中温氮气烧结炉加热及通风系统设计

中温氮气烧结炉加热及通风系统设计

作者：xxx 指导老师：xxx

xxxx 大学 11级机制 合肥 230036

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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，完成了侧热式中温氮气烧结炉通风及加热系统的设计，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 烧结炉各种材料的选取

2.1 炉体保温层材料

除了有机保温材料外，其他保温材料都能耐高温，但各种材料所能承受的最高温度却有所不同，现今最常见的耐高温材料包括以下几种：硅酸钙管壳，硅酸铝棉毡，玻璃面，硅藻土，膨胀蛭石，矿棉等。由于本烧结炉要烧结DU 材料，炉壁的材料要求能够承受400℃左右的高温同时还要保证材料的经济性。

由于矿棉的长期使用温度高达700℃，其导热系数为0.045W(m·K) ，远远小于硅酸钙管壳，硅酸铝棉毡，玻璃面，硅藻土，膨胀蛭石，且其经济性较好故选用矿棉作为炉体的主要保温材料。里层选用耐热不锈钢板，外层选用不锈钢板。

2.2 炉门材料

由于炉门离加热元件较远，在保证密闭性的前提下，可使用发泡硅橡胶或者氟橡胶密封。在相同的条件下，出于经济性的考虑使用发泡硅橡胶，其具体参数如下：最高使用温度315℃，长期工作温度为-100℃- +250℃，耐氧化程度高。

炉门的保温材料的要求为耐高温和较为轻便和较低的导热系数，市场上可用的保温材料可选用玻璃面，硅藻土，膨胀蛭石，矿棉，硅酸钙管壳，硅酸铝棉毡，石棉等。出于以上的条件可选用玻璃纤布和石棉作为保温材料。具体参数如下：玻璃纤布；最高耐高温为550℃，导热系数为0.035Keal ∕m ·h ·℃和具有较高的耐腐蚀性。石棉长期的使用最高温度为500℃，导热系数为0.163+0.174*103 tW （m ·K ）。炉门内里材料选用耐热不锈钢，外层选用不锈钢。 2.3 风扇叶片材料

由于风扇的工作环境为靠近加热元件的位置，扇叶直接接受电热元件辐射，需要耐高温的材料加工的扇叶才能正常工作。出于经济性的考虑选用马氏体不锈钢2Cr12NiMo1W1V 。其化学成分为C 0.20-0.25，Si≤0.50，Mn 0.50-1.00 P ≤0.030，S≤0.025，Ni 0.50-1.00，Cr 11.0- 12.50，Mo 0.90-1.25，W 0.90-1.25，V 0.20-0.30，Cu≤0.30。密度为7780KG ∕m 3 。

2.4 炉体通风板及通风道材料

由于多空通风板和通风道在实际工作时，仅受到气流流通时所产生的力，且力的数值较

小，可忽略不计。出于经济性的考虑，将炉体的通风板和通风道的材料选用不受力的铁素体不锈钢材料。铁素体不锈钢具有良好的抗高温氧化性能，但他的高温机械性能不高。因此选用最常见的430型不锈钢。成分为1Cr17。

2.5 炉体受力元件材料

烧结炉风扇主轴及承载部分的主轴和托盘，不仅要考虑其耐热性还要考虑其力学性能，奥氏体不锈钢不仅具有良好的耐腐蚀性而且在540℃的条件下强度较高，出于经济型的考虑选用最常见的304钢，牌号为1Cr18Ni9Ti 。一般使用温度为815℃以下的环境。抗拉强度为σb ≧520MP ，许用弯曲应力[σ-1 ]=45MPa。

2.6 加热元件材料

加热元件按照其材质种类可分为金属电热元件和非金属电热元件。其中金属加热元件包括：铁铬铝丝，镍铬丝，镍铁丝及镍铜丝；非金属加热元件包括：碳化硅，硅钼棒,PTC 电热元件，电热涂料等。非金属加热元件一般用于1000℃以上的高温电阻炉，且需要变压器进行电压变换，而400℃的电阻炉若是使用非金属加热元件进行加热 ，则会造成极大的浪费，违背了经济性的原则，故此处不选用非金属加热元件。由于镍铬合金耐腐蚀能力强，具有较高的电阻系数，电阻温度系数较小，高温时的力学性能较好，且易于加工焊接，功率稳定，经济型较好。鉄铬合金电阻率较大，电阻温度系数较小，价格较低，但其质地较脆，加工性能较差。故选用镍铬合金。

在一系列的镍铬合金中，Cr20Ni80具有较高的电阻系数，高耐热性和高温强度且具有较小的线胀系数和电阻温度系数，长期使用时不会产生脆性断裂，经济性较好。故选用Cr20Ni80作为加热电阻丝的材料。其主要物理性能如下元件最高使用温度 1200℃，快速寿命:不小于80h ，熔点 1400℃，密度 8.4克/立方厘米，电阻率:软态丝材，600℃的电阻系数ρt 为1.139Ω·m 2 ·m -1 。 3 炉体机械部分

3.1 通风系统的设计

3.1.1 风扇系统的设计

为了能是温度均匀传递和提升，由于风扇可以自己加工，且可在各种恶劣的条件下进行工作，外界条件影响较小，效率高，经济性好等特点。考虑使用风扇进行热传导。因为风扇的扇叶在转动时，使扇叶和气体之间产生从相互作用，扇叶推动空气的气体向前运动，空气的流速会大于扇叶后的空气流速。根据液体及气体流速和压强规律，即流速大的地方压强较小。所以扇叶后方的压强大于扇叶前方的压强，在大气压强和扇叶的推动下形成了气流，再快速将电热丝表面产生的热量迅速传入炉膛，并使之与氮气快速混合，以达到快速升温的目的。载物台

及需要加热的工件的旋转，则使温度升高的更加均匀，使烧结效率和质量达到最好的效果。因此风扇在提高工件烧结质量的方面起着至关重要的作用，因此在设计是应给与足够的重视。经调研发现，风扇在工作时，风扇的主轴主要承受两个力矩：①由于扇叶在高速旋转时，空气阻力对转轴形成的阻力矩。②由于转轴生产加工和安装的误差产生的偏转半径，导致轴在高速旋转时产生的离心力矩。

但由于这两种力矩实际情况下数值太小，可以忽略不计。

风扇扇叶材料选用2Cr12NiMo1W1V ，密度ρ=7780㎞∕m 3将其制成厚度为2mm ，直径为300mm 的扇叶的总质量m=ρ·v=ρ· ·（d ／2）=1.099㎞。最大允许偏转半径5O 具体扇叶如图所示：

图一

风扇的转动需要电动机的带动，电动机仅仅带动风扇运转而不受其他的力的作用。所以在选用电动机时只要电动机能够带动扇叶旋转即可。考虑到Y 系列电动机是全用途封你自扇冷式笼型三相异步电动机，故选用Y80M1-4型。具体参数如下额定功率0.55KW ，同步转速1500r ／min ，4极，额定转矩2.4N ／m ，最大转矩2.3 N／m ，质量17㎏。

由于风扇的主轴需要有足够的长度通过保温层，所以先考虑保温层的厚度，才能考虑风扇主轴的弯矩。

有设计需求知，炉膛的最高温度使t 1=400℃，外壁温度t 2=40℃，室温t 3=25℃。 平壁以热传导的方式自内壁传导到外壁的热量为[1]

q 2=λ／s （t 1-t 2）

外壁以辐射和对流的方式传给车间空气的热量为[1]

q 3=a总2·（t 2-t 3）

因为是稳态传导热量，所以q 2=q3.

由此可得

S=λ（t 1-t 2）／a 总2·（t 2-t 3）

式中a

总

2 ----炉腔外表对空气的综合热系数，因为卢强外壁温度为40℃，此时

a 总2 不超过16 kcal·h ·C 。

故S=67.5mm≈68mm

由于风扇的主轴受到弯矩和扭矩的的联合作用，所以应分别计算出主轴的转矩和弯矩[11]。

ⅰ 转矩的计算

T=9550P／n=3.502 N／m

转矩图如下

图二

ⅱ 最大弯矩的计算

先计算主轴所受到的离心力 F=mv2／r

计算 主轴所受到的最大离心速度 V2=ω2r 2=mω2r=mr（2 f ） 计算偏转半径 r=L·Sin5°

由此得F=255N

计算弯矩M=F·L=27.54N／m

弯矩图如下图所示

图五

3.1.2 通风系统设计

如直接将加热元件所产生的热量吹入炉膛，会使保护气体从中间向上下两底面涌去，造成炉膛内的气体震动，影响产品烧结质量；也要在炉膛内形成空气对流，但是炉膛是一个密闭的空间无法产生多余的气体，所以就需要风道，使空气气体正常流通。

为此，现将加热元件产生的热气体通过风扇的引动，将热气体吸入通风道，在通风道中，使气流的热气体均匀化，在通过通风道将气体导流道炉膛内，以形

成对流，使气体在炉膛内正常流通。

在铁素体不锈钢能够满足使用条件的情况下，需要将通风道的形状及截面尺寸进行确定。风道的截面尺寸不能太大，若太大的话，热气流不能很好地进行混合，与当初希望的其混合均匀的意图相反；风道的截面尺寸也不能过小，过小的话是通风道受到的压力过大气体流动速度过大，也无法达到使气体均匀混合的目的。一般而言，气体的流动速度为0.01～0.1m ／s ，因此，借鉴一些成品的数据，将通风截面积设计为150mm*90mm。

具体形状如图所示：

图六

3.1.3 多空通风板的设计

因为热气流有自下而上流动的特性，为了使炉膛内的温升更加均匀，使工件被加热的更加均匀，因此将通风板设计成下大孔上小孔的密孔板。这样能使更多的热气流吹向下层。这样就能避免下层工件加热的不充分，又由于热气流向上升，也加热了工件，延长了热气流的流动路线，使工件得到热量充分均匀。多空通风板的具体图示如下

图七

3.1.4 炉门的密闭设计

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：

图八

4 炉体电气部分

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：

图九

5 烧结炉总装图

图十

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。我还要感谢在一起愉快的度过毕业的论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

参考文献

1 中国机械工程学会热处理学会. 热处理手册. 北京：机械工业出版社 ,2008. 2 阎承沛. 金属材料及热处理. 上海：上海人民出版社，1993.

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8 吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册. 北京：高等教育出版社，2012 9 Department of Dalian University of Technology School of engineering drawing.Mechanical drawing.Beijing: Higher Education Press，2007 10 Yuan Zehu, Guo Jing.Computer aided design. Beijing: Tsinghua University press，2012

11 Pu Lianggui, Ji Minggang.Mechanical design, Beijing: Higher Education Press，2001

Title Design of side heating and ventilation system of nitrogen sintering furnace

Abstract

Based on PTFE three layer composite self lubricating bearing materials sintering process requirements, this paper after independent thinking, draws a large number of heat treatment equipment data and the actual observation, the integrated use of mechanical design, mechanics of materials, mechanical engineering materials and computer aided design knowlege of the, completed the hot side temperature nitrogen sintering furnace ventilation and heating system design, calculation and description. It mainly includes the design of air circulation system design and fan system. The sintering furnace has the advantages of energy saving, environmentally friendly features, solar term, and can meet the needs of the market now. The sintering furnace is improved on the 151 furnace, can avoid the oxidation of materials in the sintering process and the uneven heating condition. The mechanical properties and performance of the sintered material increased. The comprehensive quality of the domestic advanced level of composite materials can be close to or reached the international similar materials.

Keywords ：Sintering furnace Ventilation system Heat type Efficient environmental protection