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真空淬火炉设计说明书姓名: 学号: 班级: 指导教师:申勇峰2013.7 真空淬火炉设计第 1 页一、设计任务说明WZC-60 型真空淬火炉技术参数: 项目单位指标 炉子有效尺寸mm 900600450 最大装炉量kg 210 最大温度1300 压升率Pa/h 0.67 额定功率kw 100 - 2 - 二、确定炉体结构和尺寸1. 炉膛尺寸的确定 由设计说明书中,真空加热炉的有效加热尺寸为 900mm 600mm 450mm ,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。从传热 学的观点看,圆筒形的隔热屏热损失最小,而且强度好,易 于制造。宜尽量采用。一般隔热屏的内表面与加热器之间的 距离约为 50100mm ;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臵加热器,温度偏 低。因此,隔热屏每端应大于有效加热区约150300mm ,或 更长一些。 则: L9002(150300)12001500mm B6002(50150)2(50100) 8001100mm H4502(50150)2(50100) L=1400 650950mm B=900为了制造方便,取L=1400mm ;B=900mm;H=840mm。 H=8402、炉衬隔热材料的选择 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,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,由于加热炉的最高使 用温度为 1300,屏的隔热效果与层数n 的关系大体按 1(n+1) 变化。 即:)()1(1kWQnQn式中:nQ安装n 层隔热屏后的热量(kW )n隔热屏层数Q加热室热量(炉子功率换算为热量)(kW )通常 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, 以降低第- 3 -页成本。 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: 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100150,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815mm ,这里我们取 10mm 。钼层厚度为 0.2mm 0.5mm ,这里取 0.3mm ,不锈钢层 厚度 0.5mm 1.0mm ,这里取 0.6mm 。屏的各层间通过螺钉和 隔套隔开。 第一层面积:1F2111111HBHLBL2(14009001400840900840) 6.384 1F=6.384 第二层面积:2F2222222HBHLBL2(14109101410850910850)6.5102 2F=6.5102 第三层面积:3F 2333333HBHLBL2(14209201420860920860)6.6376 3F =6.6376 第四层面积:4F2444444HBHLBL2(14309301430870930870)6.7662 4F6.7662 第五层面积:5F 2555555HBHLBL2(14409401440880940880)6.8960 5F 6.8960 第- 4 -页第六层面积:6F 2666666HBHLBL2(14509501450890950890)7.027 6F 7.027 (2)炉壳内壁 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,而且WZC-60 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1Cr18Ni9Ti-A3 钢板作为炉体材料。 炉壳内壁面积:冷F 2冷冷冷冷冷冷HBHLBL2(14609601460910960910)7.2076 冷F 7.2076 圆筒状完体只承受外压时,可按稳定条件计算。有受外压 1105Pa,水压实验按 P水2105Pa计。真空炉的炉壳厚度由以下公式给出:4.0 0)(25.1BtBDEPLDS0S(mm)(),900mm()0.3 pa()1360mm(),1Cr18Ni9TiA3533000MpaBtDmmPMPaMLmmEtMPa式中:壳体圆筒计算壁厚圆筒直径这里为外压设计压力,为壳体圆筒的计算长度,为材料温度为 时的弹性模量钢板的弹性模量为0.4 00.3 14601.25900()12.6913533000900Smmmm实际炉体厚度为S=S0+C 其中: C=C1+C2+C3 C壁厚的附加量( mm ) C1钢板的最大负公差附加量(mm ) C2腐蚀裕度( mm ) C3风头冲压的拉伸减薄量(mm ) 由表得 C1为 0.8mm ,第- 5 -页C2在单面腐蚀下取1mm ,C3为厚度的 10% ,这里 C3=1mm 所以, C=2.8mm ,故 S=14+2.8=16.8mm ,取整 S=17mm S=17mm 对于水冷真空炉,还需要进行水压试验来校验强度确定 壁厚是否满足使用需求。S0225.5B/弯225.591/6103600.903 式中: B矩形板窄边长度, B91 ; 弯1Cr18Ni9Ti-A3 钢的弯曲许用应力为533Mpa 。圆筒炉壳水压试验时,应校核壁上应力。进行水套水压试验, 一般水套内通入 (23)105Pa(表压 )的压力。此外,还要加上1105Pa抽空压力 (内抽真空受的力 )。其圆筒经的应力水压试验时,其应力为225 .0CSPB水422.5Mpa 2520.5912 101.70.3422.5Mpa0.9s479.7Mpa 0.9s479.7Mpa 则所需壁厚符合要求,即S17 S17 (3)炉门与封头的确定 真空热处理炉通常采用双层椭圆形炉门,中间通水冷却。 炉门形状可分为圆形通,采用标准椭圆形封头作门板,炉门上 的法兰要求精加工,加工中变形量一般应0.5mm 。由于炉门 法兰和壳体法兰是密封面,通过法兰上开设的密封槽及密封 团密封,法兰加工要求平整,精度高,密封槽尺寸应核确铣 制加工,配合面应磨削加工。 真空热处理设备的封头壁厚可以按炉壳设计计算,封头 主要有平盖封头、椭圆封头与碟形封头三种。从受外压角度 力学分析来说,无折边球面端封头受力状况较好,受力均布, 因而本次设计采用无折边球面端封头。封头由以下公式确定 : (算法按凸形封头椭圆形封头计算)第- 6 -页1.7 42()()1(3)4()()()BBBBBBBPDDSCPhSmmPMPaRMrDmmrhmmMPaR式中 封头计算壁厚外压设计压力 系数 ,M= 封头直边部分内径 碟形封头圆角半径(mm) 封头凸出部分内边高度 焊缝系数 许用应力 碟形封头球形部分内半径(mm)带入数据后,封头选型取为:31100161380.16241 11001100NiNDSmmkgVmRKDmm外径厚度质量m=容积当量球壳内半径三、炉子热平衡计算根据热平衡方程式Q总 Q有效+Q损失+ Q蓄式中:Q总加热器发出的总热量 (kJ/h) ;Q有效有效热消耗,即加热工件及工夹具所消耗的热量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热量。 1、有效热消耗的计算Q有效Q工Q夹Q工GC(t1-t0) 式中:Q有效有效热消耗 (kJ/h) ;Q工工件加热消耗热量 (kJ/h) ;第- 7 -页Q夹夹具加热消耗热量 (kJ/h) ;G 炉子生产率 (kg/h) ; t1工件的最终温度 ( ) ,般取炉温; t0工件的起始温度, ( ) ,一股取室温; C工件在温度 t1和 t0时的平均比热容 kJ (kg K) 工件和夹具在 1300和 20的比热容分别为C10.636kJ/(kg ? )和 C00.486kJ/(kg ? ),它们的质量分别为G工=160kg,G夹=10kg 则Q有效Q工Q夹(G工G夹)(C1t1C0t0) (12010)(0.636 13000.48620) 138903.6kJ/h Q有效138903.6kJ/h 2、无功热损失的计算Q损失=Q1+Q2+Q3+Q4 式中:Q1-通过隔热层辐射给水冷壁的热损失Q2-水冷电极传导的热损失Q3-热短路造成的热损失Q4-其它热损失(1) 、通过隔热屏热损失Q1的计算电热元件、隔热屏的黑度为:热0.95;10.133;20.096 ;30.073;4560.5 ;冷0.56 。在辐射系数的测算中,参考工业应用中管状加热体平均的单 位表面功率 13W/cm2,参考要求中给出的100kW 的功率得到 加热体表面积大概为 : 2 276923.0 /13100m cmWkWPFP热 F热=0.76923 则导来辐射系数:第- 8 -页14.9610.76923110.956.38400.133C热2.6984kJ/( hK4) 其中 F1由前面算得, F热为加热元件的表面积。同样计算得:C1211224.964.96 16.384111110.1336.5102 0.096F F0.2961kJ/( hK4) C2322334.964.96 16.5102111110.0966.6376 0.096FF0.2524kJ/( hK4) C3433444.964.96 16.6376111110.0966.7662 0.5F F0.4352kJ/( hK4) C4544554.964.96 16.7662111110.56.8960 0.5F F1.6638kJ/( hK4) C5655664.964.96 16.8960111110.57.2076 0.5F F1.6775kJ/( hK4) C冷6664.964.96 17.027111110.57.2076 0.56F F冷冷1.7932kJ/( hK4) 第- 9 -页则Q161144111100100FCFCFCTT冷热热冷热441673373100100 1112.64200.769230.29616.03601.79006.656933742.5kJ/h Q133742.5 kJ/h 式中:T热电热元件得绝对温度,按高于炉子工作温度按 100计算,即 T热1673K; T冷炉内壁的绝对温度,即按设计计算得 T冷373K。各辐射屏的温度的验算:第一层:41 100T
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