0.3? 则所需壁厚符合要求，即S＝18㎜ 二: 加热炉功率的计算 热平衡方程式为: Q总?Q有效?Q损失?Q蓄

Q总――――加热器发出的总热量 kJ/h

Q有效――――,有效热消耗,即加热工件及夹具所消耗的热量 kJ/h Q损失――――无功热损失 kJ/h

Q蓄――――加热过程中炉子结构蓄热消耗的能量 kJ/h

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Q蓄――――结构蓄热量(kJ/h)； G――――结构件重量(kg)；

Cm――――结构件材料的平均比热容[kJ／(kg·℃)] △t――――结构件增加的温度(℃); τ――――炉子的升温时间(h)。 （2）炉壳内壁的蓄热量: 炉壳内壁重量：

G内＝?钢?F冷?b冷＝7.9×103×2.669×18×10?3＝379.5㎏

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＝1/2G冷Cm?t冷?t0?=0.5×379.5×0.4682×（100-20）=7107.87KJ

则： Q蓄GC??m??t?=117040+7107.87=124147.87 KJ/h

4:炉子功率的确定

用热平衡法确定炉子总功率：

真空热处理电炉是将电功率转变为热功率，两者应相平衡。 炉子应供给的总热量：

Q总＝Q有效＋Q损失＋Q蓄=223688+156550.85+124147.87 ＝504387.72KJ/h 炉子总功率N总(kw):

N总?KQ有效?Q损失?Q蓄3595

式中

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K-----安全系数， 3595-----换算系数，3595kJ＝1kw

考虑到炉子使用过程中指标会降低，供电电压波动，电热元件电阻变化等，所以必须有相当的功率储备，对于连续作业炉,K＝1.1～1.2，对于周期作业炉，K＝1.2～1.3。本设计取K为1.3,则有:

N总?KQ有效?Q损失?Q蓄3595=1.3×504387.72/3595=182.39kw

空载升温功率N空(kw)。

N空=Q损失+Q蓄=（156550.85+124147.87）/3595=78.08kw

三: 电热元件的确定

由炉子的工作温度选用钼作为电热元件材料，由表4-6可知钼电热元件的表面允许功率为

W许?30Wcm2,保护气体选用氢气。由表4-12可知，电压选用200V。钼的性质见表4-7。

(1)工作温度下加热元件的电阻 炉子的额定功率为150KW,由公式：

2URt??N?1000?

U――――加热元件所加电压 单位：V N――――额定功率 单位：kw 代入数据得：

Rt=2002/(150×1000)=0.267? (2)温度900℃时的电热元件的电阻率 由公式：?t??20?1??t?

?t――――加热体在工作温度的电阻率 单位： ??mmm

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2 ?20――――加热体在20℃的电阻率 单位：??mmm

?――――电阻温度系数

t――――温度 单位：℃

2mm由表4-4查的钼在20℃的电阻率为0.52??471?10-5, ,电阻温度系数为?m加热炉工作温度为900℃,代入数据得: ?900?0.52??1?471?10?5?900?=2.7??mmm

2(3)电热元件长度的确定

若采用电阻丝加热体, 则有公式:

l?310NU2 24?3.14?tW许W许――――电热元件的表面允许功率 ( wcm2)

2?t――――加热体在工作温度的电阻率 单位： ??mmm

U――――加热元件所加电压 单位：V N――――额定功率 单位：kw 带入数据得:

l=(10×150×2002/(4×3.14×2.7×302))1/3=12.53mm

(4) 电热元件直径d的确定:

N2?td=34.432= 34.4×(150×2.7/(2002×30))1/3 =12.7mm

UW许(5)热电元件的表面积:

F热=3.14dl=3.14×12.53×12.7=0.500mm2 四: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：

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(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,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必＝5.7?10?2q料G料??pn?0.57?10?2q衬V?p?0.16?10?5q表Fp?q漏p

＝5.7×10?2×65×250/(3600×0.133)×1.2+0.57×10-2×40×

33.516?967611.861?10?4?41.47/(3600×0.133)+0.16×10×

0.1330.133?5 ＝40.27L/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250kg；

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

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(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/L；

V――――炉衬材料的体积(dm3),隔热屏的体积为50×1200π×2200＝

41469023mm3＝41.47 dm3；

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/（cm2·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/?cm2?h?； F――――炉子金属构件和炉壁的表面积（cm2），粗算为1400π×2200＝

9676105mm2＝9.6761m2

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，根据工作要求为0.67Pa/h＝1.861×10-4 Pa

／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,过滤器等。阻力损失仅考虑管道和阀门,所以采取4倍炉子必要抽气速率即S主=4S必 =161.08 L/s

按S主选取ZJ—150机械增压泵为主泵,其主要选取ZJ—150机械增压泵为主泵

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技术指标为:

抽气速率150L/s 极限真空度6.7×10-2Pa 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=（1/10~1/5）S主=16~32L/s

按S前选取2X—30旋片式真空泵为前级泵,其主要技术指标为: 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。各种真空阀门均有专业厂制造，可根据工作技术要求参照产品说明书选用。 (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

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密封图形式有几种,O型主要用于静密封,J型和JO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。

五: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。

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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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8148.html