1、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/mm 610381254最大装炉量/kg 180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
2、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 610mm381mm254mm ，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 50100mm，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 200500mm。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 150300mm，或更长一些。计算得出炉膛的尺寸：L6102(150300)9101210mmB3812(50150)2(50100
3、)581881mmH2542(50100)(200500)(50150)6041104mm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
4、六层（钢板）水冷夹层内壁该层设计温度/1350 1100 850 600 450 300 150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 510mm 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。第一层面积： 1F1=2(L1B1L 1H1B 1H1)=2(11008001100700800700)=4.4200m2第二层面积： 2F2=2(L2B2L 2H2B
5、 2H2)=2(11108101110710810710)=4.5246m2第三层面积： 3F3=2(L3B3L 3H3B 3H3)=2(11208201120720820720)=4.6304m2第四层面积： 4F4=2(L4B4L 4H4B 4H4)=2(11308301130730830730)=4.7374m2第五层面积： 5F5=2(L5B5L 5H5B 5H5)=2(11408401140740840740)=4.8456m2第六层面积： 6F6=2(L6B6L 6H6B 6H6)=2(11508501150750850750)=4.9550m2（2）炉壳内壁：大部分真空炉炉壳，采
6、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(11608601160760860760)=5.0656m 2（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：0=1.25()0.4式中:壳体圆筒计算壁厚（ mm） ；0DB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 23MPa，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
7、 是的弹性模量（MPa） ，查找数据得到 1.9/9.8103 MPa。计算结果： =13.6mm0该公式要满足一下两项条件方可成立，验证：；此处 =1.349 118 ；此处 2()0.40.523 ()0.4=0.01268条件均满足，则此公式成立， =13.6mm0b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
8、=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(11948941194794894794)=5.4510m 2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（m 2）4.4200 4.5246 4.6304 4.7374 4.8456 4.9550 5.0656 5.4510（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 C10.636KJ/(kg)和C00.486KJ/(kg)，它们的质量分别为 M 工 =14
9、0kg,M 夹 =10kg计算结果：Q 有效 =Q 工 +Q 夹 =（M 工 +M 夹 ）（C 1t1+C0t0）=（140+10）（0.63613000.48620）=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； 10.133； 20.110； 30.096； 4 5 60.5； 冷0.56。则计算辐射系数：热 1= 4.961 热 +热1(11-1)= 4.9610.151+1.3574.42( 10.133-1)=0.575/(24)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
10、F 热 =1.357m2同样计算得：12= 4.961 1+12(12-1)= 4.9610.133+4.424.5246( 10.110-1)=0.3216/(24)23= 4.961 2+23(13-1)= 4.9610.110+4.52464.6304( 10.096-1)=0.2712/(24)34= 4.961 3+34(14-1)= 4.9610.096+4.63044.7374(10.5-1)=0.4353/(24)45= 4.961 4+45(15-1)= 4.9610.5+4.73744.8456(10.5-1)=1.6657/(24)56= 4.961 5+56(16-1)
11、= 4.9610.5+4.84564.9550(10.5-1)=1.6656/(24)6冷= 4.961 6+6冷 (1冷 -1)= 4.9610.5+4.95505.0656( 10.56-1)=1.7915/(24)辐射系数计算结果如下表：项目 热 1 12 23 34 45 56 6冷辐射系数/(24)0.57500.32160.27120.43531.66571.66561.7915则Q1 61440FCFCT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。
12、由此可得各辐射屏的温度的验算：第一层： 1 404热Q 1热热 FC把各项数据代入上述公式，计算得T1=1599.6K，即 T1=1326.6；第二层： 2原理同第一层计算，可计算得T2=1473.7K，即 T1=1200.7；第三层： 3T3=1275.8K，即 T3=1002.8；第四层： 4T4=1069.2K，即 T4=796.2；第五层： 5T5=994.2K，即 T5=721.2；第六层： 6T6=755.1K，即 T6=482.1；水冷夹层内壁： 7T 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
13、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/ 1326.6 1200.7 1002.8 796.2 721.2 482.1 150b水冷电极传导的热损失 Q2：Q22124tdn31.010 3 408.224.2103（3020）12660.5KJ/h 式中：n水冷电极， n3;水的密度， 1.010 3KJ/m ;d水管直径，范围 0.0060.008m，取 d0.008m；水的流速，对于中等硬度水取 2m/s；t1冷却水出口温度 t130；t2冷却水出口温度 t220；一般规范要求一个水冷点击消耗功率在 0.51KW 之间，计算水冷电极消耗功率为 1.17KW，符合
14、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%）Q 1（5%10%）26017.113002602 KJ/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%）Q 1（3%5%）26017.17811300 KJ/h 此处取 Q3=800KJ/h综上所
15、述，则可得出 Q 损 ：Q 损失 =Q1+Q2+Q3+Q4=26017.1+12660.5+1500+800=40977.6 KJ/h热损失具体项目及数值如下表：项目 1 2 3 4 总损失损失热量/Q 26017.1 12660.5 1500 800 40977.63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隔热层的蓄热量第一层： 1G1= 钼 F1
16、b1=10.21034.420.310-3=13.53kg；Q1=G1CM(t1-t0)=13.530.259(1326.6-20)=4578.68KJ；第二层： 2G2= 钼 F2b2=10.21034.52460.310-3=13.85kg；Q2=G2CM(t2-t0)=13.850.259(1200.7-20)=4235.35KJ；第三层： 3G3= 钼 F3b3=10.21034.63040.310-3=14.17kg；Q4=G4CM(t4-t0)=14.170.259(1002.8-20)=3606.91KJ；第四层： 4G4= 钢 F4b4=7.91034.73740.510-3=
17、18.71kg；Q4=G4CM(t4-t0)=18.710.5041(796.2-20)=7320.89KJ；第五层： 5G5= 钢 F5b5=7.91034.84560.510-3=19.14kg；Q5=G5CM(t5-t0)=19.140.5041(721.2-20)=6765.51KJ；第六层： 6G6= 钢 F6b6=7.91034.95500.510-3=19.57kg；Q6=G6CM(t6-t0)=19.570.5041(482.1-20)=4558.73KJ；b炉壳内壁的蓄热：G 内 = 钢 F 冷 b 冷 =7.91035.06561710-3=680.31kg；Q 冷 = G
18、 冷 CM(t 冷 -t0)= 680.310.4682(150-20)=20703.88KJ；12 12可得：Q 蓄 冷21lqq4578.68+4235.35+3606.91+7320.89+6765.51+4558.73+20703.88151769.95 KJ/h 炉子各层蓄热量如下表：项目 1 2 3 4 5 6 内壁 总蓄热量蓄热量KJ/h4578.684235.353606.917320.896765.514558.7320703.8851769.954炉子功率的计算 炉子应供给的总热量： 1Q 总 Q 有效 Q 损失 Q 蓄 12733240977.651769.9522007
19、9.55KJ/h炉子总负载功率 P 总 ： 2P 总 =K =1.2 =73.36KW总3600 220079.553600因而可以取 P 总 =75KW空载升温功率： 3P 空 = 25.76KW损失 +蓄3600=40977.6+51769.953600=空载升温时间： 4= =0.192h蓄3600安热效率： 5= =57.86%=件总 127332220079.55（四）电热元件的选择及布置由于炉温最高温度达 1350，而加热元件的温度则为 14501500，因而可以选用钼丝作为加热元件，采用三相星接的方法，线电压为 380V，相电压为 220V。采用三段式加热，每段分配功率为： 1K
20、W=安=753=25因此，可每组分配功率为 25KW。同时可将一组分为几段，此处将分为一组6 段，一共三组 18 段。每段分配功率为： KW段 =256=4.2根据公式可以算出加热钼丝的直径： 2d=34.3322允 =34.334.2210.26.32202=2.88根据标准直径可以选择 d=3.0mm式中：P每段电热体上的功率（KW）额定温度下的电阻率（mm 2/m）V每段电热体的端电压（V）W 允 允许表面负荷率（W/cm 2） ，查表结果为 6.3 W/cm2计算电热体的总长度: 3单段电热体的长度：L=0.78510 -322=0.78510-32202324.210.2=7.988
21、.0电热体总长度：L 总 =8.018=144m计算电热体的表面积： 4由此可以得出，电热体的表面积为 S= dL 总 =1.357m2电热元件寿命的计算： 5=1.4610 -51.4610-5 1.4610-5 35447.1h= 10.23.01.2610-8=式中：电热元件使用寿命（h）d圆形电热元件截面的材料直径（cm）密度（g/cm 3）V为电热元件材料元素蒸发速率（g/(cm 2s)）,查表得到1.2610-8 g/(cm2s)（五）其他部件的设计计算1.冷却系统设计（1）冷却水消耗计算：Q 壳 Q 1+Q2+Q426017.112660.580039477.6KJ/hQ 散 7
22、80F 外壁 7805.4514251.48 KJ/hG 水 =0.42kg壳 -散(1-2) 39477.64251.484.2103(4020)V 水 = = m3水水 0.421.0=0.42（2）确定水在水壳内的经济流速和当量直径：假设器管内为软水，流速为 5.1m/s，则水流管的当量直径为：d=4= 40.4236001.5=9.5510（3）球对流热换系数：0.113 = =38.64 KJ/(h)(310)0.8 (3101010-31.5)0.81010-3（4）验算水冷炉壁得温度 壁t() 冷水带走的热量 N= = =9.78KW壳 -散360039477.64251.483
23、600t 壁 = t 水 = +20=29.55100205.7+ 205.79.7838.645.451因此符号要求2水冷电极水冷电极是将电能引入到炉内电热元件上的导电装置，水冷电极与炉室内电热元件相连，通过炉壳时要保证良好的密封，通常用真空橡胶圈或聚四氟乙烯圈密封。电极要有足够大得断面积，常用紫铜制造，在有水冷的情况下，电流密度允许值为 1018A/mm2。3观察窗观察窗是真空炉工作时用于观察工件受热情况得，要求结构简单，观察高度适宜，其尺寸的大小在满足观察视野的前提下，应尽量小些。观察窗上的玻璃要求耐温并有一定的温度。根据查表可以得到，观察孔的直径应选在 50mm，玻璃片的直径选为 67
24、mm，玻璃片厚度为 8mm。4热电偶测温装置热电偶作为测温和控温装置的感温元件，是真空热处理炉加热室要的测试装置，真空炉上要保证热电偶丝的引出必须符合真空密封的要求。由于真空炉的最高使用温度为 1350，所以应采用铂铑-铂（LB）热电偶，使用耐高温的高纯氧化铝或高级耐火陶瓷等作为保护材料。（六）真空热处理炉真空系统的设计真空热处理设备的真空系统通常由获得真空的容器（真空炉）和真空获得设备（真空泵机组） 、控制真空和测量真空的组件设备组成。分述如下：（1）真空泵机组，根据炉子工作压力和抽气量的大小，分别选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）在真空炉室和真空泵机组间配备的各种真空组件或真空元件，如阀门、过滤器、冷阱、波纹管、管路、密封团和法兰等。（3）为了测量真空系统的真空度，在系统的不同位置上设置测量不同压力的真空规管或其它真空仪表，如电离规管、热电偶规管。通常还设有真空压力表和其它真空测量仪表。（4）真空检漏仪器、真空控制仪器、充气装置等。真空系统设计时应考虑的主要因素：
