WZC-60型真空淬火炉

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mm900×600×450最大装炉量kg210最大温度℃1300压升率Pa/h0.67额定功率kw100-2-二、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＝900＋2×(150～300)＝1200～1500mmB＝600＋2×(50～150)＋2×(50～100)＝800～1100mmH＝450＋2×(50～150)＋2×(50～100)L=1400㎜＝650～950mmB=900㎜为了制造方便，取L=1400mm；B=900mm；H=840mm。H=840㎜2、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：1F＝2×111111HBHLBL＝2×(1400×900＋1400×840＋900×840)＝6.384㎡1F=6.384㎡第二层面积：2F＝2×222222HBHLBL＝2×（1410×910＋1410×850＋910×850）＝6.5102㎡2F=6.5102㎡第三层面积：3F＝2×333333HBHLBL＝2×（1420×920＋1420×860＋920×860）＝6.6376㎡3F=6.6376㎡第四层面积：4F＝2×444444HBHLBL＝2×（1430×930＋1430×870＋930×870）＝6.7662㎡4F＝6.7662㎡第五层面积：5F＝2×555555HBHLBL＝2×（1440×940＋1440×880＋940×880）＝6.8960㎡5F＝6.8960㎡第-4-页第六层面积：6F＝2×666666HBHLBL＝2×（1450×950＋1450×890＋950×890）＝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HBHLBL＝2×（1460×960＋1460×910＋960×910）＝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1×105Pa，水压实验按P水＝2×105Pa计。真空炉的炉壳厚度由以下公式给出：4.00)(25.1BtBDEPLDS0S(mm)(),900mm()0.3pa()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0.400.314601.25900()12.6913533000900Smmmm实际炉体厚度为S=S0+C其中：C=C1+C2+C3C——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=17mmS=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。S0＝225.5×B/弯＝225.5×91/610360＝0.903㎝式中：B——矩形板窄边长度，B＝91㎝;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(2~3)105Pa（表压)的压力。此外，还要加上1×105Pa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＝2520.5912101.70.3＝422.5Mpa≤0.9s＝479.7Mpa0.9s＝479.7Mpa则所需壁厚符合要求，即S＝17㎜S＝17㎜(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1.74[]2()()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：31100161380.1624111001100NiNDSmmkgVmRKDmm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C1＝0.636kJ/(kg•℃)和C0＝0.486kJ/(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）×(C1t1－C0t0)＝(120＋10)×(0.636×1300－0.486×20)＝138903.6kJ/hQ有效＝138903.6kJ/h2、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；1＝0.133；2＝0.096；3＝0.073；4＝5＝6＝0.5；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:2276923.0/13100mcmWkWPFP热F热=0.76923㎡则导来辐射系数：第-8-页14.9610.76923110.956.38400.133C热＝2.6984kJ/(㎡·h·K4)其中F1由前面算得，F热为加热元件的表面积。同样计算得：C12＝11224.964.9616.384111110.1336.51020.096FF＝0.2961kJ/(㎡·h·K4)C23＝22334.964.9616.5102111110.0966.63760.096FF＝0.2524kJ/(㎡·h·K4)C34＝33444.964.9616.6376111110.0966.76620.5FF＝0.4352kJ/(㎡·h·K4)C45＝44554.964.9616.7662111110.56.89600.5FF＝1.6638kJ/(㎡·h·K4)C56＝55664.964.9616.8960111110.57.20760.5FF＝1.6775kJ/(㎡·h·K4)C冷6＝664.964.9617.027111110.57.20760.56FF冷冷＝1.7932kJ/(㎡·h·K4)第-9-页则Q1＝61144111100100FCFCFCTT冷热热冷热＝4416733731001001112.64200.769230.29616.03601.79006.6569＝33742.5kJ/hQ1＝33742.5kJ/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：41100T＝4100热T－Q1热热FC11把各项数据代入上述公式，计算得T1=1562K即t1=1289℃t1=1289℃第二层：42100T＝4100热T－Q1112111FCFC热热把各项数据代入上述公式，计算得T2=1432K即t2=1159℃t2=1159℃类似计算，得：t3=931℃t3=931℃;t4=702℃;t5=605℃;t4=702℃t6=458℃;t冷=101℃t5=605℃验算结果与前面设计的