Pfth油淬真空炉5001200工程设备设计基础说明书.docx
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Pfth油淬真空炉5001200工程设备设计基础说明书
Pfth油淬真空炉500*1200
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
一:
设计任务
PFTH500/1200-型油淬真空炉
技术参数:
项目
单位
指标
炉子有效尺寸
Mm
Φ500×1200
最大装炉量
Kg
250
额定功率
Kw
150
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:
=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1×10
Pa,水压实验按P
=2×10
Pa计。
S
=225.5×B/
=225.5×76/
=0.903㎝
式中:
B——矩形板窄边长度,B=76㎝;
——45号优质碳素钢的弯曲许用应力为360Mpa。
实际壁厚:
S=S
+C=15+3=18㎜
式中:
C——壁厚附加量;C=C
+C
+C
=1+1+1=3。
水压试验时,其应力为
=
=
=256.7Mpa≤0.9
=324Mpa
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:
――――加热器发出的总热量kJ/h
――――,有效热消耗,即加热工件及夹具所消耗的热量kJ/h
――――无功热损失kJ/h
――――加热过程中炉子结构蓄热消耗的能量kJ/h
1:
有效热消耗的计算
――――工件加热消耗的热量kJ/h
――――夹具加热消耗的热量kJ/h
=G
(
―
)
G――――炉子生产率kg/h
――――工件的最终温度,一般取炉温℃
――――工件的起始温度,一般取室温℃
――――工件在温度
和
时的平均比热容kJ/(kg.K)
由表4-1可知
=0.571kJ/(kg.K),由设计要求可知G为250kg/h,,
=1200℃,
=20℃
则有:
=250
0.571
(1200-20)=168445kJ
对夹具热消耗的计算,公式与工件热消耗相同,取
=0.5852kJ/(kg.K),G=80kg/h,,
=1200℃,
=20℃
则有:
=80
0.5852
(1200-20)=55243kJ
所以:
=168445+55243=223688kJ/h
2:
无功热损失的计算
=
+
+
+
――――通过隔热层辐射给冷壁的热损失kJ/h
――――水冷电极传导的热损失kJ/h
――――热短路造成的热损失kJ/h
――――其他热损失kJ/h
(1)通过隔热层辐射给冷壁的热损失的计算
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。
L=1200+2×(150~300)mm=1500~1800mm。
d1=500+(50~100)×2+(50~150)×2=700~1000mm,
d2=(700~1000)+2×50(厚度)=800~1100mm。
设定有效加热区为250mm,电热元件距炉膛选定为50mm左右,隔热屏距电热元件约50mm,隔热屏扎实厚度约为50mm,则
L=1200+2×250mm=1700mm;
d1=500+100×2+50×2=800mm;
d2==800+2×50(厚度)=900mm;
隔热屏内壁温度与电热元件接近,外壁温度与水冷夹层内壁接近。
电热元件的温度按高于炉子工作温度100—150℃计算,取1300℃,水冷夹层内壁的温度一般不高于150℃,这里取100℃,即t1=1300℃,t2=100℃。
Q辐按封闭空间内两表面的辐射换热计算:
(kJ/h)
Q辐――――通过非金属隔热屏辐射热损失(kJ/h)
Cn――――导来辐射系数[kJ/(m2·h·K4)];
F1――――辐射体外表面积(m2);
F2――――接受体内表面积(m2);
T1――――辐射体外表面绝对温度(K)
T2――――接受体内表面绝对温度(K)
ε1――――辐射体的黑度;
ε2――――接受体的黑度。
由表4-3(各种材料的辐射黑度)取辐射体的黑度ε1=0.202,
接受体为水冷内壁,取不锈钢表面磨光时的黑度ε2=0.074,
辐射体外表面积F1=1.100π×2.200=7.5988m2
接受体内表面积F2=1.200π×2.200=8.2896m2
=
=0.3020/(m2·h·K4)
则有:
=
=140071kJ/h
即隔热层辐射给冷壁的热损失
=140071kJ/h
⑵水冷电极传导的热损失
Q2――――水冷电极传导热损失,(kJ/h);
n――――水冷电极数;
γ――――水的密度(kg/m3);
C――――水的比热容[kJ/(kg·℃)];
d――――水管直径(m),一般取d=0.006—0.010m;
v――――水的流速(m/s),对软水一般取0.8m/s—1.2m/s,对中等硬度的水取1.2一3m/s;
t1――――冷却水出口温度(℃).一般取30—35℃,对于硬水为了防止积垢应不超过35℃;
t2――――冷却水入口温度(℃),一般取20—25℃,根据一些设计单位的经验,一个水冷电极消耗功率约0.5—1kW。
取水冷电极数n为3;水的密度γ为1000kg/m3;水的比热容C为4200kJ/(kg·℃);水管直径d为0.008m;水的流速v为1.0m/s;冷却水出口温度t1为30℃;冷却水入口温度为20℃,
则有:
=3×1000×(3.14×0.0052/4)×1×4.2×1000×(30-20)=2472.75kJ/h
⑶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,即Q3=(5一10)%Q1,
取Q3=6%Q1
⑷其它热损失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%)Q1取Q4=4%Q1
⑸总热损失
Q损失=Q1+Q2+Q3+Q4=Q1+Q2+6%Q1+4%Q1=1.1Q1+Q2
=1.1
140071+2472.75=156550.85kJ/h
式中
Q损失――――无功热损失(kJ/h),
Q1――――通过隔热层辐射给水冷壁的热损失(kJ/h);
Q2――――水冷电极传导的热损失(kJ/h)
Q3――――热短路造成的热损失(kJ/h);
Q4――――其它热损失(kJ/h)。
3:
结构蓄热量的计算
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,此项消耗是
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- Pfth 真空炉 5001200 工程 设备 设计 基础 说明书
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