保溫式活性屏離子熱處理爐主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

馬峻麒

摘要：對保溫式活性屏離子熱處理爐的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的保溫材料和爐體材料，準(zhǔn)確計(jì)算出保溫式活性屏離子熱處理爐主體機(jī)構(gòu)中的保溫層厚度和爐體壁厚度，實(shí)現(xiàn)對爐體零部件和爐體結(jié)構(gòu)中冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮保溫式活性屏離子熱處理爐的重要作用，促進(jìn)生產(chǎn)過程的多功能化，體現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：保溫式；活性屏；離子熱處理爐；主體結(jié)構(gòu)

離子化學(xué)熱處理技術(shù)隨著我國信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，目前已經(jīng)在我國生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括離子淡化、等離子體化學(xué)氣相沉淀和離子氮碳共滲等不同的處理工藝，在企業(yè)的生產(chǎn)過程中應(yīng)用具有較好的質(zhì)量，處理速度相對比較快，不會產(chǎn)生污染和技能等特點(diǎn)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，充分發(fā)揮離子熱處理技術(shù)的作用，需要技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)對保溫式活性屏離子熱處理爐主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.確定爐體結(jié)構(gòu)中爐殼的外形和材料

保溫式活性屏離子熱處理爐是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛的一種生產(chǎn)設(shè)備，主要的組成部分是保溫式爐體、液壓升降系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。這種生產(chǎn)設(shè)備在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程中，最高的工作溫度是650℃，設(shè)備中的極限真空度小于1Pa。其中，保溫式活性屏離子熱處理爐中在離子滲氮時(shí)，最高溫度不足650℃。為了保證該生產(chǎn)設(shè)備在這種溫度下，仍然可以繼續(xù)長期進(jìn)行工作，在選擇爐體結(jié)構(gòu)外殼材料的時(shí)候，可應(yīng)用奧氏體不銹鋼材料。因?yàn)閵W氏體不銹鋼材料在工業(yè)生產(chǎn)過程中，相對于其他材料，具有較好的高溫強(qiáng)度、冷加工成形性、耐蝕性、可焊性和氣密性等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，大部分的離子熱處理爐的真空反應(yīng)室中的殼體基本都屬于鐘罩式結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿菀字圃?，而且具有較高的承壓能力。所以，在設(shè)計(jì)保溫式活性屏離子熱處理爐主體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，爐殼外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本上都是立式鐘罩形。

2.計(jì)算爐壁的厚度和爐體尺寸

保溫式活性屏離子熱處理爐的主體結(jié)構(gòu)中，采用的是保溫式反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。其中，反應(yīng)室內(nèi)的工件的加熱主要是利用活性屏進(jìn)行輔助加熱的，而反應(yīng)室外壁的保溫材料主要是利用保溫材料進(jìn)行覆蓋實(shí)現(xiàn)的。另外，僅僅應(yīng)用局部水冷的方法在爐體結(jié)構(gòu)中的冷卻部位進(jìn)行冷卻，例如爐體結(jié)構(gòu)中的電極和密封膠圈等冷卻部位進(jìn)行冷卻。在對爐體結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)室進(jìn)行了一定的保溫處理之后，不僅可以節(jié)水和節(jié)電，還可以有效的提高爐體結(jié)構(gòu)中反應(yīng)室中工件溫度的均勻性，對反應(yīng)室中的使用空間進(jìn)行了有效的擴(kuò)大。為了保證生產(chǎn)工件在經(jīng)過一定的處理之后，在進(jìn)行冷卻的時(shí)候加快冷卻速度，設(shè)計(jì)人員可在保溫式活性屏離子熱處理爐的反應(yīng)室和保溫層之間的風(fēng)冷通道。例如，對爐壁厚度進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，如果爐體結(jié)構(gòu)是圓筒形殼體，在計(jì)算厚度的時(shí)候，可利用圖解法和計(jì)算法。選擇比較簡單常用的圖解法，對爐壁的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路主要是：

（1）假設(shè)圓筒計(jì)算壁厚度值為S0，圓筒內(nèi)徑為DB，圓筒外徑為DH，圓筒的計(jì)算長度是L，需要決定比值L/DH和DH/S0。根據(jù)實(shí)際測量出的圓筒形或者球形鋼制外壓容器壁厚，計(jì)算出L/DH的比值，將此點(diǎn)按照水平方向進(jìn)行移動，相交DH/S0于一點(diǎn)。讓這點(diǎn)沿垂直方向移動，相交于在爐體結(jié)構(gòu)中所選的溫度線于一點(diǎn)，將這點(diǎn)沿水平方向向右移動，可以計(jì)算出系數(shù)B。

（2）按照一定的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)對許用外壓力的計(jì)算，公式為[P]=BS0/DH。對爐體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的壓力P和計(jì)算出的[P]值進(jìn)行對比，如果[P]

3.爐體結(jié)構(gòu)中保溫層的設(shè)計(jì)

為了保證保溫式活性屏離子熱處理爐功能的充分發(fā)揮，在設(shè)計(jì)爐體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要選擇合適的保溫材料。首先，爐體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的保溫材料，應(yīng)該滿足一項(xiàng)前提條件，就是符合工業(yè)生產(chǎn)中對物理和化學(xué)性能等工藝要求。在選擇的時(shí)候，應(yīng)該保證選用的材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、較小的密度、容易施工和較低的價(jià)格。例如，某生產(chǎn)工業(yè)保溫式活性屏離子熱處理爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，選用的保溫層材料是巖棉板，主要的原料是精選的玄武巖，利用高溫熔化加工制成的人造無機(jī)纖維，這種保溫層具有較低的材質(zhì)，較好的吸聲性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、較小的導(dǎo)熱系數(shù)和不燃等特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)對保溫層的設(shè)計(jì)之后，技術(shù)人員還需要對保溫層的厚度進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。一般情況下，計(jì)算爐體結(jié)構(gòu)中保溫層厚度的時(shí)候，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為3種。第一：按照允許的表面熱損失值進(jìn)行確定；第二：利用經(jīng)濟(jì)厚度法進(jìn)行計(jì)算確定；第三：按照保溫層的表面溫度進(jìn)行計(jì)算。例如，某工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中設(shè)計(jì)的的爐體結(jié)構(gòu)中，對爐體保溫層的計(jì)算，主要是按照保溫層的表面溫度進(jìn)行的。計(jì)算公式如下：

其中，D0是指管道外徑；D1是指主保溫層直徑；λ是指保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；a2是指保溫層外表面的放熱系數(shù)；t1是指管道設(shè)備的外表溫度；tk主要是指保溫結(jié)構(gòu)周圍空氣溫度；tw是指保溫層的表面溫度。

4.爐體結(jié)構(gòu)中冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

保溫式活性屏離子熱處理爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是十分重要的工作內(nèi)容。因?yàn)?，例如爐體中的一些密封部位，比如爐體中的觀察窗、底盤和電極等基本上是利用橡膠圈進(jìn)行密封的。一般情況下，普通橡膠圈的工作溫度在100℃之下，需要應(yīng)用局部水冷措施進(jìn)行冷卻。為了提高該生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)工作效率，在離子熱處理后的工件進(jìn)行冷卻的時(shí)候，應(yīng)用爐外風(fēng)冷，可在爐體中的保溫層和爐壁之間設(shè)置風(fēng)道。如需對工件進(jìn)行冷卻，秩序打開軸流風(fēng)扇，讓風(fēng)道中進(jìn)入流動空氣，帶走爐壁中產(chǎn)生的熱量，從而快速冷卻工件。

5.總結(jié)

根據(jù)保溫式活性屏離子熱處理爐目前在我國工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，不斷的對爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮爐體的重要作用，才能促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

6.參考文獻(xiàn)

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