立式真空淬火炉设计说明书.docx
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立式真空淬火炉设计说明书
课程设计
立式真空淬火炉设计说明书
(PFTH700/1600型)
第一章前言············································3
第二章设计任务说明···································4
第三章确定炉体结构和尺寸·······························5
3.1炉膛尺寸的确定······································5
3.2炉衬隔热材料的选择································5
3.3各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度····················6
3.3.1隔热屏············································6
3.3.2炉壳内壁·········································7
第四章炉子热平衡计算································9
4.1有效热的计算······································9
4.2无热功的计算······································9
4.3结构的蓄热量······································12
4.4炉子功率的验证······································14
第五章电热元件的选择及布置·····························15
第六章工件进出料传送装置设计··························18
第七章其他部件的设计计算·····························19
7.1淬火油槽的设计·······································19
7.2冷却系统设计·······································20
7.2.1冷却水消耗计算····································20
7.2.2确定水在水壳内的经济流速和当量直径···············21
7.2.3球对流热换系数··································21
7.2.4验算水冷炉壁得温度(℃)·························21
7.2.5冷却水的管道设计·······························21
7.2.6水冷系统的安全保护·······························22
7.3水冷电极···········································22
7.4观察窗···········································22
7.5热电偶测温装置·····································22
7.6风扇··············································23
7.7真空放气阀、真空安全阀····························23
7.8法兰设计···········································23
第八章真空热处理炉真空系统的设计···················24
8.1根据设计技术条件,确定真空系统方案················24
8.2真空炉必要抽速计算·······························24
8.3根据炉子必要抽气速率选择主泵······················25
8.4选配前级真空泵·····································25
8.5确定真空系统管及配件尺寸·························26
第九章真空热处理的优点·······························27
第十章真空热处理炉特点·······························28
第十一章参考文献·····································29
第一章前言
真空热处理技术是随着国防尖端工业、精密机械制造业等的发展而发展起来的新型热处理技术。
尤其是近年来,零件性能及精度要求的提高,使得真空热处理技术日益受到重视,不仅用于活泼及难熔金属的热处理,还逐渐推广到钢铁材料的退火、淬火、回火、渗碳、渗氮、渗金属等各领域。
真空热处理工件通常具有一系列突出优点:
不氧化、不脱碳,处理后仍保持表面光亮和原有光泽,表面通常可不加工,工件无变形,较高的耐磨性和使用寿命,对工件有脱脂、脱气作用,无污染、无公害,自动化程度高等。
而真空热处理设备是完成真空热处理工艺的重要保证,能够设计或者选用先进合理的真空热处理设备,充分满足热处理工艺参数的要求,是提高产品质量的关键。
我国在真空热处理设备的开发方面已经与世界接轨,生产的主要产品有真空退火炉、真空油气淬火炉、真空高压气淬炉、真空高压高流率气淬炉、真空负压高流率气淬炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空离子渗碳炉、真空烧结炉、真空钎焊炉以及真空离子渗氮炉、真空渗金属炉、真空镀膜炉及溅射设备等多种类型。
在炉型上包括单室、双室、三室、半连续及连续式真空热处理设备,初步形成了国产真空热处理炉系列。
本次课程设计设计的是PFTH700/1600型真空淬火炉,旨在通过一次标准的设计过程,熟悉和掌握真空淬火炉的设计过程及其工作方式,为以后进一步、深入的学习打好坚实的基础。
第二章设计任务说明
完成PFT700/1600型真空淬火炉技术设计,要求设计书和真空淬火炉的结构图(主视图、侧视图)。
给定技术参数如下表:
项目
单位
指标
炉子有效尺寸
mm
Φ700×1600
最大装炉量
Kg
900
最高温度
℃
1300
压升率
Pa/h
0.67
额定功率
kW
300
第三章确定炉体结构和尺寸
3.1炉膛尺寸的确定
由炉体设计给定的参数可知,真空加热炉的有效加热尺寸为Φ700mm×1600mm。
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。
则:
L=1600+2×(150~300)=1900~2200mm
D1=700+2×(50~150)+2×(50~100)=900~1200mm
D2=D1+2×50=1000~1300mm
选定:
L=2200mm
D1=1200mm
D2=1300mm
由于没有待处理的钢件,没有规定的温度,但通过电功率P和炉子的体积V可以估算出炉子的加热温度(经验公式):
P总=k3V*V
其中体积V=п×(1.2/2)2×2.2=2.49m3
由于额定功率为300kW,代入上述公式既得k=163,通过查表,可得炉子的加热温度大约有1200℃。
据此来确定炉墙材料和电热元件,电热元件的温度应该按照高于炉子工作温度100-160℃左右计算,取1360℃。
·
因此该真空炉的工作条件为:
室温20℃,工作加热温度为1200℃,工作真空度0.133Pa,极限真空度为1.33×10-3Pa,压升率0.67Pa/h。
主要用途为处理不锈钢。
综上所述,取
L=2200mm;
D1=1200mm;
D2=1300mm。
3.2炉衬隔热材料的选择
真空热处理炉衬材料包括有金属辐射屏、石墨毡、耐火纤维制品及耐火砖等。
由于耐火砖炉衬的保温隔热性能差,蓄热量大,易污染炉膛和泵,因此尽量避免采用。
由于炉子四周具有相似的工作,一般选用相同的材料。
为简单起见,炉门及出炉口也采用相同的结构和材料。
这里我们选用金属隔热屏,依据炉胆的型式和形状,作成圆筒形包围电热元件,以便把热量反射回加热区,从而起到隔热效果,高温时用铂、钨、钽片。
温度低于900℃时可选用不锈钢薄板,由于加热炉的工作温度为1200℃,电热元件的温度为1300℃。
隔热屏的层数一般根据炉温确定,最高温度为1300℃的热处理炉以6层屏为宜。
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,以降低成本。
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:
1200℃;
第二层:
1200-250=950℃;
第三层:
950-250=700℃;
第四层:
700-150=550℃;
第五层:
550-150=400℃;
第六层:
400-150=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。
3.3各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度
3.3.1隔热屏
由于隔热层屏与屏之间的间距约8~15mm,取10mm。
钼层厚度为0.2mm—0.5mm,取0.4mm,不锈钢层厚度0.5mm—1.0mm,取0.6mm。
屏的各层间通过螺钉和隔套隔开。
第一层面积:
=πD1×L1+2π(D1/2)3=π×1200×2200+2π(1200/2)2=10.55m2
第二层面积:
F2=πD2×L2+2π(D2/2)3=π×1220×2220+2π(1220/2)2=10.841m2
第三层面积:
F3=πD3×L3+2π(D3/2)3=π×1240×2240+2π(1240/2)2=11.136m2
第四层面积:
F4=πD4×L4+2π(D4/2)3=π×1260×2260+2π(1260/2)2=11.434m2
第五层面积:
F5=πD5×L5+2π(D5/2)3=π×1280×2280+2π(1280/2)2=11.736m2
第六层面积:
F6=πD6×L6+2π(D6/2)3=π×1300×2300+2π(1300/2)2=12.042m2
=πD7×L7+2π(D7/2)3=π×1320×2320+2π(1320/2)2=12.351m2
3.3.2炉壳内壁
A.炉壳材料的选择
炉壳采用双层冷冷却水结构,真空淬火炉对真空度的要求比较高,应该选用良好的焊接性能的轧制钢材,而且PFTH700/1600属于大型真空淬火炉,由于不锈钢板材料较贵,特别对大型炉壳,耗材多、造价高,最终,在性能和成本之间均衡后选择45#钢板作为炉体材料。
B.炉壳尺寸的确定
炉壳钢板的厚度通过计算获得,并参考现有真空炉壳进行校验。
在设计时不仅仅考虑一个大气压力的作用,也要考虑到冷却水套内水压的影响。
一般的安全水压为200-300kPa。
圆筒状完体只承受外压时,可按稳定条件计算。
有受外压1×10Pa,水压实验按P=2×10Pa计。
由于设计炉壳为圆筒型,其壳体厚度的计算公式为:
So=1.25D(PEt×LD)0.4(mm)
式中S0-圆筒壳体的计算壁厚
D-圆筒内径
P-圆筒所受外圧力
Et-温度为t时的
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