毕业设计-粉末冶金电炉课程设计说明书.doc

粉末冶金炉课程设计说明书

起止日期： 2012 年 5 月 21 日 至 2012 年 6月 1 日

学生姓名
亮 亮
班级
金属材料092
学号

成绩

指导教师(签字)

冶金工程学院（部）
2012年 月 日
前 言
工业现代化的实质是工业生产科学化，其关键在于工业生产的技术化。设备是粉末冶金工业的物质基础和技术基础。粉末冶金工艺过程中的制粉、烧结、粉末锻造以及粉末冶金材料的热处理等都要应用到粉末冶金炉。掌握好粉末冶金炉热工技术，采用新的热工设备，对提高产品的产量和质量、节约能源、改善劳动条件以及促进粉末冶金发展均有十分重要的意义。
烧结工序是硬质合金生产过程中最后一道主要工序，也是一道关键工序。所谓烧结就是将粉末压坯加热到一定的温度，并保持一定的时间，然后冷却，从而得到所需性能的制品。烧结的目的是使多孔的粉末压坯变为具有一定的组织和性能的合金。烧结工序产生的废品一般无法通过后续工序进行处理，所以其工艺和设备的选择对烧结产品的组织和性能，有着重大的甚至是决定性的影响。自硬质合金产品问世以来，烧结作为硬质合金生产过程中最重要的工序，一直是人们研究的重点，各种促进烧结的方法和设备不断涌现，对改进烧结工艺，提高硬质合金产品的性能，降低能源消耗，起了积极的作用。 烧结设备和烧结工艺有着紧密联系。
真空烧结炉随着硬质合金烧结工艺的发展而不断改进，上世纪80 年代， 采用真空烧结炉生产的碳化钛合金产品， 不论硬度还是强度都优于氢气烧结炉生产的产品。目前真空烧结炉被广泛应用于中低档硬质合金产品的生产中。 我国硬质合金烧结开始广泛采用真空烧结工艺。在炉内压力小于大气压的条件下进行烧结，叫真空烧结。真空烧结炉分为真空烧结脱蜡一体炉，和脱蜡与真空烧结分开进行的单独真空烧结炉。目前，卧式真空烧结炉使用较广泛。

目录

前言……………………………………………………………1
设计任务书……………………………………………………………3
一、设计任务……………………………………………………………3
二、设计内容……………………………………………………………3
三、已知条件……………………………………………………………3
设计计算、说明书……………………………………………………4
一、确定炉型……………………………………………………………4
二、确定炉子尺寸………………………………………………………4
1、炉膛尺寸的确定 ………………………………………………4
2、炉衬隔热的材料选择 …………………………………………5
3、各隔热层、炉壳内壁的面积及厚度……………………………5
三、确定炉子的功率……………………………………………………7
1、炉子加热温度……………………………………………………7
2、加热曲线…………………………………………………………7
3、无功热损失的计算………………………………………………7
4、结构的蓄热量……………………………………………………11
5、炉子功率的验证…………………………………………………14
6、其他部件的设计及计算…………………………………………15
五、真空系统设计………………………………………………………17
1、根据设计技术条件,确定真空系统方案 ………………………18
2、真空炉必要抽速计算……………………………………………18
3、根据炉子必要抽气速率选择主泵………………………………20
4、选配前级真空泵…………………………………………………20
5、确定真空系统管及配件尺寸……………………………………20
后记 ……………………………………………………………………22
参考文献 ………………………………………………………………23

设计任务书
一、 设计任务
设计一台加热功率为100KW的硬质合金真空烧结炉。
二、 设计内容与要求
1、 炉体结构设计
包括炉型的选择、炉子结构的确定、炉体尺寸的计算、耐火（隔热）材料的选择、进出料系统的确定、冷却系统和炉架部分的确定等。
2、 电热元件设计
包括电热元件材质的选择、电热体结构尺寸的计算、电热体安装结构和尺寸的确定。
3、 真空系统设计
包括必要抽速的计算、真空系统的布置及真空泵的选择。
4、 辅助设备设计
包括测量和控制系统的选择、供电、供水系统的选择等。
5、 绘图
炉主体图1张，采用2#图纸。建议采用CAD绘制。

三、 已知条件
真空烧结炉技术参数：
项目
单位
指标
炉子有效加热尺寸
mm
900×600×600
最高温度
℃
1500
额定功率
KW
100
极限真空度
Pa
10-2

设计计算、说明书
一、确定炉型
采用卧式间歇式真空烧结炉
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×600mm，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50-150mm。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。从传热学的观点看，圆筒形的隔热屏热损失最小，宜尽量采用。
则：
L＝900＋2×(150～300)＝1200～1500mm L=1300㎜
B＝600＋2×(50～150)＋2×(50～100)＝800～1100mm B=1000㎜
H＝600＋2×(50～150)＋2×(50～100)＝800～1100mm H=1000㎜
据经验，我们取L=1300mm；B=1000mm；H=1000mm。
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，由于加热炉的最高使用温度为1500℃。这里我们采用六层全金属隔热屏，其中内二层为钼层，外四层为不锈钢层。
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300℃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：1500℃；第二层：1200℃；
第三层：900℃；第四层：600℃；
第五层：450℃；第六层：300℃；
水冷夹层内壁：100℃
最后水冷夹层内壁的温度为100℃<120℃，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0.3mm，不锈钢层厚度0.6mm。屏的各层间通过螺钉和隔套隔开。
第一层面积：
＝2×
＝2×(1300×1000＋1300×1000＋1000×1000)
＝7.20㎡

第二层面积：
＝2×
＝2×（1310×1010＋1310×1010＋1010×1010）
＝7.3326㎡
第三层面积：
＝2×
＝2×（1320×1020＋1320×1020＋1020×1020）
＝7.4664㎡
第四层面积：
＝2×
＝2×（1330×1030＋1330×1030＋1030×1030）
＝7.6014㎡
第五层面积：
＝2×
＝2×（1340×1040＋1340×1040＋1040×1040）
＝7.7376㎡
第六层面积：
＝2×
＝2×（1350×1050＋1350×1050＋1050×1050）
＝7.875㎡
（2）、炉壳内壁
炉壳采用双层冷冷却水结构，选用45号优质碳素钢。炉壳内壁面积：
＝2×
＝2×（1360×1060＋1360×1060＋1060×1060）
＝8.0136㎡
根据经验值取壁厚为:S＝10㎜
三、确定炉子的功率值
1、 炉子加热温度：1500℃
2、 设计加热曲线如下：
t
1450°
0°
900°
t1
t2

3、无功热损失的计算
（1）、通过隔热屏热损失Q的计算电热元件、隔热屏的黑度为：
＝0.95；＝0.096；
＝0.096；
＝＝＝＝0.55；＝0.6。
则导来辐射系数：
C＝
＝3.08J/(㎡·h·K)
其中F由前面算得，F为加热元件的表面积，
F=
同样计算得：
C＝
＝0.288kJ/(㎡·h·K)
C＝
＝0.5053kJ/(㎡·h·K)
C＝
＝2.1625 kJ/(㎡·h·K)
C＝
＝2.1625kJ/(㎡·h·K)
C＝
＝2.1624kJ/(㎡·h·K)
C＝
＝2.4421kJ/(㎡·h·K)
则
Q＝
＝
＝80479.85KJ/h
式中：
T——电热元件的绝对温度，按高于炉子工作
温度的100℃计算，即T＝1873K;
T——炉内壁的绝对温度，即按设计计算
得T＝423K。
各辐射屏的温度的验算：
第一层：＝－Q
把各项数据代入上述公式，计算得
T=1680K 即t=1407℃
第二层：＝－Q
把各项数据代入上述公式，计算得
T=1422K 即t=1149℃
类似计算，得：
t=854℃；t=685℃；
t=532℃； t=317℃；
t=151℃
验算结果与前面设计的各隔热层温度基本相近，符合要求。
（2）、水冷电极传导的热损失Q
Q＝
＝3×1.0×10××2×4.2×10×（30－20）
＝12660.5kJ/h
式中：
n——水冷电极， n＝3;
——水的密度，＝1.0×10Kg/m;
——水管直径，取d＝0.008m；
——水的流速，对于中等硬度水取＝2m/s；
t——冷却水出口温度t＝30℃；
t——冷却水出口温度t＝20℃;
C——水的比热，kJ／kg･℃
（3）、热短路损失Q
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，权据经验，这部分热损失大约为Q1的5％-10％左右，这里我们取：
Q＝8％Q＝8％×80479.85＝6438.4 kJ/h
（4）、其他热损失Q
其它热损失，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％-5％左右,取Q4＝(3％-5％) Q这里我们取：
Q＝5％Q＝5％×80479.85＝4024.0kJ/h
则：
Q＝Q＋Q＋Q＋Q
＝80479.85+12660.5+6438.4 +4024.0
＝103602.75 kJ/h
4、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。
炉子结构蓄热量是隔热层、炉床、炉壳内壁等热消耗之总和。
（1）、隔热层的蓄热量
第一层：
G＝
＝10.2×10×7.20×0.3×10＝22.3Kg
q＝
＝22.3×0.259×（1407－20）＝8010.9kJ
第二层：
G＝
＝10.2×10×7.3326×0.3×10＝22.4 Kg
q＝
＝22.4×0.259×（1149－20）＝6550kJ
第三层：
G＝
＝7.9×10×7.4664×0.3×10＝17.70 Kg
q＝
＝17.70×0.259×（854－20）＝3823.31kJ
第四层：
G＝
＝7.9×10×7.6014×0.6×10＝36.03 Kg
q＝
＝36.03×0.5041×（685－20）＝12078.2kJ
第五层：
G＝
＝7.9×10×7.7376×0.6×10＝36.68 Kg
q＝
＝36.68×0.5041×（532－20）＝9467.1kJ
第六层：
G＝
＝7.9×10×7.875×0.6×10＝37.33 Kg
q＝
＝37.33×0.5041×（317－20）＝5588.96kJ
（2）、炉壳内壁的蓄热量
G＝
＝7.9×10×8.0136×18×10＝1139.5 Kg
由于内壁温度由内到外以此降低，内部温度为100℃，外部温度为20℃。
则：
q＝1/2
＝1/2×1139.5×0.4682×（100－20）
＝21340.6kJ
于是：
Q＝
＝
＝45518.47kJ/h
5、炉子功率的验证 ：
炉子应供给的总热量：炉子加热温度：1500℃
设计加热曲线如下：
t
1450°
0°
900°
t1
t2

根据加热曲线转换炉子功率：
Q=45518.47÷3600=12.64Kw
Q=10362.75÷3600=28.78KW
Q =Q-Q-Q
＝80-12.64-28.78
＝58.58Kw
则炉子效率N
N＝(58.58÷100)×100﹪=58.58﹪
与炉子设计效率基本符合，则可采用。
6、其他部件的设计及计算
对于中小型加热炉，为了保证加热的均匀性，在炉膛的四周都安装加热元件，即两底面和两侧面都安装上加热元件，加热元件组成星形连接。
由于炉温最高温度达1500℃，而加热元件的温度则为1600℃，壳选用石墨棒为加热元件，加电压为200V。
根据加热室的形状尺寸，确定石墨棒的有效加热长度为L=900㎜,每个面上都布置有6根石墨棒，四个面上共4×6＝24根。每8根为一组进行星形连接，每组分配功率为25kw。
由公式R＝和F＝得：
F＝＝
＝12××25×10＝54mm
设石墨棒的外径D＝11㎜，则其内径：
d＝＝7.22㎜
为保证功率满足要求，取d＝8㎜。
根据计算，选用星形方式连接，石墨棒的外 D＝11㎜，内径d＝8㎜，电热元件在靠近炉口的部分其间距应稍小一些，以使炉口处温度不致过低。其电源为三相，使用磁性调压器。
7、冷却系统设计
（1）、冷却水消耗计算
＝
＝80479.85＋12660.5＋4024.0＝97164.35KJ/h
＝780×8.294＝6469.32 KJ/h
＝＝1.1㎏
V＝＝＝1.1m
(2)、确定水在水壳内的经济流速和当量直径
器管内为软水，流速为m/s，则水流管
得当量直径为：
d＝＝＝16㎜
（3）、求对流热换系数
＝0.113
＝0.113×
＝35.17KJ/(㎡·h·℃)
(4)、验算水冷炉壁得温度(℃)
＝＋
＝＋20＝20.7℃<100℃ 符合要求
N——冷却水带走的热量，
N＝＝＝25.2kw
（5）、冷却水的管道设计
l 进水管径的确定
进水管直径d＝12㎜，出水管径稍大些为
D＝16㎜。
l 回水管直径的确定
下水管道的流速
＝＝＝2.0m/s
则下水管道截面直径
D＝＝＝13.3㎜
取D=14㎜
（6）、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，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。
（7）、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。600－1100℃时可选用铝硅、高硅氧、石英玻璃。
（8）、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。本设计中一般用钨铼热电偶作为热电偶丝。使用耐高温的高纯氧化铝管作为保护材料。
五、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、密封圈和法兰等。
(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，如电离导管、热电偶导管。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。
1.根据设计技术条件,确定真空系统方案
根据所选的真空泵的极限真空度应比炉子工作真空度高1个数量级的原则,同时考虑到真空泵应在1-Pa真空度范围内有较大的抽气速率。所以,选取机械增压泵和机械真空泵组成的真空系统即:罗茨泵——机械真空泵机组。
2.真空炉必要抽速计算

＝5.7×10×
0.16×10×
＝47.83L/s
式中有些数据根据一般设定得；
S——炉子的必要抽速，即为了达到所要求的真
空度，从炉中抽出气体的速度(L／s)；
G——炉料重量(kg)，为171.875kg；
q——被处理材料所放出的气体量，换算成标准
状态下的气体体积(/100g)，通过查表可知钢
在标准状态下的放气量为0.15～0.65L/kg，取
0.60L/kg,即65 /100g；
q——炉衬材料单位体积中放出的气体量，换算
成标准状态下的气体体积(/)，取40 /L；
V——炉衬材料的体积(),隔热屏的体积为35.5dm
q——金属结构材料单位表面积上单位时间内放
出的气体量，换算成标准状态下的体积〔/（
·s)），因为一般炉内壁均为碳钢件，查表可
得q=9.31×10-6[L/s·]＝33.516 ；
F——炉子金属构件和炉壁的表面积（），F＝8.294㎡
P——真空度，即工作压强(Pa)，为0.133Pa；
τ——处理时间(s)，τ＝1h＝3600s；
n——热处理过程中的不均匀放气系数，一般取
为1.2，真空烧结时取为2
q——系统的漏气率，根据设计要求为
0.67Pa/h＝1.861×10Pa／s。
3.根据炉子必要抽气速率选择主泵
一般主泵的抽气速率约等于炉子必要抽气速率的2-4倍,考虑到本计算真空系统没有采用障板,过滤器等。阻力损失仅考虑管道和阀门,所以采取2倍炉子必要抽气速率即S=3S =143.49L/s
按S选取ZJ—150机械增压泵为主泵,其主要
技术指标为:
抽气速率150L/s
极限真空度6.7×Pa
4.选配前级真空泵
机械增压泵(罗茨泵)的前级真空泵的抽气速率
按下式算:
L/s
按S选取2X—30旋片式真空泵为前级泵,其主要指标为:
抽气速率30L/s
极限真空度6.7×Pa
5.确定真空系统管及配件尺寸
按所选择的机械增压泵和前级真空泵的性能规格,选取管道及配件如阀门等尺寸规格。
(1)、真空闽门
真空阀门的作用是用来调节气流或隔断气流，种类繁多，根据阀门的工作特性、传动原理、结构和用途。
对真空阀的基本要求：尽可能大的流导，密封可靠，操作简便，密封部件磨损性好长，容易安装和维护，有的还要求动作平稳快速，或者同时要求占据空间小等。
(2)、全属波纹管
金属波纹管又称弹性管，它可产生轴向变形，在真空炉上广泛应用于机械真空泵进口侧管道上，其作用是减少机械泵对炉体的震动；另外可用于补偿安装位置误差和热胀冷缩的密封连接件等。真空系统中，对于小型管路，也可用真空橡胶管或尼龙管内衬弹簧结构(金属丝网尼龙管)代替金属波纹管。
(3)、密封圈结构
密封图形式有几种,O型主要用于静密封,J型和O型主要用于动密封,此外还有金属圈和金属丝的密封结构。密封形式有静密封和动密封,其选用依工作
要求而定。
(4)、冷阶和过滤器
根据真空热处理炉的技术要求，提高真空系统的真空度和保护真空系统不受污染，系统中常附设冷阱(又称捕集器)、挡油器、过滤器等。冷阱可捕集真空炉油蒸气、水蒸气等气体，保护真空泵不受污染；如采用液氮冷阱．RJ提高真空度0.5-1数量级(对以Pa为单位而言)。过滤器又称除尘器，它的作用是防止真空炉产生的灰尘进入真空泵内污染真空泵油，一般安装在机械泵的入口端管道中。档油器通常装在袖增压泵或扩散泵的入口，一般用水冷，其作用是防止大量油蒸气返入真空炉内，污染真空炉室、隔热屏、加热元件和被处理工件。

后记
在本次课程设计中，我体会到，只有扎实的基础才能够按要求设计出合格的电炉。通过两周的课程设计，我们把理论应用于实际，把书本的转化为眼前的。这让我们感受到，尽管理论学的好，但是不一定实践就有优势。它考察的是大家的综合处理问题的能力。不能再纸上谈兵了。在此过程中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我们如何去完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督，相互合作，相互理解和鼓励。
课程设计是为我们走上正式岗位而打基础，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．通过这次课程设计，我们学会脚踏实地，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．今天的努力和汗水就是明天的工资和希望。
本次课程设计是我们独自完成的，完全按照书本知识自己琢磨，可以说是自己自主研发的一台设备了。此过程加深我们了对真空炉各个系统作用的理解，更重要的是让我们亲身体会到了设计的创新性和成就感，通过这次真空烧结炉设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次真空烧结炉设计工作的实际训练，从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了真空烧结炉设计等课程所学的内容，掌握真空烧结炉设计的方法和步骤，掌握真空烧结炉设计基本的模具技能，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，独立思考的能力也有了提高。通过此次设计我们都得到了量的改变质的提高，这是我们一笔宝贵的将有益终身的财富。
参考文献：
[1]徐润泽.粉末冶金电炉及设计[M].中南工业大学出版社:1989. 10-186.
[2]李灿.高鸿章.粉末冶金电炉[M].湖南冶金职业技术学院:2000.02-121
[3]吉责升.真空烧结炉[M].哈尔滨工业大学出版社:2005.40-87

24