承压容器壳体的结构设计和工艺分析.docx
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承压容器壳体的结构设计和工艺分析
承压容器壳体的结构设计和工艺分析
专业：
机械设计制造及其自动化
学生：
指导老师：
完成日期：
扬州大学广陵学院
摘要
本文介绍了压力烧结炉结构机理、性能及应用，着重从炉体结构、尤其是简单的技术参数，提高压力烧结炉的设计质量。
压力烧结炉可以实现自动连接脱脂、真空烧结和加压烧结工艺；具有气氛调节功能、炉内分压控制，实现恒压烧结；专用圆形脱脂密封炉胆有利于改善炉温均匀性；定向气流脱脂，强化脱脂效果；实现各种安全联锁，特别是超温超压多充保护。
同时介绍了自己从理论知识走向实际工作的一些变化，特别是在实际工作中对数据的把握和对制作方法的学习都与书本知识相差很大。
工作也让自己更加熟练的使用CAD这个最基本的绘图软件，同时在设计绘图的过程中，更加能够结合实际生产，避免错误设计和多余设计。
关键词：
压力烧结炉；结构设计；计算方法；脱脂；保护；理论知识；实际工作。
Abstract
Thispaperintroducesthestructuremechanism,performanceandapplicationofpressuresinteringfurnaces.Especially,thebodystrctureandsimpledesignapproachetc.areemphasizedtoimprovethedesignandfabricationquality.Pressuresinteringfurnacecanbeautomaticallyconnectedtoadifferentialpressuredegreasing,vacuumsinteringandpressuresinteringprocess;hasaregulatoryfunctionoftheatmosphere,thepartialpressureofthefurnacecontrol,constantpressuresintering;specialroundskimmedsealedfurnacewillhelptoimprovetemperatureuniformity;directionalairflowskimmed,skimmedstrengtheningeffect;implementvarioussafetyinterlocks,especiallyover-temperatureoverpressuremulti-chargeprotection.
Alsointroducedsomechangeshimselffromtheoreticalknowledgetopracticalwork,especiallyinthegraspofthepracticalworkandstudyofdataonproductionmethodsareverydifferentandbookknowledge.WorkalsomakeyourselfmoreadeptatusingthisbasicCADdrawingsoftware,whiledrawinginthedesignprocess,themorecapabletheactualproduction,toavoiddesignerrorsandredundantdesign.
Keywords:
pressuresinteringfurnace;structuraldesign;calculationmethod；Skimmed；Protection；Theactualwork;theoreticalknowledge。
目录
摘要2
Abstract3
第一章绪论5
第二章压力烧结炉的设计原理6
2．1工作原理及特点6
2.2设计参数6
2.3结构设计9
2.3.1炉体部分设计10
2.3.2炉门、夹箍10
2.3.3炉内构件11
2.3.4炉体两端密封11
2.3.5炉门铰链11
2.3.6炉体支座12
2.3.7液压缸的选用12
2.3.8操作系统12
2.3.9设计计算13
2.4烧结炉体的制造13
2.4.1制造方案及要求13
2.4.2制造难点13
第三章实际装配15
3.1实际尺寸15
3.2装配过程15
第四章结束语16
第五章参考文献、附表17
第一章绪论
近年来，众多厂家纷纷扩大再生产，各种规格的压力烧结炉使用，其原因主要是通过压力烧结炉烧结的原件得到了广泛的应用，特别适用于科研、军工等对难熔金属如镍、钼基合金粉成型烧结。
。
同时，对此类设备的要求也越来越高，这就要求在设计方面不断改进，从明显的节能效果、合理的结构、操作维护方便入手，不断地手机用户反馈意见，缩短设计周期，提高设计质量。
第二章压力烧结炉的设计原理
2.1工作原理及特点
压力烧结炉经过抽真空后出入氩气保护，通过点击口内接石墨加热器，通入70V、2000A电流对炉内进行加热，使硬质合金刀头及各种金属粉末烧结成型，少解释炉内温度可达到1000～1600℃，形成完全闭合烧结状态。
其特点是：
（1）烧结过程中减少产品氯化几率，炉温均匀，恒温区大，保证炉内压力恒定；；
（2）清楚吸附在金属及金属粉末中的杂质；
（3）使硬质合金制品具有优良的组织结构、强度、硬度、密度；
（4）是先进的冶金烧结工艺和提高硬质合金质量的手段，能保证大批量生产过程中产品质量恒定。
2.2设计参数
承压容器壳体的技术特性参数见表1.
表1
基本数据
容量
夹套
内盘管
容器
夹套
内盘管
设计压力
6.5/-0,1
0.5
0.5
容器类别
类
工作压力
6/-0.06
0.45
0.45
物料名称
氩气、氨气、氢气
水
水
设计温度
200
80
80
物料特性
无毒、易爆
无毒、不易爆
无毒、不易爆
最高/最低工作温度℃
150
50/5
50/5
重量㎏
空重
～7873
水压试验压力MPa
8.89
0.63
0.63
其中不锈钢
气密性试验压力MPa
6.5
/
/
充满水重
～8933
氨检漏试验压力MPa
/
0.53
/
操作重量
全容积m³
～0.95
0.11
0.0036
操作次数
10000
换热面积㎡
～5.28
～1.34
使用年限（预计）
年
法规
TSGR0004-2009<固定式压力容器安全技术监察规程>
设计标准
GB150.1～GB150.4-2011《压力容器》
主要受压元件材料
Q345R（正火）\16Mn
\16Mn
设计数据
腐蚀裕量㎜
2
0
保温
材料
焊接接头系数
1
0.85
1
厚度㎜
安全阀开启压力MPa
6.2
/
/
油漆
部位及材料
爆破片爆破压力MPa
/
/
/
标准
JB/T4711-2003
脚焊缝焊角尺寸等于较薄板厚度,管法兰与接管焊接按相应法兰标准
制造检验及验收
标准,规范
GB150.1～GB150.4-2011《压力容器》\TSGR0004-2009<固定式压力容器安全就似乎监测规程>
材料要求
锻件按NB/T47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》及NB/T47010-2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》标准制造，检验和验收。
材料无损检测
爆破片爆破压力
NB/T47015-2011
产品焊接试板
NB/T47016-2011
焊接接头无损检测
容器
类别
A、B涉嫌监测长度为每条焊缝总厂的100%
标准
A、BJB/T4730.2-2005、
级合格，透照质量不应低于AB级
类别
C
D100%磁粉检测
标准
C
DJB/T4730.4-2005、
级合格
夹套
类别
A、B射线监测长度不少于每条焊缝总厂的20%，且不小于250㎜
标准
A、BJB/T4730.2-2005、
级合格，透照质量不应低于AB级。
类别
C
D
标准
C
D
内盘管
类别
B射线监测长度为每条焊缝总厂的100%
标准
BJB/T4730.2-2005、
级合格、透照质量不应低于AB级
类别
C
D100%渗透监测
标准
C
DJB/T4730.5-2005、
级合格
热处理该设备炉门、快开法兰与内筒体、夹套筒体与接管组件组焊后惊醒消除应力热处理，热处理后不得在上述受压元件上施焊。
管口及制作方位
见本图
包装及运输
按JB/T4711-2003
其他要求
1、内筒制成后惊醒水压试验，合格后再焊夹套并惊醒夹套水压试验。
夹套水压试验合格后再对夹套进行氨检漏试验，试验方法按照HG/T20584-2011附录A中的C法。
2、卡箍连接处的法兰、炉门、卡箍的齿部或凸缘转角处在加工完成后应进行磁粉检测，结果符合JB/T4730.4-2005，
级合格。
3、定期检查法兰、炉门、卡箍齿部的磨损情况，并定期对齿部的转角处进行磁粉检测。
4、卡箍连接系统的应设有安全联锁装置并符合TSGR0004-2009《特种设备安全结束规范》中3.20条的规定。
5、应将操作的总次数详细记录。
注：
1、安全阀的型号及规格由用户单位根据工艺确定，因安全阀为用户自行采购。
用户现场气密性试验时应将安全附件装备齐全。
气密性试验时安全阀设定压力为6.2MPa。
2、本设备最大允许工作压力为6.6MPa。
3、本设备中管口A夹套内工作压力为常压，介质为5～50℃的水。
该腔体按NB/T47003.1-2009《钢制焊接常压容器》设计、制造，该腔体夹套焊接接头系数去0.7.
焊条表
手工电弧焊焊条牌号焊接接头坡口形式及尺寸见本图，其余按GB/T985.1-2008。
材料
Q345R
16Mn
（
）
20
Q235-A
S30408
（0Cr18Ni9）
Q345R
J507
J507
J427
J427
A302
16Mn
（
）
J507
J507
J427
J427
/
20
J427
J427
J427
J427
/
Q235-A
J427
J427
J427
J422
/
S30408
（0Cr18Ni9）
A302
/
/
/
A102
Q345R之间焊丝钢号：
H10Mn2.焊剂：
HJ431
2.3结构设计
就如何确定合理的设计方案，选择了一种参数的烧结炉为例，烧结炉主要结构示意图见图见图1.
图1
规格：
炉体内筒体内径：
Ф900mm
夹套筒体内径：
Ф1132mm
两端设备法兰密封面的间距为：
1184mm
烧结炉炉体主要分为以下几部分：
（1）炉体。
由内筒体、夹套筒体、路段凸齿法兰及工艺管口组成。
（2）炉门。
由凸齿端盖、水冷夹套盖、冷却盘管、工艺管口及支撑构件组成。
（3）夹箍。
由凸齿夹箍、连接块、感应块、防滑块等构件组成。
（4）炉内构件。
内壁隔热层、冷却盘管、冷却隔热层、屏蔽板组成。
（5）炉门铰链。
由轴承、轴、液压缸以及连接件组成。
（6）支座。
主要以支撑板、垫板及液压缸固定座组成。
以上六部分是烧结炉的结构布局，是烧结炉主要设计环节，其组成结构紧凑，空间利用率高。
在设计过程中遵守的标准规范：
GB150-1998《钢制压力容器》，JB4732-1995《压力容器——分析设计标准》及《压力容器安全技术监察规程》1999版。
2.3.1炉体部分设计
（1）为防止炉壳体壁温升高，炉体外壁设有夹套筒体，两端炉体法兰内壁设有水夹套，通过循环冷却水，降温炉体壁温度。
炉体法兰内壁开槽，为防止冷却水循环短路，开槽后内焊接隔板，使循环水在槽内均匀流动，确保炉体法兰壁温均匀。
设计时先计算出炉体内简体及夹套筒体的名义厚度（内筒名义厚度：
当设计压力不大于7MPa时，名义厚度=圆整后的名义厚度+2～3mm；当设计压力大于7MPa时，名义厚度=圆整后的名义厚度+4～6mm；），以确定炉体法兰根部结构尺寸。
（2）炉体上嗲几口，以往采用碳钢接口，电极通过绝缘密封连接，当与电源连接时产生电磁感应涡流，不但耗电量大增，而且时管口周围温度升高，在局部区域内超出设计参数，造成不安全隐患。
问解决这一问题，设计时应采用无铁磁性材料，次管口的加强管及法兰采用不锈钢锻件，材料为0Cr19Ni9。
（3）对于公称直径较大的抽真空口，应按设计条件对法兰惊醒校核计算，对法兰计算时往往会出现与条件不符，这时要及时反馈，修改抽真空口条件尺寸。
（4）炉体上摄制热电偶口，检测盒控制炉体内的温度；设置炉壁温传感器口，时刻检测炉体壁温的变化，将信号传到控制器，将炉体壁温控制在一定的范围内。
通过信号转换完成自动控制。
炉体上摄制充放气口、压力变送器口，控制炉体内部的压力。
（5）炉体上所有工艺管口的开孔补强计算应留不小于25%的余量；电极口的连接尺寸应与所配电极尺寸保持一致，其外伸高度不得随意更改。
2.3.2炉门、夹箍
（1）炉门、夹箍及炉体法兰对不同直径的烧结炉，当设计压力及温度波动不大时，可用类比方法进行结构尺寸设计。
（2）炉门夹套盖上加工冷却水螺旋槽，同样是为防止水循环短路，开槽后内焊接隔板，使循环水在槽内均匀流动，确保炉内壁温均匀。
2.3.3炉内构件
（1）如图2所示，在炉体内筒体内表面铺设一层约7mm厚的石墨纤维碳毡，在其表面布置一组冷却旁观；在冷却管表面再铺设一层10～25mm石墨硬毡作为绝热保温层，最后铺设一层2mm铜板，起到屏蔽隔热的作用（以前在设计中是冷却管直接接触热源，这种方法会使热量被冷却管吸收较多，起不到隔热作用，同时造成炉内热量流失）。
图2炉内构件
（2）炉内冷却盘管所选用材料：
当炉内设计压力不大于7MPa时，炉内盘管应采用紫铜管，因紫铜管导热性能好，这里值得注意的是铜管标准只提供了最大温度为65℃的许用应力值及B值，在设计时要留一定的余量；当炉内设计压力大于7MPa时，炉内盘管应采用不锈钢钢管，因不锈钢钢管可承受较高的外压。
2.3.4炉体两端密封
在设计时两端密封采用了蛇形密封垫，因这种结构密封垫可同时承受内外压，对壳体内抽真空时受密封面的压紧力作用，完全达到密封效果；当壳体受内压时，由于两端法兰密封槽内有通向壳体的圆孔，壳体内压力升高时，密封垫产生自密封效果，压力越高，自密封效果越好。
2.3.5炉门铰链
（1）炉门铰链的支撑：
设备支座支撑炉门的质量；设备夹套简体承受一部分炉门的分力；夹套筒体内部用支撑框架支撑夹套筒体。
这三个部分通过炉门铰链连接完成炉门的连接（图3）。
（2）炉门铰链为轴连接，上部采用单列球轴承，承受轴的径向力（炉门的水平分力）；下部采用圆柱滚子轴承，承受轴向力（炉门的重力）。
（3）炉门铰链框架：
当炉门质量不大于3000kg时，框架所用钢板厚度应为8mm；当炉门质量大于3000kg时，框架所用钢板厚度应为10～12mm；必要时还应在框架内部增加筋板。
（4）炉门与铰链连接用螺栓应进行强度校核。
图3炉门铰链
2.3.6炉体支座
（1）考虑到受炉门铰链及炉门打开时偏心载荷的作用力，炉体支座应采用厚度不小于30mm钢板焊接。
（2）炉体支座按卧式容器进行支座校核计算。
（3）在不影响工艺管口定位及操作的前提下，炉体支座腹板应采用整体的。
当工艺管口与腹板相互干涉时，支座间应采用型钢连接固定。
2.3.7液压缸的选用
（1）炉体上设置液压系统，根据液压系统提供的压力及设备所需来设计选择液压缸。
液压缸在设备中所起的作用：
推动卡箍左右旋转，以达到旋开及锁紧的目的。
推动炉门铰链，使炉门开启和关闭。
推动炉门插销，当炉门需要开启时插销拉开，卡箍可转动；当设备操作时，推销推入，防止在操作过程中卡箍旋转。
（2）推动炉门卡箍转动的液压缸应根据卡箍转动角度及连接块结构来选择液压缸型号及行程。
（3）推动炉门铰链及炉门插销的液压缸应根据炉体上的连接件结构来选择液压缸型号及形成。
2.3.8操作系统
设计过程中必须熟悉操作系统（这里简要说明）：
由水冷系统、液压系统、真空泵组、电极组、温度和压力及真空度检测系统等组成。
计算机系统设计中药充分考虑各系统的安全联锁及工艺安全联锁。
如在操作过程（高温高压）中，炉门不能因人为的随意操作或操作失误而开启，完全由系统控制，只有当炉内温度和压力降到安全开启温度及压力时，系统才能允许开启，达到安全防护的作用，实现机电一体化的全自动过程，这是设计中的关键问题。
2.3.9设计计算
（1）对内筒体、夹套筒体、开孔补强、凸齿法兰、卡箍及炉门的计算；
（2）卧式容器计算；
（3）内部盘管外压计算；
（4）按JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》对炉体惊醒整体盈利分析。
首先通过对以上零部件按GB150初步设计，将炉体的总体装配尺寸全部设计出来，这样有利于应力缝隙直接校核计算，避免应力分析过程中词用边定结构边建立应力分析模型的繁琐途径，缩短设计周期，提高设计质量。
其设计过程，条件输入→设计计算→设计出完整的炉体结构→应力分析计算→结合计算结果修改设计图→设计输出。
2.4烧结炉体的制造
2.4.1制造方案及要求
（1）炉门平盖、炉门水夹套、炉体法兰先进行一次加工；
（2）炉体法兰与内筒体组对焊接，组对各工艺管口，组焊后进行消除应力热处理，热处理之后二次加工炉体两端法兰密封面；
（3）炉门平盖与炉门水夹套以及内件组对焊接，组焊后惊醒消除应力热处理，热处理之后二次加工平盖端密封面；
（4）将炉门、卡箍与炉体组装，对内壳体进行水压试验；
（5）组晗夹套筒体，当遇到工艺管口位置时允许对夹套筒体进行剖分组对，但要满足规范要求；
（6）对夹套筒体进行水压试验。
2.4.2制造难点
（1）电极口要求三个布置在同一个截面上。
电极口的轴向指向炉体中心，工艺性要求较为严格。
以往采用电极口留量的方法进行二次加工，但在制造过程中加工量的调整很难控制，为解决这一问题，在炉体内壁上安装工装板，每块工装板固定在两侧，切宽度与电极口内径相同。
并且对设备内部惊醒热处理，从里到外都消除应力。
（图4）
图4电极口加工
（2）当先对内壳体水压试验时，这时夹套筒体及支座不能与其组队焊接，因此炉门和卡箍组装困难，为解决这一问题采用工装设施如下：
工装支座。
底板和基础导轨固定，支座垫板与壳体上的支撑框架固定电焊，将炉体固定，装入卡箍。
翻转装置。
将炉门平盖固定在翻转装置上，饭庄装置可用丝杠前后调节，时其与炉体法兰贴合。
加紧装置。
在地平台与卡箍之间的操作装置，完成卡箍与炉门及炉体法兰的加紧过程。
（3）炉门安装后开关难题
因为炉门都是在筒体竖立时安装的，而且当炉门的质量大于1000kg时，当筒体放正，容易出现炉门下滑，无法盖紧的情况。
这就需要在安装的时候注意将炉门的位置向上提高一定距离，使其下滑后正好达到规定的位置。
第三章实际装配
3.1实际尺寸
长1844mm，高1867mm，内筒900mm。
产品主要由筒体、夹套筒体、快开门、盘管、卡箍底座以及各个法兰接头组成。
产品净重为7873kg，充水后为8933kg。
设计要求，有限空间300*300*900,装炉重量达到250kg，抽气速率是20min到5pa，冷却时间是3H以下，三带控温。
3.2装配过程
装配过程简单而又复杂，大部分零件由下料车间直接加工好。
但是如有问题或者缺少零件则需要自己再加工。
例如内筒体的冷却管，直接给我们准备的是一定数量的直管和弯管，需要我们根据实际尺寸切割再焊接，然后拍片并做气压密闭性试验，并送至卷板机处弯成直径900mm的弯管，最后装入内筒体（见图5）。
图5
第四章结束语
以上是根据烧结炉结构复杂的特点，通过对烧结炉设计和制造分析，采用合理的设计结构方法和制造工艺，大大缩短了工作周期，解决了设计和制造难题，提高了产品质量，不但为企业营造了很大的市场空间，更重要的是提供了宝贵的设计和制造经验。
通过压力烧结炉的装配过程，让我从理论知识到实际操作有了一个很好的过度，明白了不是纸面上说多少就只能按照多少来做，因为实际工作中会有很多的变化，需要通过不断的学习来获取解决这些问题的经验。
俗话说得好，师傅领进门，修行在个人。
咱们做机械的，除了需要能吃苦之外，还需要多问、多学、多理解。
工厂已经不是学校了，师傅或者同事不会像老师或者同学那样帮你照顾你，一切都需要自己去学习去理解。
通过这次的实习经历，让我明白了社会的残酷，我一定要刻苦钻研，为了事业的成功不断向前！
第五章参考文献、附表
厦门至隆真空科技有限公司图纸；
管、板材消耗定额表；
工艺设计手册。
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