真空热处理炉设计

一．真空热处理炉设计（一）热处理炉设计说明1.技术参数参照VFC-224型卧式单室气淬真空炉，以下为该种真空炉的技术参数：项目指标有效加热区/mm610×381×254最大装炉量/kg180最大温度/℃13502.VFC型真空炉的简要介绍：VFC型炉是由炉体、加热室、气冷装置、真空系统、电气控制系统等组成的。电热元件为石墨管，隔热屏采用夹层式结构，夹层内壁为钼片，外壁为不锈钢板，中间填充硅酸铝耐火纤维。炉床上镶有高铝制品，防止金属工件或料筐与石墨接触，在高温下粘结。根据需要，电热元件也可以用钼、钨等材料制成。隔热屏亦可采用钼、钨、不锈钢板制成的全金属隔热屏。（二）确定炉体的基本结构和尺寸1.炉膛尺寸的确定根据技术参数，真空加热炉的有效加热区尺寸为610mm×381mm×254mm，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，工件与炉膛内定部距离为200—500mm。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。计算得出炉膛的尺寸：L＝610＋2×(150～300)＝910～1210mmB＝381＋2×(50～150)＋2×(50～100)＝581～881mmH＝254＋2×(50～100)＋(200～500)＋(50～150)＝604～1104mm于是，可以取L=1100mm；B=800mm；H=700mm。项目尺寸/mm长度1100宽度800高度7002．炉衬隔热材料的选择根据选择的真空炉炉型，这里选用金属隔热屏。由于加热炉的最高使用温度为1350℃，可以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。根据经验查阅相关资料，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：层数第一层（钼）第二层（钼）第三层（钼）第四层（钢板）第五层（钢板）第六层（钢板）水冷夹层内壁该层设计温度/℃13501100850600450300150可见，最后水冷夹层内壁温度为150℃满足水冷夹层内壁小于等于150℃的条件，符合要求。该设计合理。3．各层隔热屏，炉壳内壁，炉壳外壁的面积计算（1）隔热屏：金属隔热屏的设计要点是要尽量使层与层之间的距离减小，一般按炉膛大小选用间距为5～10mm为宜，此处取10mm。查阅相关资料，这里选取钼层厚度0.3mm，不锈钢层厚度0.5mm。○1第一层面积：F1=2×(L1×B1＋L1×H1＋B1×H1)=2(1100×800＋1100×700＋800×700)=4.4200m2○2第二层面积：F2=2×(L2×B2＋L2×H2＋B2×H2)=2(1110×810＋1110×710＋810×710)=4.5246m2○3第三层面积：F3=2×(L3×B3＋L3×H3＋B3×H3)=2(1120×820＋1120×720＋820×720)=4.6304m2○4第四层面积：F4=2×(L4×B4＋L4×H4＋B4×H4)=2(1130×830＋1130×730＋830×730)=4.7374m2○5第五层面积：F5=2×(L5×B5＋L5×H5＋B5×H5)=2(1140×840＋1140×740＋840×740)=4.8456m2○6第六层面积：F6=2×(L6×B6＋L6×H6＋B6×H6)=2(1150×850＋1150×750＋850×750)=4.9550m2（2）炉壳内壁：大部分真空炉炉壳，采用圆筒状双层水冷结构，这种炉壳结构强度高，易加工，焊缝少，节省材料。此处炉壳材料选用45号优质碳素钢。炉壳内壁面积：F内壁=2×(L内×B内＋L内×H内＋B内×H内)=2(1160×860＋1160×760＋860×760)=5.0656m2（3）炉壳体壁厚计算：a．壳体圆筒计算壁厚：壳体只承受外压，可按稳定条件计算，有下式：S0=1.25DB(PEt×LDB)0.4式中:S0——壳体圆筒计算壁厚（mm）；DB——圆筒内径（mm），此处取边长860mm；P——外壳设计压力（MPa），根据资料查找安全压力在2~3MPa，此处取2.5MPa；L——壳体圆筒计算长度（mm），此处取1160mm；Et——材料温度为t是的弹性模量（MPa），查找数据得到1.9/9.8×103MPa。计算结果：S0=13.6mm该公式要满足一下两项条件方可成立，验证：○11≤LDB≤8；此处LDB=1.349○2(PEt×LDB)0.4≤0.523；此处(PEt×LDB)0.4=0.01268条件均满足，则此公式成立，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——钢板的最大负公差附加量（mm），查表取0.8mm；C2——腐蚀裕度（mm），单面腐蚀取1mm；C3——封头冲压时的拉伸减薄量（mm），一般取计算厚度的10%，此处取1.4mm。c．壳体圆筒实际壁厚：S=S0+C=13.6+3.2=16.8≈17mm（4）炉壳外壁：F外壁=2×(L外×B外＋L外×H外＋B外×H外)=2(1194×894＋1194×794＋894×794)=5.4510m2各层隔热屏，炉壳内壁，炉壳外壁的面积计算结果见下表：项目第一层第二层第三层第四层第五层第六层水冷夹层内壁水冷夹层外壁面积（m2）4.42004.52464.63044.73744.84564.95505.06565.4510（三）炉子热消耗计算1．有效热消耗的计算工件和夹具在1350℃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M工=140kg,M夹=10kg计算结果：Q有效=Q工+Q夹=（M工+M夹）×（C1t1+C0t0）=（140+10）×（0.636×1300－0.486×20）=127332KJ/h2．无功热损失的计算a．通过隔热层辐射给水冷壁的热损失：通过查表得到随温度变化电热元件、隔热屏的黑度为：热＝0.151；1＝0.133；2＝0.110；3＝0.096；4＝5＝6＝0.5；冷＝0.56。则计算辐射系数：C热1=4.961ε热+F热F1(1ε1−1)=4.9610.151+1.3574.42(10.133−1)=0.575KJ/(m2∙h∙K4)其中F热为电热体的表面积，计算过程见后，电热体计算。结果为F热=1.357m2同样计算得：C12=4.961ε1+F1F2(1ε2−1)=4.9610.133+4.424.5246(10.110−1)=0.3216KJ/(m2∙h∙K4)C23=4.961ε2+F2F3(1ε3−1)=4.9610.110+4.52464.6304(10.096−1)=0.2712KJ/(m2∙h∙K4)C34=4.961ε3+F3F4(1ε4−1)=4.9610.096+4.63044.7374(10.5−1)=0.4353KJ/(m2∙h∙K4)C45=4.961ε4+F4F5(1ε5−1)=4.9610.5+4.73744.8456(10.5−1)=1.6657KJ/(m2∙h∙K4)C56=4.961ε5+F5F6(1ε6−1)=4.9610.5+4.84564.9550(10.5−1)=1.6656KJ/(m2∙h∙K4)C6冷=4.961ε6+F6F冷(1ε冷−1)=4.9610.5+4.95505.0656(10.56−1)=1.7915KJ/(m2∙h∙K4)辐射系数计算结果如下表：项目C热1C12C23C34C45C56C6冷辐射系数KJ/(m2∙h∙K4)0.57500.32160.27120.43531.66571.66561.7915则Q1＝61144111100100FCFCFCTT冷热热冷热＝26017.1KJ/h式中：T热——电热元件得绝对温度，按高于炉子工作温度的150℃计算，即T热＝1773K;T冷——炉内壁的绝对温度，即按设计计算得T冷＝423K。由此可得各辐射屏的温度的验算：○1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=1599.6K，即T1=1326.6℃；○2第二层：原理同第一层计算，可计算得T2=1473.7K，即T1=1200.7℃；○3第三层：T3=1275.8K，即T3=1002.8℃；○4第四层：T4=1069.2K，即T4=796.2℃；○5第五层：T5=994.2K，即T5=721.2℃；○6第六层：T6=755.1K，即T6=482.1℃；○7水冷夹层内壁：T冷=423K，即T冷=150℃；可以看出，计算结果与前面设计的隔热屏的温降基本符合。各辐射屏的温度的验算结果如下表：项目第一层第二层第三层第四层第五层第六层水冷夹层内壁温度/℃1326.61200.71002.8796.2721.2482.1150b．水冷电极传导的热损失Q2：Q2＝2124ttdn＝3×1.0×103×4008.02×2×4.2×103×（30－20）＝12660.5KJ/h式中：n——水冷电极，n＝3;——水的密度，＝1.0×103KJ/m3;d——水管直径，范围0.006~0.008m，取d＝0.008m；——水的流速，对于中等硬度水取＝2m/s；t1——冷却水出口温度t1＝30℃；t2——冷却水出口温度t2＝20℃；一般规范要求一个水冷点击消耗功率在0.5~1KW之间，计算水冷电极消耗功率为1.17KW，符合一般规定。c．热短路损失Q3：该项热损失,包括隔热层支撑件与炉壁联接热传导损失，炉床或工件支承架短路传导损失，以及其它热短路损失等。这部分热损失很难精确计算，据经验，这部分热损失大约为Q1的5％一10％左右。Q3＝（5%~10%）Q1＝（5%~10%）×26017.1＝1300~2602KJ/h此处取Q3=1500KJ/hd．其他热损失Q4：其它热损失包括加热电偶导出装置，真空管道、观察孔、风扇装置等的热损失。这部分的热损失也很难精确计算，根据经验，这部分热损失大约为Q1的3％一5％左右。Q3＝（3%~5%）Q1＝（3%~5%）×26017.1＝781~1300KJ/h此处取Q3=800KJ/h综上所述，则可得出Q损：Q损失=Q1+Q2+Q3+Q4=26017.1+12660.5+1500+800=40977.6KJ/h热损失具体项目及数值如下表：项目1234总损失损失热量/Q26017.112660.5150080040977.63．炉子结构的蓄热量炉子结构蓄热消耗是指炉子从室温加热至工作温度，并达到稳定状态即热平衡时炉子结构件所吸收的热量，对于连续式炉，这部分销耗可不计算。对于周期式炉，此项消耗是相当大的，它直接影响炉子的升温时间，对确定炉子功率有很重要的意义。炉子结构蓄热是隔热层、炉床、炉壳内壁等热消耗之总和。a．隔热层的蓄热量○1第一层：G1=ρ钼·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；○2第二层：G2=ρ钼·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；○3第三层：G3=ρ钼·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；○4第四层