1、 多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 1 页 共 12 页1多用途烧结炉机械系统设计作者：xxx 指导老师：xxxxxxx 大学 11 级机制 合肥 230036下载须知：本文档是独立自主完成的毕业设计，只可用于学习交流，不可用于商业活动。另外，有需要电子档的同学可以加我 2353118036，我保留着毕设的全套资料，旨在互相帮助，共同进步，建设社会主义和谐社会。摘要：基于 PTFE 三层复合自润滑轴承材料的烧结工艺需求，本文在经过独立思考，借鉴大量热处理设备资料和实际观察的基础上，综合运用机械设计，材料力学，机械工程材料和计算机辅助设计等方面的知识，完成了多用途烧结炉通风及加
2、热系统的设计，计算和说明。主要包括风循环系统的设计和风扇系统的设计。这种烧结炉具有节能，节气，环保的的特点，又能满足现在市场的需求。该烧结炉是对 151 炉的改进，能够避免材料在烧结过程的氧化和受热不均匀的情况。使材料烧结后的力学性能及使用性能有所提高。使国产复合材料的综合质量能够接近或达到国际同类材料的先进水平。关键词：烧结炉，通风系统，侧热式，高效环保1 引言:1.1 国内对三层塑料自润滑材料的需求 钢背-铜粉-改性 PTFE 三层复合自润滑轴承材料，国内一般叫做聚四氟乙烯轴承材料，国外统称为 DU 轴承材料。他的基体材料可以使铜也可以是钢并以球形青铜粉为中间层，改性的聚四氟乙烯为摩擦表面
3、层，牢固烧结在一起的三层自润滑复合材料。在现在的机械轴承产品中仅仅只有小部分已采用自润滑轴承，相信在不久的将来自润滑轴承将会以适应性强、耐 磨 、 经济等无可争辩的优势多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 2 页 共 12 页2而成为轴承行业主导产品。自润滑材料轴承的特点和优点如下：1 适用于无润滑油或者少润滑油的场合，可在使用期间不加润滑油保养或者少加润滑油保养，2 耐磨性能好，摩擦系数较小，使用寿命较长。3 具有适量的弹塑性，能够将接触应力分布在较大的接触面上，从而提高了轴承的承载能力。4 能够减少机械零件的震动，降低噪音污染，改善工作条件。5 动静摩擦系数一致，能够消除低速
4、状态的爬行现象，是机械的工作精度提高。6 在工作过程中形成转移膜，可以起到保护轴承的作用，不会出现咬轴的现象。1.2 国内使用烧结炉现状由于三层复合材料对磨轴的硬度要求较低，无论是经过调质处理的轴还是不未经过调制处理的轴都可以使用，从而使相关零件的加工难度得到了降低。经过常期的调查发现国产材料品质较低的原因，除了原材料的原因之外，塑化烧结技术的落后也是导致材料品质较差的主要原因。由于国产的复合材料的塑化烧结主要是在大气中进行烧结的，主要是使用上海实验仪器厂生产的151 炉进行烧结的，产量较低。其中在使用 151 炉烧结 DU 材料的工艺技术中具有以下的缺点：1 复合材料在塑化烧结时在大气中直接
5、进行，会使三层复合材料中的钢背和铜粉等金属在 400下产生严重点氧化现象，使复合材料的成分和组织结构产生变化，使产品的使用性能尤其是减磨性能的下降，同时也会使轴承的制造精度降低和后续处理的困难。2 151 炉的炉膛温度不均匀，部分空间会产生温差，使复合材料在烧结炉内塑化烧结时产生 15-20的温度差。由于复合材料的烧结温度区间较小，塑化烧结的温度过低时会使三层复合材料的表面聚四氟乙烯的塑料层塑化效果较差；反之如果烧结温度过高时会使复合材料表面的聚四氟乙烯的塑化层分解，这些情况都会使复合材料表面的自润滑塑料层的摩擦性能的降低，并由此使国产的复合材料产品的综合性能较低，无法满足我国机械领域度材料的
6、需求。3 国产 151 炉是底热式的烧结炉，其加热元件使放置在炉底的下方，在塑化烧结的过程中复合材料的表面的聚四氟乙烯塑料颗粒落入炉膛底部的加热元件上后，由于高温分解会产生剧毒的气体，造成环境的污染并可能危害人体的健康。鉴于以上的种种原因需要设计一种节能，节气和对环境有好的新型中温氮多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 3 页 共 12 页3气保护烧结炉，包括总体图，主要部件装配图，主要零件的工作图。侧重于加热循环系统的设计，即风循环系统，风扇系统的设计。2 设计目的、设计思想及需解决的关键技术难题2.1 设计目的本文的研究目的是开发一种节能节气和对环境友好的多用途烧结炉和配套烧
7、结工艺改进国产三层复合材烧结技术，避免材料在高温塑化烧结处理中氧化，改善材料的加工性能和使用性能，提高国产三层复合自润滑轴承材料及其制品的综合质量，使接近或达到国内同类产品先进水平2.2 设 计 思 想在 研 究 方 法 上 我 们 采 取 了 缺 点 列 举 法 的 创 新 思 想 ， 针 对 国 内 目 前 使 用 的 开 式 烧结 工 艺 及 烧 结 炉 的 缺 点 和 存 在 的 问 题 ， 充 分 考 虑 了 氟 塑 料 对 控 温 精 度 和 烧 结 气 氛 的要 求 ， 在 查 阅 了 大 量 国 内 外 有 关 技 术 资 料 的 基 础 上 ， 吸 取 国 内 的 先 进 烧
8、 结 原 理 及 工艺 技 术 的 先 进 经 验 ， 同 时 考 虑 到 国 内 行 业 目 前 仍 以 较 小 规 模 产 值 的 间 断 生 产 为 主 ，因 此 多 用 途 烧 结 炉 设 计 成 适 合 企 业 需 要 的 间 断 生 产 用 全 封 闭 结 构 。 为 防 止 烧 结 过 程中 三 层 复 合 材 料 的 氧 化 ， 采 用 全 封 闭 状 态 烧 结 ， 并 要 求 达 到 一 定 的 真 空 度 ； 为 满 足操 作 方 便 的 需 要 ， 设 计 了 大 尺 寸 侧 开 式 门 结 构 ； 为 减 轻 炉 体 的 质 量 ， 便 于 搬 运 和 移动 ， 外
9、部 采 用 矿 棉 类 轻 质 保 温 材 料 。2.3 需要解决的关键技术难点由于研制多用途烧结炉的技术起点高，为研制出合乎使用要求的理想设备，必须解决以下技术关键问题：1 为使三层复合材料在最佳温度下塑化烧结，如何在炉膛内减小温度场的分布梯度，使炉内温度充分均匀、温度波动达到最小2 为避免烧结高温下炉内三层复合材料的氧化，如何设计大尺寸炉门的静态封闭结构以及炉内外伸传动元件在高速运转下的动态密封结构，并达到一定的真空度要求，使设备在长期工作中保持可靠的封气和隔热效果。3 如何提高炉膛内塑化烧结区的温度控制精度，以满足氟塑料充分塑化对控温精度的要求。4 如何避免在炉膛内特别是炉底部出现局部高
10、温区，在保证撒落到炉底的氟塑料颗粒不过热分解出剧毒的氟化氢气体，以避免对操作人员造成身体伤害和对环境的污染。为解决多用途烧结炉研制中的这些技术难题，我们在对设计方案进行充分论证的基础上，运用所掌握的跨学科知识优势，科学的采用新技术和新材料，对一些技术关键点还通过试验验证来指导设计的改进优化和新材料的应用。经过不多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 4 页 共 12 页4懈努力、密切协作和艰苦攻关，最终圆满完成率多用途烧结炉的任务3 多用途烧结炉机械系统总体结构设计3.1 炉体的整体设计多用途烧结炉的整体设计不仅考虑到使用性能的实现，还考虑到外观几何结构和色彩搭配等对人的视觉效果。
11、其炉体采用焊接式钢架结构、钢板外壳、不锈钢内胆中间用矿棉作隔热保温介质。炉门采用石棉、玻纤布和耐热橡胶组成的三重复合隔热密封机构。正面左侧为电控操作面板，面板后箱体空腔内为电器柜和风机电机，转盘传动结构和真空泵置于炉体底部的横梁上。进气口位于电机风机的上方，出气口位于炉顶不气阀的下方。炉顶设置二支测温传感器。位于电器柜顶部的排风轴流风机用于排出仪表内部的热量，考虑到电热丝的维护方便，工作转盘设计成可拆卸拼装式结构。下面对主体结构部分进行具体分析：3.2 炉膛内温度场强制均化设计三层复合材料的塑化烧结质量对烧结温度的温度的波动较为敏感，烧结温度不够或过烧都严重影响三层复合材料的使用性能。因此，多
12、用途烧结炉炉体设计中首先要解决温度场分布的均匀性和温控精度问题。为了保证工作受热均匀，经反复的试验探索，多用途烧结炉采用图 3 所示的结构独特的气流循环风道和热源布局设计。首先是将传统的底置电加热元件侧立设置在气流循环通道的风口上，风机直接安装在侧立式加热元件后面，当风机旋转式可将加热元件上的热量迅速插入侧顶部风道，热气流在风道内均化后，通过右侧不等间距通风孔板，均匀送入炉膛，工作转盘及工件旋转则进一步是温度场气化均匀。这种结构设计突出优点是：（1）使炉内温度场很好的均匀性。（2）不会像传统箱式炉如 151 炉那要出现底部高温区，避免了撒落的氟塑料颗粒分解产物污染毒化环境的可能性，保证了操作人
13、员的身体健康不受损害。（3）作为热源的电炉丝产生的热量立即被后置的风扇气流带走，发热体表面的温升比较小，从而大大延长了电炉丝的使用寿命，从此也提高了烧结炉的使用可靠性。3.3 炉门及其它传动件的密封设计多用途烧结炉主要用于三层复合材料板材的烧结，由于三重复合材料板材在装炉卸炉时需要的操纵空间较大，也要求较大的炉门尺寸。如我们研制的新型炉的炉门尺寸达到 700900mm。而要保证三层复合材料在烧结过程中不产生氧化，炉体必须设计成全密封结构。因此，烧结高温下大尺寸炉门的密封的实现也成了新型炉设计的一个关键。由于制作成本的限制，这种大尺寸炉门不可能加工的十分平整，因此保证其密封的最佳途径是采用弹性密
14、封材料。但是常规的橡胶或弹性体材料无法承受新型烧结炉的工况条件。首先我们应用传动多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 5 页 共 12 页5学的知识，设计出三重复合密封的炉门结构，其内层采用了两道用石棉和玻钎布构成的耐高温隔热挡圈，以有效阻止炉膛内的热量沿门框间隙向外传导，最外层选用了耐热性能良好的发泡硅橡胶密封圈，在拧紧把手关紧炉门的情况下，达到良好的隔热封气效果。利用这种复合炉门密封结构我们成功的将炉门外壁温度控制在 60-80以下，并能承受在约 300打开炉门时热气流的冲击而长期可靠的稳定工作。综合运用传热学知识，内层采用两层石棉和玻璃布材料构成耐高温隔热保温圈。有效的阻止
15、炉膛内的热量散失，最外层使用了发泡硅橡胶密封圈，是的炉门在锁死的强狂下达到良好的保温隔热效果。具体设计如图所示：3.4 门扣的设计为了解决炉门的高温密封问题，我们发挥了人才和知识的优势，出谋划策，动脑筋想办法，最终在高温烧结炉的炉门设计上成功实现了高分子弹性材料的应用，经济且可靠的实现了炉门的密封，具体门扣零件图和装配图如下：图一多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 6 页 共 12 页6图二图三图四4.炉体电气部分4.1 炉子功率的计算烧结炉一般为电阻丝炉且属于间歇式工作式炉。电阻炉的公路大小与升温时间，工作室尺寸，路子的结构等因素有关。设计时可以采用热平衡法进行设多 用 途
16、烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 7 页 共 12 页7计计算，也可由经验法设计计算。由于经验计算法计算简便，部分影响因素可由经验法进行确定，理论计算法比较精确，但是计算方法较为复杂，部分影响因素无法考虑，所以本次计算选用经验法。根据经验法公式来计算功率：比例系数 C=25（kwh 0.5）m 1.8C1.55，为了达到最大效率，所以加热时间为 0.5h，工作室尺寸 1100*900，加热温度 400。P=C F0.9（ ） 1.555.0升1tF= +2dh2）（由上式得 P20KW4.2 电热丝功率的计算表面负荷是指电热体单位表面积的复合功率，他是影响电热体的使用寿命的重要标准。如果
17、表面负荷较小，加热元件表面的温度就低，则消耗的材料就多，即电热丝的长度就会变大。另一方面，如果便面复合过大，又会使电热体与工件之间的温差增加，使电热体经常处于高温的情况，使使用寿命降低。所以表面负荷的设计是十分重要的。本炉的加热元件的散热以空气对流来实现。因此将加热元件放置在风道的入风口出，可是电热体的承受较大的表面负荷的情况下，表面温度不会过高。当加热原价的温度400时 从相关手册中查到，直径 1.2mm 的电热丝表面负荷为 w=5.5Wcm 2。根据前面公式得到加热元件的总体功率为 20KW,使用三相交流电供电，相电压为 v=220V，每一相分配到的功率为 6.667KW，且有两根电热丝承
18、担，故每根电热丝的功率为 3.334KW。x根据热处理手册得：d=34.4 =1.2mm32wvt所以电热丝的电阻是：Rt= =14.52 )*10(3XU单根电热丝的长度参数截面积：S= r2 =1.130单根电热丝的长度：I= =14.4mtRS4.3 电热丝的放置由于烧结炉使内热式结构，且电热丝太长，将电热丝先卷成螺旋状，在将螺旋状的电热丝卷在陶瓷制成耐火材料棒上。制成侧立式的加热元件板，放置在炉膛的侧壁的风扇吸气口处。具体螺旋缠绕电热丝排列板如图所示：多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 8 页 共 12 页85 保温层厚度设计保温层厚度的计算：参数：炉内温度 t1=40
19、0炉外温度 t2=40平壁以传导方式从内壁传到外壁的热量：q2= （t 1 t2）/s外壁以辐射和对流方式传给车间空气的热量：q3= 总 2（t 2- t2） 其中 t2:为车间温度，取 20 总 216 千卡/m 2 时 2稳定态传热q 2=q 3/s （t 2 -t1）= 总 2（ t2- t2）=0.042 0.18610-3t t=400（0.0420.18610 -3400）360/s=1520多 用 途 烧 结 炉 机 械 系 统 设 计 第 9 页 共 12 页9s=140mm材料选择矿棉。6 多用途烧结炉的主要技术特色多用途烧结炉主要技术规格温控及温度报警范围 室温400温度精
20、度 3工作室尺寸 1100高 900载物盘 10004 层总功率 21KW 三相(380V/50Hz）转盘转速 710 转/分承载 250kg多用途烧结炉的重要技术参数在上表中列出，其主要技术特色有：1. 炉体内部采用全封闭结构，烧结全过程用氮气保护，并采用预抽真空后充氮气的方式，最大限度的减少颅腔内残留的空气量，显著减缓和避免聚合物和金属的氧化，大大提高复合才来哦的外观质量和使用性能。2. 温度控制系统采用可控硅全控电路和高精度智能调节仪。电路设计的双重独立超温报警断电系统具有高安全性和可靠性。3. 设置了专用热气流循环通道和强制热循环均化系统，使炉内温度场充分均匀4. 电加热元件采用内置侧
21、立式结构，不仅具有加热速度快，热效率高的特点，电加热元件采用内置侧立式结构，不仅具有加热速度快，热效率高的特点，而且不会在炉底产生局部过热区，避免氟塑料类高聚物散落底部是过热分解所产生的有毒气体对人体的伤害和对环境的污染。5. 颅腔容量大，可一次烧结 1015板材，约为现行使用 151 型高温烧结炉的 34 倍，而加热功率仅增加 1/4，且塑化烧结时间缩短，生产效率及节能效果非常显著。6. 该装置不仅用于氟塑料类复合材料的烧结，亦可用于烧结温度在 400以下，有控制气氛要求的其它塑料烧结以及金属材料和镀层的热处理。保护气氛可采用氮气、二氧化碳、氩气等多种气体。烧结炉总装图：多 用 途 烧 结
22、炉 机 械 系 统 设 计 第 10 页 共 12 页10结论 经过三个多月的长时间努力，在此期间，我阅读了大量文献，收集了大量有关热处理炉和复合材料的资料。运用总-分-总的设计思想，综合运用 CAD，机械工程材料，热处理炉和机械设计的相关知识完成了此次氮气烧结炉加热及通风系统设计。主要解决了当前上海仪器厂生产的 151 炉对于材料烧结工艺的不足。着重改善了 151 炉通风及加热系统中存在加热不均匀现象，其中使用了风扇，通风板和通风道，改善了热气流上升问题和热气流不能多方位加热材料的问题。电热系统改善了电热丝排布过密问题，使材料的烧结工艺能够赶上国际水品致谢本研究及学位论文是在我的导师周杰敏老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。周老 师 不 仅 在 学 业 上 给 我 以 精 心 指 导 ， 同 时 还 在 思 想 、 生 活上给我以无微不至的关怀，在此谨向周老 师 致 以 诚 挚 的 谢 意 和 崇 高 的 敬 意 。
