节能式气体渗碳炉的设计.docx

1、节能式气体渗碳炉的设计论文题目：节能式气体渗碳炉的设计专业：机械设计制造及自动化 学生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要随着渗碳工艺的普遍应用我国的渗碳技术也得到了空前的发展，但在渗碳炉发展方面我国现在还存在很大的问题，特别是大型渗碳炉的设计研究，本文主要通过阐述渗碳的基本理论及渗碳的工艺过程，介绍了渗碳炉常用的耐火材料，保温材料的种类和用途，以及井式气体渗碳炉的结构。通过改变渗碳炉的基本结构选择合适的筑炉材料以及采用合适的炉温炉气的控制方法使其适应各种工件的渗碳要求。设计了特定型号的渗碳炉，进行计算校核，验证了渗碳炉的功率大小以及电热元件材料的结构设计和布置方法，使其达到了节能的目的

2、。关键词：气体渗碳炉，节能，碳势。题目类型：工程设计类 工程技术研究类 软件开发类Subject: Save energy style gas cementation oven designABSTRACTWith the application of the general Woguo Carburizing carburizing technique is also an unprecedented development, but development in Carburizing Furnace of our country is still great, especially th

3、e design of large carburizing furnace, this article Tong Guo explained The basic theory and carburizing furnace carburizing process, introduced the commonly used heat treatment furnace refractories, insulation materials, types and uses, as well as the structure of pit gas carburizing furnace. Carbur

4、izing furnace by changing the basic institutions select the appropriate method of building materials and the use of appropriate furnace temperature control furnace gas to meet the requirements of various parts of the carburizing and achieve energy conservation purposes. At the same time for specific

5、 types of carburizing furnace checked and verified by calculating the power carburizing furnace heating element materials, size and structural design and layout methods.1Keyword: Gas cementation oven，Save energy，Carbon force。Subject type: Engineering design Engineering technology research Software d

6、evelopment 绪 论井式气体渗碳炉呈圆柱形，装有在装卸炉料时可以取下的炉盖，和一个使炉内气体气氛均匀分布的风扇，炉子的主要部分在井中，仅炉盖伸出地面，炉盖用手或借助于提升机提升，在炉料和加热工件之间有一层隔热屏，它沿炉壁安装的。在井式炉的炉膛内，有一种耐热钢的密封炉罐，炉罐上端开口，外缘有砂密封，炉盖下降时，炉盖将炉盖口盖住，二者之间用石棉绳衬垫，用螺钉紧固，保证密封良好，渗碳介质盛在高处的油箱内，经滴量器入炉盖内汽化而成渗碳气氛，排除的废气经炉盖上的排气罐引出，并点燃技术人员可以通过火焰的长短及颜色可估计炉内压力与滴量是否合适。炉盖上有试件的小孔，工作时可将小孔塞紧。为了保障安全，设

7、有开启炉盖时切断电源的限位开关,为了使渗碳气氛流动均匀,在炉罐上部设有风机,但在密封条件不好的时,容易漏气,影响工件渗碳质量,通过增加滚动轴承,迷宫式密封环和冷却水套,在迷宫的动圈与定圈之间保持0.200.30mm的间隙,并有二硫化铜高温润滑脂.气体渗碳炉的气氛,在气体渗碳时,往往把渗碳源加到一种基本上不参与渗碳的载气中,然后,载气将渗碳气体带如炉中,并使这些稀释了的碳源在炉内与工件紧密接触.按采用的活性介质（渗碳剂）不同，渗碳可分为固体、液体和气体渗碳三种方法。其中固体渗碳最为古老，常用的是前两种，尤其是气体渗碳。气体渗碳法生产率高，劳动条件较好，渗碳质量容易控制，并易于实现机械化自动化，故

8、在当前工业中可到极广泛的应用。现今，渗碳工艺已经成为钢件表面强化工艺最主要的方式之一，今天，渗碳工艺的发展趋势是：应用可控气氛进行气体渗碳，使渗碳工艺在高度机械化、自动化中进行炉气、炉温精确的自动控制。并利用微处理机，以达到更科学、更合理地调整各个工艺参数，使产品质量更稳定，生产力更高，劳动条件更好，生产成本更低廉。另一个趋势是，使用真空设备，实现高温真空渗碳、离子渗碳。这样，可以获得更好的渗层组织和表面质量，更厚的渗层，更平缓的碳浓度梯度，更快的渗速，从而大大缩短生产周期和提高劳动生产率。随着社会主义建设的发展，热处理设备正日益显示重要作用。通过设计和制造新设备，改造旧设备，以适应飞跃发展的

9、工业生产的需要，而气体渗碳炉的改造，主要围绕提高产品质量及设备的性能，改善劳动条件和消除公害等方面进行的，具体有以下几方面：1改善炉膛结构，合理布置加热元件，提高密封程度，强化炉气对流，以改善加热质量。2加大炉子功率，采用新型筑炉材料，电热元件和新结构的烧嘴，以强化设备加热过程，提高加热效率。3提高设备机械化、自动化程度，提高劳动生产率和改善劳动条件。4采用可控气氛炉，进行无氧化加热和提高化学热处理的效果。5采用能提高节能效果的耐热钢，耐火材料，保温材料等新材料。1渗碳的基本理论1.1 渗碳的工艺参数和炉气碳势渗碳温度：常用渗碳温度为900950，温度越高，扩散速度越快，渗层越深，但温度过高会

10、造成奥氏体晶体长大，降低零件的力学性能；增加工件的形状变形，降低设备的使用寿命。渗碳时间：渗碳时间决定于渗碳层的深度要求。渗碳深度确定后，所需渗碳时间可根据渗碳介质的碳势，渗碳工艺方式，渗碳温度和渗碳件所用钢种等，利用扩散方程式的解进行计算。炉气的碳势，表明炉气的供碳能力。碳势的高低决定了表层碳浓度，也影响渗碳速度、渗层浓度梯度。而且，如果没有一定的供碳能力，就不可能有渗碳的整个过程发生。并且，渗碳温度、保温时间等工艺参数的确定，只有对炉内碳势变化进行准确地控制条件下才有可能。因此炉气的控制是很重要的。1.1.1 渗碳用钢从渗碳的基本过程的讨论可知，渗碳是一个复杂的物理化学过程。为了全面了解渗

11、碳过程，在渗碳过程中使炉内碳势满足工艺要求，必须从供碳和接受碳两方面的能力来讨论。只有两者协调一致，才能使渗碳顺利进行。在此，对渗碳过程的接受者渗碳用钢加以讨论。（一）渗碳用钢的性能要求 为了获得合格的渗碳件，渗碳用钢应从以下要求考虑。（1）接受碳的能力要强，表面能吸收足够量的碳；渗速快；碳浓度梯度平缓；残余奥氏体量适当；碳化物的形状、数量、大小和分布均匀，以保证渗层有足够的硬度、强度和韧性。（2）过热敏感性要小，在渗碳温度下长时间加热时，奥氏体仍能保持细晶粒，以便实现直接淬火，并防止淬火后因马氏体晶粒粗大而使机械性能恶化。（3）要有足够高的淬透性，以保证心部在淬火后具有较高的屈服强度和韧性；

12、另外，可以采用缓和的冷却介质，使渗碳零件变形和开裂的倾向大大减小。（4）钢中应有正常组织（不允许有严重的带状组织，不允许有粗大的夹杂物和裂纹），特别是在渗层表面上更应如此。 此外，应有良好的冷、热加工性能，价格便宜。1.1.2 常用的渗碳钢及选用与其它钢种一样，渗碳钢的种类繁多，归纳起来，可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。碳素渗碳钢中，用的最多的是15、20钢，它们经渗碳及热处理后，表面硬度可达HRC5662。但由于淬透性低，只适用于心部强度要求不高，受力小，承受磨损的小型零件，如轴套、链条等。合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，主要应用于制造在摩擦力，交变接触应力和冲击条件

13、工作的零件。无论是碳素渗碳钢还是合金渗碳钢都有着渗碳钢的共同特性：渗碳用钢的含碳量要求在0.10.3%的范围内，以保证工件心部有足够的强度和韧性。这是因为含碳量过高，则使心部韧性达不到要求；若含碳量过低，则心部强度不足，难以承受较大的载荷。由此可见，渗碳钢必须是低碳钢。1.2 渗碳的工艺过程 渗碳零件的工艺过程主要包括渗碳前的热处理、渗碳前的准备、渗碳过程的工艺操作、渗碳后的热处理、渗碳件的质量检查。下面分别介绍之。1.2.1 渗碳方法简介渗碳方法主要分为固体、液体和气体三种，此外还有特殊渗碳。特殊渗碳通常在特定的物理条件下进行，目前在国内外获得应用的有：高频电场中加热渗碳、真空条件下的真空渗

14、碳、离子轰击条件下的离子渗碳、电解放电条件下的电解渗碳、流动粒子状态下的流态床渗碳等。但常用的是固体和气体，这里主要介绍气体渗碳 气体渗碳是把工件装入密封的高温炉中并通入渗碳气体来进行的。 气体渗碳有两种方法，一种是直接往炉中通入可以渗碳的气体，如经过裂解处理的天然气和液化石油气(丙、丁烷)；另一种是往炉中滴入煤油(或苯等),在高温的作用下使之分解成可渗碳的CO气体及甲烷等碳氢化合物。后一种直接往渗碳炉中加煤油、苯等液体物质的方法比较简单，所以在一般中小型工厂应用较多。 气体渗碳的温度一般是900930。渗碳时间随渗碳层的深度而定，用煤油作渗碳剂时每小时约可渗0.2左右。气体渗碳除了可以渗碳层

15、含碳量，提高零件质量外，还有以下的主要优点：渗碳速度较快，工艺过程易于实现机械化和自动化，生产率高，劳动条件好，渗碳后可直接淬火(固体渗碳一般必须重新加热淬火)省去重复加热的工序，从而可减小零件变形。因此气体渗碳应用越来越广,但需用专用的气体生产设备是它的主要缺点。1.2.2渗碳过程的工艺操作气体、液体、固体渗碳工艺不同，其渗碳的工艺操作也有不同，但其基本过程还是类同的，其中以气体渗碳应用最为广泛。现以20CrMnTi钢制汽车变速箱齿轮所采用的低耗量气体渗碳的具体工艺为例来加以说明，设备RQ3-90-9型井式气体渗碳炉。全过程分为五个阶段 排气期、强渗期、扩散期、降温期和等温期。其工艺曲线如图

16、所示。 图1-1 20CrMnTi钢低滴量气体渗碳工艺曲线 （设备：RQ3-90-9型井式气体渗碳炉）（1）排气期（A +A阶段）首先将炉子升温至600时，再启动风扇。900 时滴入渗碳剂，并一直使炉温升到渗碳温度。 （2）强渗期（B 段）在此期间，炉内压力控制在1520毫米水 柱，炉温保持不变。此时，由渗碳剂分解出来的活性碳原子被零件吸收。（3）扩散期（C 段），此时零件已有一定的渗层厚度。为了使零件表面含碳量适当减少，加厚过渡区，使碳的浓度梯度平稳，所以，从吸碳与扩散的平衡着眼，在此期间，采用减少煤油滴量的方法来调节。（4）降温期（图中D 段）当渗碳层表面含碳量及厚度已达到技术要求时，不能

17、立即出炉，而应有一个降温期。 （5）等温期（图中E 段）为了使零件温度也降低到预定温度，必须采用等温的方法，对20CrMnTi钢制齿轮，等温0.51小时。2.炉体材料2.1 筑炉的材料一般，在气体渗碳炉中，使用耐火材料。耐火材料：一般是指耐火度在1580以上的无机非金属材料.它包括天然矿石及按照一定的目的要求经过一定的工艺制成的各种产品.具有一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是各种高温设备必需的材料。耐火度高于1580的无机非金属材料。耐火度指耐火材料锥形体试样在没有荷重情况下，抵抗高温作用而不软化熔倒的摄氏温度。耐火材料与高温技术相伴出现，大致起源于青铜器时代中期。中国东汉时期已用粘土质

18、耐火材料做烧瓷器的窑材和匣钵。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时出现了完全不需烧成、能耗小的不定形耐火材料和耐火纤维。现代，随着原子能技术、空间技术、新能源技术的发展，具有耐高温、抗腐蚀、抗热振、耐冲刷等综合优良性能的耐火材料得到了应用。耐火材料的性能：耐火材料的物理性能包括结构性能、热学性能、力学性能、使用性能和作业性能。 耐火材料的结构性能包括气孔率、体积密度、吸水率、透气度、 气孔孔径分布等。 耐火材料的热学性能包括热导率、热膨胀系数、比热、热容、导温系数、热发射率等。 耐火材料的力学性能包括耐压强度、抗拉强度、抗折强度、抗扭强度、剪切强度、冲击强度、耐磨性、蠕

19、变性、粘结强度、弹性模量等。 耐火材料的使用性能包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗碱性、抗水化性、抗CO侵蚀性、导电性、抗氧化性等。耐火材料的种类：（1）：粘火砖（成分耐火土和高岭土，粘火砖是弱酸性的耐火材料，其主要性能均小于其它耐火材料，它在热处理炉中使用最多，可以砌筑炉墙，炉顶，炉底，燃料室等处。(2)：高铝砖的耐火度较高，在高温下结构强度高具有较好的化学稳定性。(3)：轻质耐火砖（可以减少炉墙蓄热，缩短升温时间，节约热能，但耐热强度低，残余收缩较大，抗化学侵蚀能力较差。（4）：碳化硅耐火制品（用于制造高温电炉的炉底板，电热体，炉底的轨道。（5）：耐火纤维是

20、一种新型的耐火材料，它兼有耐火和保温的作用。根据原料不同，可有硅酸铝，石英，氧化铝和石墨等硅酸铝耐火纤维是将焦宝石，矾土等矿物在电弧炉中熔化后，用高压空气或蒸汽喷吹而成的散状纤维物，类似棉花，它可以散装填充。2.2 保温材料保温层的作用减少炉墙散热，节省热能，改善劳动条件。硅藻土的主要成分是非晶体的SIO2及少量粘土杂志，呈白色，黄色或粉红色。粉状颗粒含有许多微孔，所以保温性能好，最高使用温度不超过800950摄氏度，它的制品有藻土粉和硅藻土砖。陶瓷纤维的性能：（1）：主要性能耐高温，热容量小导热系数小，热化学稳定性好，有良好的耐急冷急热性和抗震性。对于AI2O3含量较高杂志较少或含有一定量C

21、R2O3或ZRO2的陶瓷纤维，可允许在较高温度下使用，其最高温度不超过1200摄氏度。（2）：容量及导热系数陶瓷纤维的性能，由于容量小，导热系数小，容重小，而炉衬的蓄热损失与炉衬材料的容重成正比，故，采用陶瓷作炉衬，可大大减少炉墙的蓄热损失，而且可大大减轻炉子的重量，此外，还可以缩短升温时间。间断作业炉，节能可达2545%。（3）：弹性及强度陶瓷纤维制品的弹性值随制品容量的增大而增大，在制毡时加入结合剂虽然可使容量增大，但也可以使弹性值提高。对于周期作业炉，用陶瓷纤维取得的效果最为显著，井式炉一般可解约3040%，一般陶瓷纤维炉衬的厚度又2060MM。3.井式气体渗碳炉的结构3.1 炉型的选择

22、 炉子设计所依据的基本技术条件和原始数据应包括：典型工件的名称，形状尺寸和简图，材料，重量以及技术要求等；热处理典型工件曲线或工艺过程；生产批量及生产率；其它质量要求；机械化作业程度；投资金额等。设计的内容应包括：在选择炉型时，应尽量保证使用，操作，维修方便，尽量减轻体力劳动，工件变形小，氧化脱碳轻，加热速度大，炉温均匀，温度控制精确，少公害或无公害，结构简单，便于制造，耐热钢消耗少，占用车间面积小。根据以上要求进行炉型的选择。气体渗碳炉是以电能为热源，电流通过电热元件而发出热量，和其他热处理炉一样，它的最高工作温度为950，采用RQ3-90-9型号的炉子，技术规格如图：表3-1 RQ3-90

23、-9型号的炉子技术参数：名 称单 位型 号RQ3-90-9 额定功率KW90额定电压V380最高温度950工作温度0-940相 数相3频 率H z50资料筐尺寸直径600高900马弗罐尺寸直径780高1490炉膛尺寸直径920高1520加热区段2电热元件接法YY空炉损耗功率 kKW=16空炉升温时间时h=2外型尺寸长1820宽1580高2750炉温均匀性+/-5最大一清裴载量400配套自动控温柜台2重 量45003.2井式炉的炉衬的基本结构新系列井式炉为圆柱形，炉膛直径有 600, 800, 1000三种规格,有效高度与直径比H/D=13或更大.炉衬由耐火层及保温层组成.对于1200的炉子,用

24、两层轻质粘火砖作耐火层,用硅藻土砖作保温层.在炉膛底部应干铺一层粘土砖作炉底.对于深度较大的炉子,在耐火层与炉口砖之间应当保留1525毫米的膨胀缝.炉膛底部应留有清除氧化皮的扒渣口.炉衬外有炉壳保护.3.3 炉盖及启闭机构井式炉炉盖有整体式和对分式两种.小型炉盖可采用整体式结构,一般的炉盖常采用电动或者液压机构启闭。该井式气体渗碳炉采用的是液压启闭机构。炉盖的升降由电机、齿轮泵等部件组成，炉盖的升降均有液压升降机构来完成，其动力由10/25液压装置提供。当需将炉盖升起时，只要开动液压装置，炉盖即徐徐上升；如需炉盖下降，只要旋松液压装置中内螺纹截止阀，炉盖即缓缓下降。在升降轴处，有两限位开关，当

25、升降轴上升时，下面一个限位开关自动切断电动风机电源，以免操作发生危险；当炉盖升足时，上面一个限位自动切断液压装置的电源，以防升降轴顶出油缸发生意外。 为了提高井式气体渗碳炉密封性，我们将风扇轴密封改为活塞环密封装置(图3-1)。该密封结构加工方便、密封可靠，同时用双道密封结构解决炉盖与炉罐间的密封（如图3-2）。方形石棉盘根接口的搭接，应为上、下大斜面搭接，并注意在冷炉装石棉盘根时，要多搭20一30mm，以防止高温时由于炉罐涨大而导致缝处漏气。经改制后井式气体渗碳炉密封良好，炉压可超过1.5倍的大气压。 图3-1 图3-21. 电机支架2、4.联轴节3、5.压盖6、12、13.轴承7.压紧盖8

26、.压紧螺母9、10、11.密封圈14.水箱15.炉盖16.风扇轴3.3.1滴注、排气及传感器安装系统在炉盖上还装有三根工艺管通向炉膛马弗罐内：一根套管顶端安装三头不锈钢滴注器，由三头滴注器向炉内墒注甲醉，煤油或其它有机液体，各种液体均可调节，该套管上的氨气孔可用来向炉内输送氨气作碳、氮共渗之用(不渗氮时可将此管口封闭)；一根套管为取样管，该套管上部的一管接头可与“U”型玻璃管压力计连接，用来监视炉内气氛的压力；一根套管为排气管，该套下部的管接头可与二氧化碳红外仪相接，用来控制炉气，该套管的顶端有一调整放气和调节炉内压力大小之用的封帽，此咀排出的废气应点燃烧掉，排出的火焰以200300毫米高为宜

27、。炉盖上的三根套管夹层都有水冷（低进高出），以便进入三根套管中的气体快速冷却。3.3.2炉温均匀性及炉温控制炉用密封风机装在炉盖上，供搅拌马弗罐内的气氛并使之成分均匀，同时使炉温趋于均匀。用电阻法测量炉气碳势时，温度变化对DT-1 电阻探头电阻值的影响是0.0125/，相当于碳势0.004%C/。炉罐上、中、下各底座区温差过大，则会导致各部位碳势及工件渗层深度不一，所以提高炉温均匀性及炉温控制精度是提高渗碳质量的关键之一。 图3-3 电阻探头安放孔示意图1.电阻探头2.上锥盖3.下锥座4、5.密封锁紧装置6.内管3.3.3电机风扇的固定气体渗碳炉炉盖轴封结构形式和制造质量、对渗碳质量至关重要。

28、并且，直接影响维修周期的长短。两台燃油气体渗碳炉。经使用后存在下列问题:(l)风扇轴漏气;(2)电机外壳受炉盖传热温升太高;(3)风扇轴易弯曲。经分析，产生上述问题的原因有:(l)轴封采用盘根压紧，尽管维修时压得很紧，运转不久后，由于盘根无弹性导致漏气;(2)风扇轴下端悬臂过长，风扇略有不平衡，旋转轴在高温高速下因强度不足而弯曲;(3)电机支架直接支于炉盖上，炉盖热量传至电机，致使电机发热;(4)目前井式炉的风扇轴的连轴器都采用的轴套，平键结构。电动机轴与风扇轴套采用过渡配合，这种结构的连轴器有两大缺点。1.配合性质不合理，经常出现滚键，脱键故障。甚至出现扭断电动机轴的异常现象。2.传递动力的

29、效果不够理想，易引起电动机轴上的键槽失效，维修频繁，安装拆卸很不方便。我们对炉盖部分进行多次改进如图2所示:(1)轴封部分采用双层迷宫式密封;这种密封是非接触式，且制造精密，不存在轴封磨损问题;(2)在轴下部增设组合轴承(推力轴承13和向心滚珠轴承12)，并且将装轴承的水箱降低，使风扇轴下支点降至炉盖面以下，缩短风扇轴悬臂长度，增加风扇轴抗弯刚度;(3)水箱用循环水冷却;(4)电机支架安装于水箱顶部，与炉盖热源隔绝;（5）连轴器由轴套平键式结构改为轴套凸凹式结构，连轴器由单边传递动力改为双边对称传递动力，连轴器由过渡配合性质改为间隙配合性质。（如图3-4）采用轴套凸凹式结构的连轴器配合性质，传

30、递动力效果好，就在于它的动力对称均匀传递，凸轴与凹轴及风扇轴均匀采用同一材料（1Cr18Ni9Ti）制造，力学性能一致。电动机与凸轴采用过盈配合，消除了两者间的相对位移。凸轴与风扇轴端部轴套采用间隙配合，凸凹式传递动力。设备维修时拆卸安装很方便，解决了键槽失效，滚键，脱键和电动机断轴等异常故障，延长了连轴器组合件的使用寿命。（6）在轴上加上的三个轴承分别为1210轴承，210轴承和石墨圈支撑。采用双向轴承固定石墨圈作为辅助支撑，同时设计了密封结构，即可保证轴承内润滑脂不外泄，又可防灰尘进入。 图3-43.4 国内气体渗碳炉的发展现状与分析 目前，井式气体渗碳护应用较广，但国内生产的井式气体渗碳

31、炉存在以下问题:大型重载齿轮在冶金、矿山、建材、起重、运输等重型机械传动中占有重要的地位。硬齿面大型齿轮可以减小传动所需功率、增大承载能力、降低成本、提高使用寿命。气体渗碳淬火是实现齿面硬化的主要方法，大型井式渗碳炉是大型重载齿轮、盘类、筒状工件的渗碳及碳氮共渗的关键设备。目前国内的井式渗碳炉结构及其控制技术大多处于先进国家20世纪80年代的水平，其最大有效工作直径为2800mm。随着我国经济的发展，现有的井式气体渗碳炉已满足不了特大型、高质量渗碳件的要求。研制高水平的超大型井式气体渗碳炉对我国重型机械制造业发展有着重要意义。图1为4000mm*2000mm井式气体渗碳炉的外貌图，它是国际上罕见的特大井式炉。为解决其炉内结构件的热畸变、炉温均匀性和碳势的高精度控制等问题，在设计和制造上进行了大量的试验研究，并取得了良好的效果。表2为该设备的主要技术性能指标。3.4.1 研制重点及技术措施（1）炉内钢结构件的设计在长期高温下，井式气体渗碳炉炉内钢结构件的热变形是不可避免的，如何将