真空熱處理爐設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一 真空熱處理爐設(shè)計（一）熱處理爐設(shè)計說明1.技術(shù)參數(shù)參照VFC-224型臥式單室氣淬真空爐，以下為該種真空爐的技術(shù)參數(shù)：項目指標有效加熱區(qū)/mm610×381×254最大裝爐量/kg180最大溫度/13502.VFC型真空爐的簡要介紹：VFC型爐是由爐體、加熱室、氣冷裝置、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成的。電熱元件為石墨管，隔熱屏采用夾層式結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)壁為鉬片，外壁為不銹鋼板，中間填充硅酸鋁耐火纖維。爐床上鑲有高鋁制品，防止金屬工件或料筐與石墨接觸，在高溫下粘結(jié)。根據(jù)需要，電熱元件也可以用鉬、鎢等材料制成。隔熱屏亦可采用鉬、鎢、不銹鋼板制成的全金屬

2、隔熱屏。（二）確定爐體的基本結(jié)構(gòu)和尺寸 1. 爐膛尺寸的確定根據(jù)技術(shù)參數(shù)，真空加熱爐的有效加熱區(qū)尺寸為610mm×381mm×254mm ，隔熱屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)處理工件的形狀、尺寸和爐子的生產(chǎn)率決定，并應(yīng)考慮到爐子的加熱效果、爐溫均勻性、檢修和裝出料操作的方便。一般隔熱屏的內(nèi)表面與加熱器之間的距離約為50100mm，加熱器與工件(或夾具、料筐)之間的距離為50一150mm，工件與爐膛內(nèi)定部距離為200500mm。隔熱屏兩端通常不布置加熱器，溫度偏低。因此，隔熱屏每端應(yīng)大于有效加熱區(qū)約150300mm，或更長一些。計算得出爐膛的尺寸：L6102×(150300

3、)9101210mmB3812×(50150)2×(50100)581881mmH2542×(50100)(200500)(50150)6041104mm于是，可以取L=1100mm；B=800mm；H=700mm。項目尺寸/mm長度1100寬度800高度7002爐襯隔熱材料的選擇根據(jù)選擇的真空爐爐型，這里選用金屬隔熱屏。由于加熱爐的最高使用溫度為1350，可以采用六層全金屬隔熱屏，其中內(nèi)三層為鉬層，外三層為不銹鋼層。根據(jù)經(jīng)驗查閱相關(guān)資料，第一層鉬輻射屏與爐溫相等，以后各輻射屏逐層降低，鉬層每層降低250左右，不銹鋼層每層降低150左右。則按上述設(shè)計，各層的設(shè)計溫

4、度為：層數(shù)第一層（鉬）第二層（鉬）第三層（鉬）第四層（鋼板）第五層（鋼板）第六層（鋼板）水冷夾層內(nèi)壁該層設(shè)計溫度/13501100850600450300150可見，最后水冷夾層內(nèi)壁溫度為150滿足水冷夾層內(nèi)壁小于等于150的條件，符合要求。該設(shè)計合理。3各層隔熱屏，爐殼內(nèi)壁，爐殼外壁的面積計算（1）隔熱屏：金屬隔熱屏的設(shè)計要點是要盡量使層與層之間的距離減小，一般按爐膛大小選用間距為510mm為宜，此處取10mm。查閱相關(guān)資料，這里選取鉬層厚度0.3mm，不銹鋼層厚度0.5mm。第一層面積：F1=2×(L1×B1L1×H1B1×H1)=2(1100

5、15;8001100×700800×700)=4.4200m2第二層面積：F2=2×(L2×B2L2×H2B2×H2)=2(1110×8101110×710810×710)=4.5246m2第三層面積：F3=2×(L3×B3L3×H3B3×H3)=2(1120×8201120×720820×720)=4.6304m2第四層面積：F4=2×(L4×B4L4×H4B4×H4)=2(1130×

6、8301130×730830×730)=4.7374m2第五層面積：F5=2×(L5×B5L5×H5B5×H5)=2(1140×8401140×740840×740)=4.8456m2第六層面積：F6=2×(L6×B6L6×H6B6×H6)=2(1150×8501150×750850×750)=4.9550m2（2）爐殼內(nèi)壁：大部分真空爐爐殼，采用圓筒狀雙層水冷結(jié)構(gòu)，這種爐殼結(jié)構(gòu)強度高，易加工，焊縫少，節(jié)省材料。此處爐殼材料選用45號優(yōu)

7、質(zhì)碳素鋼。爐殼內(nèi)壁面積：F內(nèi)壁=2×(L內(nèi)×B內(nèi)L內(nèi)×H內(nèi)B內(nèi)×H內(nèi))=2(1160×8601160×760860×760)=5.0656m2（3）爐殼體壁厚計算：a殼體圓筒計算壁厚：殼體只承受外壓，可按穩(wěn)定條件計算，有下式：S0=1.25DBPEt×LDB0.4式中: S0殼體圓筒計算壁厚（mm）；DB圓筒內(nèi)徑（mm），此處取邊長860mm；P外殼設(shè)計壓力（MPa），根據(jù)資料查找安全壓力在23MPa，此處取2.5MPa；L殼體圓筒計算長度（mm），此處取1160mm；Et材料溫度為t是的彈性模量（MPa），查找數(shù)

8、據(jù)得到1.9/9.8×103 MPa。計算結(jié)果：S0=13.6mm該公式要滿足一下兩項條件方可成立，驗證：1LDB8；此處LDB=1.349PEt×LDB0.40.523；此處PEt×LDB0.4=0.01268條件均滿足，則此公式成立，S0=13.6mmb壁厚的附加量：C=C1+C2+C3=0.8+1+1.4=3.2式中：C壁厚附加量（mm）；C1鋼板的最大負公差附加量（mm），查表取0.8mm；C2腐蝕裕度（mm），單面腐蝕取1mm；C3封頭沖壓時的拉伸減薄量（mm），一般取計算厚度的10%，此處取1.4mm。c殼體圓筒實際壁厚：S=S0+C=13.6+3.2

9、=16.817mm（4）爐殼外壁：F外壁=2×(L外×B外L外×H外B外×H外)=2(1194×8941194×794894×794)=5.4510m2各層隔熱屏，爐殼內(nèi)壁，爐殼外壁的面積計算結(jié)果見下表：項目第一層第二層第三層第四層第五層第六層水冷夾層內(nèi)壁水冷夾層外壁面積（m2）4.42004.52464.63044.73744.84564.95505.06565.4510（三）爐子熱消耗計算1有效熱消耗的計算工件和夾具在1350和20的比熱容分別為C10.636KJ/(kg)和C00.486KJ/(kg)，它們的質(zhì)量分別為

10、M工=140kg,M夾=10kg計算結(jié)果：Q有效=Q工+Q夾=（M工+M夾）×（C1t1+C0t0）=（140+10）×（0.636×13000.486×20）=KJ/h2無功熱損失的計算a通過隔熱層輻射給水冷壁的熱損失：通過查表得到隨溫度變化電熱元件、隔熱屏的黑度為：0.151；0.133；0.110；0.096；0.5；0.56。則計算輻射系數(shù)：C熱1=4.961熱+F熱F111-1=4.9610.151+1.3574.4210.133-1=0.575KJ/(m2hK4)其中F熱為電熱體的表面積，計算過程見后，電熱體計算。結(jié)果為F熱=1.357m2同

11、樣計算得：C12=4.9611+F1F212-1=4.9610.133+4.424.110-1=0.3216KJ/(m2hK4)C23=4.9612+F2F313-1=4.9610.110+4.52464.096-1=0.2712KJ/(m2hK4)C34=4.9613+F3F414-1=4.9610.096+4.63044.5-1=0.4353KJ/(m2hK4)C45=4.9614+F4F515-1=4.9610.5+4.73744.5-1=1.6657KJ/(m2hK4)C56=4.9615+F5F616-1=4.9610.5+4.84564.5-1=1.6656KJ/(m2hK4)C6

12、冷=4.9616+F6F冷1冷-1=4.9610.5+4.95505.56-1=1.7915KJ/(m2hK4)輻射系數(shù)計算結(jié)果如下表：項目C熱1C12C23C34C45C56C6冷輻射系數(shù)KJ/(m2hK4)0.57500.32160.27120.43531.66571.66561.7915則Q126017.1KJ/h式中：T熱電熱元件得絕對溫度，按高于爐子工作溫度的150計算，即T1773K;T爐內(nèi)壁的絕對溫度，即按設(shè)計計算得T423K。由此可得各輻射屏的溫度的驗算：第一層：Q把各項數(shù)據(jù)代入上述公式，計算得T1=1599.6K，即T1=1326.6；第二層：原理同第一層計算，可計算得T2=

13、1473.7K，即T1=1200.7；第三層：T3=1275.8K，即T3=1002.8；第四層：T4=1069.2K，即T4=796.2；第五層：T5=994.2K，即T5=721.2；第六層：T6=755.1K，即T6=482.1；水冷夾層內(nèi)壁：T冷=423K，即T冷=150；可以看出，計算結(jié)果與前面設(shè)計的隔熱屏的溫降基本符合。各輻射屏的溫度的驗算結(jié)果如下表：項目第一層第二層第三層第四層第五層第六層水冷夾層內(nèi)壁溫度/1326.61200.71002.8796.2721.2482.1150b水冷電極傳導的熱損失Q2：Q3×1.0×10××2×

14、4.2×10×（3020）12660.5KJ/h 式中：n水冷電極， n3;水的密度，1.0×10KJ/m;水管直徑，范圍0.0060.008m，取d0.008m；水的流速，對于中等硬度水取2m/s；t冷卻水出口溫度t30；t冷卻水出口溫度t20；一般規(guī)范要求一個水冷點擊消耗功率在0.51KW之間，計算水冷電極消耗功率為1.17KW，符合一般規(guī)定。c熱短路損失Q3：該項熱損失,包括隔熱層支撐件與爐壁聯(lián)接熱傳導損失，爐床或工件支承架短路傳導損失，以及其它熱短路損失等。這部分熱損失很難精確計算，據(jù)經(jīng)驗，這部分熱損失大約為Q1的5一10左右。Q3（5%10%）Q1（5%

15、10%）×26017.113002602 KJ/h 此處取Q3=1500KJ/hd其他熱損失Q4：其它熱損失包括加熱電偶導出裝置，真空管道、觀察孔、風扇裝置等的熱損失。這部分的熱損失也很難精確計算，根據(jù)經(jīng)驗，這部分熱損失大約為Q1的3一5左右。Q3（3%5%）Q1（3%5%）×26017.17811300 KJ/h 此處取Q3=800KJ/h綜上所述，則可得出Q損：Q損失=Q1+Q2+Q3+Q4=26017.1+12660.5+1500+800=40977.6 KJ/h熱損失具體項目及數(shù)值如下表：項目1234總損失損失熱量/Q26017.112660.51500800409

16、77.63爐子結(jié)構(gòu)的蓄熱量爐子結(jié)構(gòu)蓄熱消耗是指爐子從室溫加熱至工作溫度，并達到穩(wěn)定狀態(tài)即熱平衡時爐子結(jié)構(gòu)件所吸收的熱量，對于連續(xù)式爐，這部分銷耗可不計算。對于周期式爐，此項消耗是相當大的，它直接影響爐子的升溫時間，對確定爐子功率有很重要的意義。爐子結(jié)構(gòu)蓄熱是隔熱層、爐床、爐殼內(nèi)壁等熱消耗之總和。a隔熱層的蓄熱量第一層：G1=鉬·F1·b1=10.2×103×4.42×0.3×10-3=13.53kg；Q1=G1·CM(t1-t0)=13.53×0.259×(1326.6-20)=4578.68KJ；第二層

17、：G2=鉬·F2·b2=10.2×103×4.5246×0.3×10-3=13.85kg；Q2=G2·CM(t2-t0)=13.85×0.259×(1200.7-20)=4235.35KJ；第三層：G3=鉬·F3·b3=10.2×103×4.6304×0.3×10-3=14.17kg；Q4=G4·CM(t4-t0)=14.17×0.259×(1002.8-20)=3606.91KJ；第四層：G4=鋼·F4&

18、#183;b4=7.9×103×4.7374×0.5×10-3=18.71kg；Q4=G4·CM(t4-t0)=18.71×0.5041×(796.2-20)=7320.89KJ；第五層：G5=鋼·F5·b5=7.9×103×4.8456×0.5×10-3=19.14kg；Q5=G5·CM(t5-t0)=19.14×0.5041×(721.2-20)=6765.51KJ；第六層：G6=鋼·F6·b6=7.9×

19、;103×4.9550×0.5×10-3=19.57kg；Q6=G6·CM(t6-t0)=19.57×0.5041×(482.1-20)=4558.73KJ；b爐殼內(nèi)壁的蓄熱：G內(nèi)=鋼·F冷·b冷=7.9×103×5.0656×17×10-3=680.31kg；Q冷=12G冷·CM(t冷-t0)= 12×680.31×0.4682×(150-20)=20703.88KJ；可得：Q蓄4578.68+4235.35+3606.91+7320

20、.89+6765.51+4558.73+20703.88151769.95 KJ/h 爐子各層蓄熱量如下表：項目123456內(nèi)壁總蓄熱量蓄熱量KJ/h4578.684235.353606.917320.896765.514558.7320703.8851769.954爐子功率的計算 爐子應(yīng)供給的總熱量：Q總Q有效Q損失Q蓄40977.651769.95.55KJ/h爐子總負載功率P總：P總=KQ總3600=1.2×.=73.36KW因而可以取P總=75KW空載升溫功率：P空=Q損失+Q蓄3600=40977.6+51769.=25.76KW空載升溫時間：=Q蓄3600P安=0.192

21、h熱效率： =Q件Q總=9.55=57.86%（四）電熱元件的選擇及布置由于爐溫最高溫度達1350，而加熱元件的溫度則為14501500，因而可以選用鉬絲作為加熱元件，采用三相星接的方法，線電壓為380V，相電壓為220V。采用三段式加熱，每段分配功率為： P=P安n=753=25KW因此，可每組分配功率為25KW。同時可將一組分為幾段，此處將分為一組6段，一共三組18段。每段分配功率為：P段=Pn=256=4.2KW根據(jù)公式可以算出加熱鉬絲的直徑：d=34.33P2V2W允=34.334.22×10.26.3×2202=2.88根據(jù)標準直徑可以選擇d=3.0mm式中：P每

22、段電熱體上的功率（KW）額定溫度下的電阻率（·mm2/m）V每段電熱體的端電壓（V）W允允許表面負荷率（W/cm2），查表結(jié)果為6.3 W/cm2計算電熱體的總長度:單段電熱體的長度：L=0.785×10-3V2d2P=0.785×10-32202×324.2×10.2=7.988.0m電熱體總長度：L總=8.0×18=144m計算電熱體的表面積：由此可以得出，電熱體的表面積為S=d×L總=1.357m2電熱元件壽命的計算：=1.46×10-51.46×10-5dV=1.46×10-510.2&

23、#215;3.01.26×10-8=35447.1h式中： 電熱元件使用壽命（h） d圓形電熱元件截面的材料直徑（cm） 密度（g/cm3） V為電熱元件材料元素蒸發(fā)速率（g/(cm2·s)）,查表得到1.26×10-8 g/(cm2·s)（五）其他部件的設(shè)計計算1.冷卻系統(tǒng)設(shè)計（1）冷卻水消耗計算：Q殼Q1+Q2+Q426017.112660.580039477.6KJ/hQ散780F外壁780×5.4514251.48 KJ/hG水Q殼-Q散Ct1-t239477.6-4251.484.2×103×40-20=0.42k

24、gV水=G水水=0.421.0=0.42m3 （2）確定水在水殼內(nèi)的經(jīng)濟流速和當量直徑：假設(shè)器管內(nèi)為軟水，流速為m/s，則水流管的當量直徑為：d=4V=4×0.×1.5=9.5510mm（3）球?qū)α鳠釗Q系數(shù)：0.d0.8d=310×10×10-3×1.50.810×10-3=38.64 KJ/(·h·)（4）驗算水冷爐壁得溫度() 冷水帶走的熱量N=Q殼-Q散3600=39477.6-4251.=9.78KWt壁=205.7NF+t水=205.7×9.7838.64×5.451+20=29.55

25、<100因此符號要求2水冷電極水冷電極是將電能引入到爐內(nèi)電熱元件上的導電裝置，水冷電極與爐室內(nèi)電熱元件相連，通過爐殼時要保證良好的密封，通常用真空橡膠圈或聚四氟乙烯圈密封。電極要有足夠大得斷面積，常用紫銅制造，在有水冷的情況下，電流密度允許值為1018A/mm2。3觀察窗觀察窗是真空爐工作時用于觀察工件受熱情況得，要求結(jié)構(gòu)簡單，觀察高度適宜，其尺寸的大小在滿足觀察視野的前提下，應(yīng)盡量小些。觀察窗上的玻璃要求耐溫并有一定的溫度。根據(jù)查表可以得到，觀察孔的直徑應(yīng)選在50mm，玻璃片的直徑選為67mm，玻璃片厚度為8mm。4熱電偶測溫裝置熱電偶作為測溫和控溫裝置的感溫元件，是真空熱處理爐加熱室

26、要的測試裝置，真空爐上要保證熱電偶絲的引出必須符合真空密封的要求。由于真空爐的最高使用溫度為1350，所以應(yīng)采用鉑銠-鉑（LB）熱電偶，使用耐高溫的高純氧化鋁或高級耐火陶瓷等作為保護材料。（六）真空熱處理爐真空系統(tǒng)的設(shè)計真空熱處理設(shè)備的真空系統(tǒng)通常由獲得真空的容器（真空爐）和真空獲得設(shè)備（真空泵機組）、控制真空和測量真空的組件設(shè)備組成。分述如下：（1）真空泵機組，根據(jù)爐子工作壓力和抽氣量的大小，分別選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）在真空爐室和真空泵機組間配備的各種真空組件或真空元件，如閥門、過濾器、冷阱、波紋管、管路、密封團和法蘭等。（3）為了測量真空系統(tǒng)的真空

27、度，在系統(tǒng)的不同位置上設(shè)置測量不同壓力的真空規(guī)管或其它真空儀表，如電離規(guī)管、熱電偶規(guī)管。通常還設(shè)有真空壓力表和其它真空測量儀表。（4）真空檢漏儀器、真空控制儀器、充氣裝置等。 真空系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮的主要因素：1. 真空管道的長度，應(yīng)盡量設(shè)計的短一些，直徑大一些，以保證管道有足夠大的導流。2. 預(yù)真空管道直徑應(yīng)等于預(yù)真空泵進氣口直徑，其長度依具體情況而定。3. 為了防止油蒸汽流入真空熱處理爐內(nèi)，需采用冷阱或障板。4. 機械真空泵與管道之間應(yīng)安裝橡皮軟管或波紋管。5. 為了便于向爐內(nèi)通氣或破壞爐子真空，在真空室或真空管道上安裝放氣閥，在預(yù)真空泵附近也要安設(shè)放氣閥。6. 真空規(guī)管應(yīng)該安裝在真空室的附

28、近，并能保證測定爐子所要求的真空度范圍。7. 爐子工作過程中產(chǎn)生氣體和灰塵，影響真空泵的正常工作和使用壽命，應(yīng)考慮設(shè)置過濾器和收集器確定真空系統(tǒng)的其他附件： （1）真空閩門：真空閥門的作用是用來調(diào)節(jié)氣流或隔斷氣流，種類繁多，根據(jù)閥門的工作特性、傳動原理、結(jié)構(gòu)和用途。對真空閥的基本要求：盡可能大的流導，密封可靠，操作簡便，密封部件磨損性好長，容易安裝和維護，有的還要求動作平穩(wěn)快速，或者同時要求占據(jù)空間小等。（2）金屬波紋管：金屬波紋管又稱彈性管，它可產(chǎn)生袖向變形，在真空爐上廣泛應(yīng)用于機械真空泵進口側(cè)管道上，其作用是減少機械泵對爐體的震動；另外可用于補償安裝位置誤差和熱脹冷縮的密封連接件等。真空系

29、統(tǒng)中，對于小型管路，也可用真空橡膠管或尼龍管內(nèi)襯彈簧結(jié)構(gòu)(金屬絲網(wǎng)尼龍管)代替金屬波紋管。（3）密封圈結(jié)構(gòu)：密封圖形式有幾種,O型主要用于靜密封,J型和O型主要用于動密封,此外還有金屬圈和金屬絲的密封結(jié)構(gòu)。密封形式有靜密封和動密封,其選用依工作要求而定。（4）冷階和過濾器：根據(jù)真空熱處理爐的技術(shù)要求，提高真空系統(tǒng)的真空度和保護真空系統(tǒng)不受污染，系統(tǒng)中常附設(shè)冷阱(又稱捕集器)、擋油器、過濾器等。冷阱可捕集真空爐油蒸氣、水蒸氣等氣體，保護真空泵不受污染；如采用液氮冷阱RJ提高真空度0.51數(shù)量級(對以Pa為單位而言)。 過濾器又稱除塵器，它的作用是防止真空爐產(chǎn)生的灰塵進入真空泵內(nèi)污染真空泵油，一般安裝在機械泵的入口端管道中。二真空爐的改進（一）隔熱屏結(jié)構(gòu)的改進此次設(shè)計采用的是全金屬隔熱屏。金屬隔熱屏具有熱容量小，熱慣性小，可以實現(xiàn)快速加熱和冷卻，除氣容易等優(yōu)點。但是全金屬隔熱屏消耗大量貴重金屬，熱損失比較大，爐子造價高，制造復雜?？梢栽摼疄閵A層式隔熱屏。夾層式隔熱屏是由金屬制的內(nèi)外屏，其間填充