真空熱管理計(jì)劃爐課程規(guī)劃設(shè)計(jì)

1、+真空熱處理爐設(shè)計(jì)說明（課程設(shè)計(jì)）、設(shè)計(jì)任務(wù)說明說:WZC-60型真空淬火爐技術(shù)參數(shù):項(xiàng)目單位指標(biāo)爐子有效尺寸Mm900 X 600 X 450最大裝爐量Kg210最大溫度C1300壓升率Pa/h0.67額定功率Kw100二、確定爐體結(jié)構(gòu)和尺寸:1、爐膛尺寸的確定由設(shè)計(jì)說明書中，真空加熱爐的有效加熱尺寸 為900mm X 600mm< 450mm,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50 100mm加熱器與工件（或夾具、料筐）之間的距離為50 一 15

2、0mm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150 300mm或更長一些。從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)看，圓筒形的隔熱屏熱損失最小，宜盡量采用。則:L= 900+ 2X （150 300） = 11001400mmB= 600 + 2 X （50 150） + 2 X （50 100）=800 1100mmH= 450 + 2X （50 150） + 2X （50 100）L=1300mm=650 950mmB=900mmmm不妨，我們?nèi)?L=1300 mm B=900mm H=850mmH=850 2、爐襯隔熱材料的選擇由于爐子四周具有相似的工作環(huán)境，我們一般 選用相同

3、的材料。為簡單起見，爐門及出爐口我 們也采用相同的結(jié)構(gòu)和材料。這里我們選用金屬隔熱屏，由于加熱爐的最高使用溫度為1300C,這里我們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。按設(shè)計(jì)計(jì)算，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 C左右，不銹鋼層每層降低150 C左右。則按上述設(shè)計(jì)，各層的設(shè)計(jì)溫度為:第一層:1300 C ;第二層:1050C；第三層:800 C ;第四層:550 C；第五層:400 C ;第六層:250 C；水冷夾層內(nèi)壁：100 C最后水冷加層內(nèi)壁的溫度為100C V150C,符合要求。3、各隔熱層、爐殼內(nèi)壁的面積及厚度(1)、隔熱屏

4、由于隔熱層屏與屏之間的間距約 815mm這里我們?nèi)?0mm鉬層厚度0.3mm不銹鋼層厚度0.6mn。屏的各層間通過螺釘和隔套隔開。第一層面積:F1 = 2 X (L B1 + Lj X 比 + X 比)=2X (1300 X 900 + 1300X 850+ 900X 850)=6.08F1 =6.08 m第二層面積:F2 = 2X (L2 X B2 + L2 X H 2 + B2 X H 2 )=2X( 1310X 910 + 1310X 860+ 910X 860)=6.2026 mF2 =6.2026 m第三層面積:F3 = 2 X (L3 X B3 + L3 X H 3 + B3 X

5、H 3 )=2X( 1320X 920+ 1320X 870 + 920X 870)=6.3264 mF3=6.3264 m第四層面積:F4 = 2X(|_4 咒 B4 +L4XH4 + B4XH4 )=2X( 1330X 930+ 1330X 880 + 930X 880)=6.4514 mF4 = 6.4514 m第五層面積:F5 = 2X+L5XH5 +B5%H5)=2X( 1340X 940 + 1340X 890+ 940X 890)=6.5776 mF5 = 6.5776 m第六層面積:F6 = 2X (LBLH6 + B6XH6)=2X( 1350X 950+ 1350X 900

6、 + 950X 900)=6.7050F6 = 6.705 m(2)、爐殼內(nèi)壁爐殼采用雙層冷冷卻水結(jié)構(gòu)，選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼。爐殼內(nèi)壁面積:F冷=2 X (L冷X B冷中L冷X H冷中B冷x H冷)=2X( 1360X960+ 1360X910 + 960X 910)=6.8336 mF冷=6.8336 m'壁厚按矩形平板計(jì)算，板周邊固定，受外壓1 X 105Pa，水壓實(shí)驗(yàn)按 卩水=2X 105Pa計(jì)。S。= 225.5 X B/ jn弓=225.5 X 90/ J360X106 = 1.0696 cm式中：B矩形板窄邊長度，B= 90 cm ;b弓一一45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼的彎曲許用應(yīng)力為

7、 360Mpa實(shí)際壁厚：S= S0 + C= 17+ 3= 20伽式中：C壁厚附加量;C= G + C2 + C3 = 1 + 1 + 1 = 3。水壓試驗(yàn)時(shí)，其應(yīng)力為0.5B2P水C =(S-cY則所需壁厚符合要求，即S= 20 mmw 0.9 bs = 324Mpa三、爐子熱平衡計(jì)算=18 mm1、有效熱消耗的計(jì)算工件和夾具在1300C和20C的比熱容分別為G = 0.636Kg/(kg ? C )和 C0 = 0.486Kg/(kg ? C),它們的質(zhì)量分別為 G工=160kg,G夾=10kgQ 有效=Q + 0夾=(G + G) X (C1t 1 C0t 0)=(120 + 10) X

8、 (0.636 X 1300-0.486 X 20)=106220.4KJ/h有效=106220.4KJ/h2、無功熱損失的計(jì)算(1)、通過隔熱屏熱損失Q的計(jì)算電熱元件、隔熱屏的黑度為：總熱=0.95 ;引=0.133 ;總2 = 0.096 ; % = 0.096 ;$4 = &5 =名6 = 0.5 ;引令=0.56。則導(dǎo)來輻射系數(shù):4.964.9604 -110.956.08 10.133丿2(2.0-0.3)O"9”"0 = 280.3MpaW 0.9 s = 324Mpa = 280.3Mpa=3.226J/( h K4)其中Fj由前面算得，F(xiàn)熱為加熱元件

9、的表面積。同樣計(jì)算得:C124.964.96C23 =C34 =C45 =C56 =C6冷Q1 =fl-?F2 I 名2Fi0.133 6.202610.096 一1=0.2961KJ/( m. h K4)4.964.96fl-14.964.96、 1 + 6.2026( 1丿 0.096 6.326410.096 一1 丿4.96=0.2524KJ/( h - K4)4.961+ 6.3264 f 1、0.096 6.451410.5 一1=0.4352KJ/( h-K4)4.960.5 6.577610.5丿=1.6640KJ/( h -4.96K4)丄+空仕耳F6伍丿4.96F冷I名冷0

10、.5 6.7050 (0.5丿=1.6639KJ/( h-K4)4.96U-1)丄+空酊丄0.56.8336 10.56 丿=1.7900KJ/( h K4)1100 丿1100 丿C熱訐熱C1 F1C 冷F644673 )(373 丿-U00丿+3.226X0.45216 0.296似 6.081.76.705=31124.7KJ/hQ, = 31124.7KJ/h式中:T熱一一電熱元件得絕對溫度，按高于爐子工作溫度的100 C計(jì)算，即T熱=1673K;T冷 爐內(nèi)壁的絕對溫度，即按設(shè)計(jì)計(jì)算得 T冷=373K。各輻射屏的溫度的驗(yàn)算:第一層:1100 丿I T熱而丿/ 、1,C熱1 F熱JL八、

11、I八、J把各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上述公式，計(jì)算得T1=1545K即 t1=1272C1=1272C第二層:1100 丿+jC 熱 1 F 熱C12 F1 丿把各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入上述公式，計(jì)算得T2=1412K即 t 2=1139C2=1139C類似計(jì)算，得:t3=914Ct3=914C ;t 4=688C ;t 5=593C ;4=688Ct 6=453 C ;t 冷=99 C5=593C驗(yàn)算結(jié)果與前面設(shè)計(jì)的各隔熱層溫度基本相6=453C冷=99 C近，符合要求。(2)、水冷電極傳導(dǎo)的熱損失 Q2rd 2Q2 = nYv(t 12 )42=3X 1 0 X 103 X z(a。08) X 2X 44.2 X

12、103 X( 30-20)= 12660.5KJ/hQ 2 = 12660.5KJ/h式中:n水冷電極，n = 3;Y水的密度，Y = 1.0 X 103KJ/m3;d水管直徑，取 d= 0.008m；V水的流速，對于中等硬度水取 V = 2m/s；t 1 冷卻水出口溫度 t 1 = 30 C；t 2 冷卻水出口溫度 t 2 = 20c；(3)、熱短路損失Q3該項(xiàng)熱損失，包括隔熱層支撐件與爐壁聯(lián)接熱傳導(dǎo)損失，爐床或工件支承架短路傳導(dǎo)損失，以及其它熱短路損失等。這部分熱損失很難精確計(jì)算,權(quán)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這部分熱損失大約為 Q的5% 10%左右，這里我們?nèi)?Q3 = 8%Q = 8%X 31124.7

13、= 2489.9 KJ/h Q 3 = 2489.9 KJ/h(4)、其他熱損失Q其它熱損失，加熱電偶導(dǎo)出裝置，真空管道、觀察孔、風(fēng)扇裝置等的熱損失。這部分的熱損失也很難精確計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這部分熱損失大約為 Q的3% 5%左右，取Q4= (3 % 5%) Qi這里我們?nèi)?Q4 = 5%Q = 5%X 31124.7 = 1556.2 KJ/h Q4 = 1556.2KJ/h則:Q 損失=Q + Q2 + Q3 + Q=31124.7+12660.5+2489.9+1556.2=47831.3 KJ/h損失=47831.33、結(jié)構(gòu)的蓄熱量KJ/h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

14、達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)即熱平衡時(shí)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(jì)算。對于周期式爐，此項(xiàng)消耗是相當(dāng)大的，它直接影響爐子的升溫時(shí)間，對確定爐子功率有很重要的意義。爐子結(jié)薔熱量是隔熱層、爐床、爐殼內(nèi)壁等熱消耗之總和。(1)、隔熱層的蓄熱量第一層:=10.2 X 103X 6.08 X 0.3 X 10 = 18.6 kg1 = 18.6 kgq 1 = GQm (t1 -t。)=18.6 X 0.259 X( 1272-20)= 6031.4KJ1 = 6031.4KJ第二層:G2 = P 鉬 *F2 b?=10.2 X 103 X 6.2026 X 0.3 x 10=18.98 kg2

15、 = 18.98 kgq 2 G2Cm(t 10 )=18.98 X 0.259 x( 1139-20)= 5500.8KJ2 = 5500.8KJ第三層:=10.2 X 103 X 6.3264 X 0.3 X 10=19.36 kg3 = 19.36 kgq 3 G3Cm(t 10 )=19.36 X 0.259 X( 914-20)= 4482.7KJ q3 = 4482.7KJ第四層:G4 = P 鋼F4 b4=7.9 X 103 X 6.4514 X 0.6 X 10=30.58 kg4 = 30.58 kgq4 = G4Cm(tt0 )=30.58 X 0.5041 X( 688-

16、20)= 10297.5KJ4 = 10297.5KJ第五層:G5 = P鋼Fs b5=7.9 X 103 X 6.5776 X 0.6 X 10 = 31.18 kg5 = 31.18 kgq5 = GsCmds -t。)=31.18 X 0.5041 X( 593- 20)= 9006.3KJ5 = 9006.3KJ第六層:G = P鋼F6 b6=7.9 X 103 X 6.705 X 0.6 X 10 = 31.78 kg6 = 31.78 kgq6 = GeCmCte -t。)=31.78 X 0.5041 X( 453 - 20)= 6936.8KJ q 6 = 6936.8KJ(2

17、)、爐殼內(nèi)壁的蓄熱量G = P鋼F冷b冷=7.9 X 103 X 6.8336 X 18X 10 = 971.7 kgG 內(nèi)=971.7 kg由于內(nèi)壁溫度由內(nèi)到外以此降低，內(nèi)部溫度為100C，外部溫度為20Co則:q 冷=1/2 G冷 Cm(t冷一 t。)=1/2 X 971.7 X 0.4682 X( 100-20)=18198.0KJ冷 = 18198.0KJ于是:Q = q1竹2 +qi冷T6031.4 + 5500.8 + 4482.7 +10297.5 + 9006.3 + 6936.8+18198=60453.5 KJ/h蓄=60453.54、爐子功率的驗(yàn)證KJ/h爐子應(yīng)供給的總熱

18、量:Q、= Q有效+ Q員失+ Q蓄=106220.4 + 47831.3 + 60453.5=214505.2 KJ/h總=214505.2則爐子總負(fù)載功率N總KJ/hN、=唸=1.2 X 釁=g與爐子所要求的設(shè)計(jì)功率lOOkw相近，則取N 總=lOOkw。空載升溫功率:總=100kwN空 = Q3595損* + Q* 4783 空些生 30.12kw3595N 空=30.12kw空載升溫時(shí)間:Q蓄/T = 3595O.BN總-0.0損失爲(wèi)560453.5/ 3595 C C 2 C C 47831.3 0.8x63 0.8X3595=0.42h四、電熱元件的選擇及布置T = 0.42h對于

19、中小型加熱爐，為了保證加熱的均勻性，在爐膛的四周都不知上加熱元件，即兩底面和兩側(cè)面都按上加熱元件，加熱元件組成星形連接。由于爐溫最高溫度達(dá)1300C，而加熱元件的溫度則為1400 C，殼選用石墨棒為加熱元件，所加電壓為200V。根據(jù)加熱室的形狀尺寸，確定石墨棒的有效加熱長度為L=600伽,每個(gè)面上都不知有6根石墨棒，四個(gè)面上工4X 6= 24根。每8根為一組進(jìn)行星形連接，每組分配功率為 21kwo由公式Rt=罟和F=計(jì)得:F= P = P 亠汗U/PU=12X 8必00"0 X 21X 103 = 30.24mmf2002F=30.24 mmd= I1兀2ID2 -F4 =71根據(jù)計(jì)

20、算，選用星形方式連接，石墨棒的外D = 10 mm社石墨棒的外徑D= 10 m,則其內(nèi)徑:兀2 x102 -30.244= 7.8 m為保證功率滿足要求，取 d = 8 m。D= 10 m,內(nèi)徑d= 8 m,電熱元件在靠近爐口得部分其間距應(yīng)稍小一些，以使?fàn)t口處溫度不致過 低。其電源為三相，使用磁性調(diào)壓器。五、其他部件得設(shè)計(jì)計(jì)算1、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1) 、冷卻水消耗計(jì)算Q 殼=Q1 +Q2 +Q4=31124.7 + 12660.48 + 1556.2 = 45341.38KJ/hQ>=780F外壁=780X 5.07 = 3954.6 KJ/h6= C(t1 -t2 )Q殼一Q散45341

21、.38 -3954.6 =。厶 廳4.2X103x(40 20 )水=0.5m3忙=蛙=0.5m3(2) 、確定水在水殼內(nèi)的經(jīng)濟(jì)流速和當(dāng)量直徑器管內(nèi)為軟水，流速為© = 1.5 m/s，則水流管得當(dāng)量直徑為:d= £=11 mm兀 X 1.5(3) 、球?qū)α鳠釗Q系數(shù)0 8a= 0.113(310 血 0d=0 113 X(310x11x10r.5?a =37.9111x10=37.91KJ/( h C )(4)、驗(yàn)算水冷爐壁得溫度t壁(C )KJ/(205.7 川t壁=a F=205.7".18 + 20= 29.8 C <100C37.91 X 5.07符

22、合要求t壁=29.8 C V100CN冷卻水帶走的熱量，符合要求N= Q殼-Q 散=45341.38 -3954.6 = 11.51kw35953595(5)、冷卻水的管道設(shè)計(jì)進(jìn)水管徑的確定進(jìn)水管直徑d= 10 m,出水管徑稍大些為D= 14 m?；厮苤睆降拇_定=11 mm下水管道的流速=14 m2 = 72亦=J2天 9.8X0.2 = 2.0m/s則下水管道截面直徑D2 = J 蘭V JTjKiJ：X 3600X2.0 = 9.4 m0.5咒 42=10 mm取 D2=10 mm(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(dǎo)電裝置，通過爐殼時(shí)要保證良好的密封，通 常用真空橡

23、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。(3) 、觀察窗觀察窗是真空爐工作時(shí)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。600 1100C時(shí)可選用鋁硅、高硅氧、石英玻璃。(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。本 設(shè)計(jì)中一般用鎢錸熱電偶作為熱電偶絲。使用耐 高溫的高純氧化鋁管作為保護(hù)材料。六、真空熱處理爐真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)真空熱處理設(shè)備的真空系統(tǒng)通常由獲得真空的容 器(

24、真空爐)和真空獲得設(shè)備(真空泵機(jī)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(jī)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(jī)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(tuán)和法蘭等。(3) 為了測量真空系統(tǒng)的真空度，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 其它真空測旦儀表。(4) 真空檢漏儀器、真空控制儀器、充氣裝置等。1. 根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)條件，確定真空系統(tǒng)方案根據(jù)所選的真空泵的極限真空度應(yīng)比爐子

25、工作真 空度高1個(gè)數(shù)量級的原則，同時(shí)考慮到真空泵應(yīng)在1-10-2Pa真空度范圍內(nèi)有較大的抽氣速率。所以，選取機(jī)械增壓泵和機(jī)械真空泵組成的真空系統(tǒng)即：羅茨泵機(jī)械真空泵機(jī)組。2. 真空爐必要抽速計(jì)算n +0.57x10S 必= 5.7X10'q料G料 n +0.57X10'q襯V +0.16%10厘* +如T 叩9P P=5.7X 10X65"20 "2 + 0.57心04"20.25 +3600咒 0.1333600X0.133440 1 6X 10上 X 33.516x10x10 J.861X10 0.1330.133=44.45L/S必=44.4

26、5L/S式中S必爐子的必要抽速，即為了達(dá)到所要求的真空度，從爐中抽出氣體的速度(L/S);G斗一一爐料重量(kg)，為120kg；q料 被處理材料所放出的氣體量，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積(cm3/100g)，通過查表可知鋼在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的放氣量為 0.150.65L/kg，取0.60L/kg,即 65 cm3/100g ;爐襯材料單位體積中放出的氣體量，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積 (cm3/ dm3)，取 40 cm3/L ;V爐襯材料的體積(dm3),隔熱屏的體積為20.25dm3q表一一金屬結(jié)構(gòu)材料單位表面積上單位時(shí)間內(nèi)放出的氣體量，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積cm3/ (cm2 S),因?yàn)橐话?/p>

27、爐內(nèi)壁均為碳鋼件，查表可得 q表=9.31 X 10-6L/s cm2 = 33.516 cm3/(cm2 h )；F爐子金屬構(gòu)件和爐壁的表面積(cm2), F= 5.0 7 m'P真空度，即工作壓強(qiáng)(Pa)，為0.133Pa;T處理時(shí)間(S), T = 1h = 3600s；n熱處理過程中的不均勻放氣系數(shù)，一般取為1.2，真空燒結(jié)時(shí)取為2q漏一一系統(tǒng)的漏氣率，根據(jù)設(shè)計(jì)要求為0.67 Pa/h = 1.861 x 10* Pa/ s。3. 根據(jù)爐子必要抽氣速率選擇主泵般主泵的抽氣速率約等于爐子必要抽氣速率的24倍,考慮到本計(jì)算真空系統(tǒng)沒有采用障板，過濾器等。阻力損失僅考慮管道和閥門，所

28、以采取2倍爐子必要抽氣速率即S主=3S必=133.35L/s主=133.35L/S按S主選取ZJ150機(jī)械增壓泵為主泵，其主要選取ZJ150機(jī)械技術(shù)指標(biāo)為：增壓泵為主泵抽氣速率150L/S極限真空度6.7 x 10-2 Pa4.選配前級真空泵機(jī)械增壓泵（羅茨泵）的前級真空泵的抽氣速率按下式算:1務(wù)=Si =1530 L/S5 10按S前選取2X- 30旋片式真空泵為前級泵，其主要2X 30旋片式真技術(shù)指標(biāo)為:空泵為前級泵抽氣速率30L/S極限真空度6.7 x 10-2 Pa5.確定真空系統(tǒng)管及配件尺寸按所選擇的機(jī)械增壓泵和前級真空泵的性能規(guī)格選取管道及配件如閥門等尺寸規(guī)格。(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(dòng)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(dǎo)，密封可 靠，操作簡便，密封部件磨損性好長，容易安裝和維 護(hù)，有的還要求動(dòng)作平穩(wěn)快速，或者同時(shí)要求占據(jù)空 間小等。(2) 、全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(jī)械真空泵進(jìn)口側(cè)管道上，其作 用是減少機(jī)械泵對爐體的震動(dòng)；另外可用于補(bǔ)償安裝 位置誤差和熱脹冷縮的密封連接件等。真