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1、第 6 页 共 16 页 氮气烧结炉承载及运行系统设计氮气烧结炉承载及运行系统设计摘要：氮气烧结炉能显著减缓和避免聚合物及金属的氧化，对复合材料的外观质量、摩擦磨损的性能和材料强度等特点有增强的作用。并且同时，炉腔容量大，可一次烧结1015m2的板材，约为现行使用151型高温烧结箱的34倍，并且加热功率仅增加1/4，生产效率及节能效果有非常显著提高。设计借鉴大量热处理炉设备的资料及实际观察烧结炉等方面的努力，本文完成了氮气烧结炉的机械结构设计、计算和说明，本设计包括总体图、主要部件装配图、主要零件图，其中主要侧重于承载及运行系统的设计、各种材料的选用、密封装置设计等方面。关键字：承载及运载系统
2、；转轴；轴承。全套图纸加153893706引言 钢背铜粉改性PTFE三层复合自润滑轴承材料是由60年代末英国GLACIER公司发明的一种新型自润滑轴承材料，因其综合机械性能和导热性能优良，且抗磨减摩性能好，特别是可以在无油润滑的条件下工作，对配偶材料磨损较低，因此自从问世以来很快在机械领域中得到推广应用。我国是从70年代末，参照了国外产品基础上开始国产三层复合材料的开发与应用，并且在制备技术、摩擦学特性的分析和性能改善上，以及在轴承设计中摩擦学问题的研究中开展了很多工作。特别是在90年代以来，我国在随着先进机械技术的引进和交流的过程中，国产的三层复合材料的应用及行业的生产也进入了一个全新的发展
3、时期。但是在与先进工业国家产品的质量相比，国产三层复合材料的品质仍有着较大差距。目前我国一般采用上海的151高温烧结箱，不过其是在空气气氛中加热烧结的。这种烧结方式存在着严重缺陷，因为氟塑料层中有铅粉、锡青铜粉等成分，在高温中会与氧气发生氧化，成分和组织结构发生不利变化，导致了复合层的使用性能，特别是摩擦磨损性能的降低，而且产生了一些有害的氟化合物，污染环境，对工作人员的身体健康造成危害。 本设计的基础是在氮气气氛上进行烧结的，通过先把炉中的空气抽出，再注入氮气，使氟塑料层中的填料成分避免了与氧气氧化，提升烧结的效果。因为烧结是在氮气保护气氛条件下进行，因此是在密封的条件下烧结，正因如此，将大
4、大减轻了污染程度，同时也减少能量的浪费。 1氮气烧结炉的技术要求以及技术关键的问题1.1氮气烧结炉的技术要求 为了使得烧结出具有优良摩擦磨损性能和综合使用性能的材料，塑化烧结设备应该具有以下的三个要求：(1).炉内温度需要均匀、且温度波动小，在最佳温度下使三层复合材料塑化烧结；(2).炉内外伸的传动元件在运转的情况下需要具有良好的动态密封，确保减少窜气和氮气泄漏的情况发生，使设备在长期工作中保持良好的封气及隔热性能，尽可能避免烧结的高温环境下炉内三层复合材料的氧化反应；(3).尽量提高炉膛内塑化烧结区域的温度控制精度，以使得氟塑料能够充分塑化下对控温精度的要求。1.2 氮气烧结炉技术关键问题
5、其在技术上关键的问题有以下几点： (1).如何减小炉膛内的温度场分布的梯度，使得炉内的温度充分均匀和温度波动达到最小； (2).如何提高炉膛内塑化烧结区域的温度控制精度，以使得氟塑料能够充分塑化下对控温精度的要求； (3).如何设计，能够炉内外伸的传动元件在运转下具有良好的动态密封性能，使设备在长期工作中保持良好的封气及隔热性能； (4).如何才能避免在炉膛内特别是在炉底部出现的局部高温区，确保撒落的氟塑料颗粒在炉底不会过热从而分解出剧毒的氟化氢气体，避免可能对操作人员造成的身体伤害和环境的污染。 为了解决这些技术的难题，在对设计方案进行充分论证的基础上，运用所掌握的一些跨学科知识的优势，科学
6、采用有关新技术和新材料，对有些技术关键点还通过试验验证的指导设计来改进优化新材料的应用。如为防止三层复合材料在烧结过程中的发生氧化，采用了氮气保护，为减少氮气及热能的损失，我们采用了全封闭的状态进行烧结，并要求达到具有一定的真空度等要求。2 氮气烧结炉的设计原理2.1 封闭气体保护系统的设计 本次设计的烧结炉是在全封闭氮气保护下进行烧结工作。其步骤是先将炉内大部分的空气排尽,再把氮气通入，也可以是惰性气体或不与工件产生化学反应的其他气体，在这种方式下能最大限度地把氧含量在炉膛内降低，同时对把炉膛抽成真空的装置要求也不高。 装置的作用：基本杜绝了工件的高温氧化。同时烧结制品的外观质量、理化性能和
7、使用特性得到了显著提高。在这里，主要是大幅降低了聚合物及铜的高温氧化的百分比或可能性，烧结的复合自润滑材料的各方面的性能和品质得到了显著提高。 在实际使用的流程中，向炉内充氮气，并持续1015分钟。然后再重复上述过程数次。这样才完成烧结前的气体保护的准备工作。 在烧结时，由于烧结过程中，不可避免地出现工件的高温化学反应，那么就会出现一些废气。如果是烧结复合自润滑材料，会产生含氟的腐蚀性有毒气体。所以为了操作人员的安全和环境的环保，必须有废气净化处理及排放装置。气体保护系统分为：保护气体充气装置；气净化处理装置；炉膛的密封装置。 开炉前至少准备两瓶待用氮气，以确保烧结过程不断气。每只氮气瓶上装一
8、只医用氧气流量计以及压力计，并与进气管上的三通阀相连。 气体保护使炉膛处于密封的状态下，否则以上的几个部分将失效。 实现方法：炉门关闭时与炉腔结合处的密封、风扇轴及转盘轴与炉腔在结合处的密封、炉腔自身（除几个结合处）的密封。这几个密封设计分别在炉门的设计、炉腔的设计、载物盘传动系统的设计、风扇中有详细的说明。2.2炉内温度场均化原理 为了保证工件受热均匀，烧结炉的温度场均化系统由结构独特的气流循环风道和工作转盘两部分组成。风机安装在炉胆左侧立式加热元件后面，风机旋转时可将加热元件上的热量迅速抽入侧顶部风道，热气流在风道内均化后，通过右侧不等间距通风孔板，均匀送入炉膛，工作转盘及工件的旋转则进一
9、步使温度场气流均化。 如果直接将电热元件加热的热气流通过风扇吹进炉膛内，一容易引起炉膛内气流的震荡，影响烧结效果，二风扇将热气流吹进炉膛需要形成对流，如果直接用外界气体，肯定不行（密封、氮气保护气），那就还需要风道。 因此，现在的设计方法是将电热元件加热的热气流通过风扇（引风机）吸进风道，在风道中将热气流的热量均匀化，然后进入炉膛，以形成对流加热。由于热气流向上流动的特性，为了使得炉内热气流对工件的加热的均匀，因此将多孔通风板的孔的分布设计成上疏下密。这样，进入炉膛的热气流下层流量多一些，这就避免了加热下层工件不充分，又由于热气流自发向上流动，也加热了上层的工件，延长了热气流的流动路线，充分并
10、且均匀加热。 2.3 烧结炉的承载及运载材料的选用 由于炉内的温度（一般400-500，也有可能局部达到600-700）并且炉内可能含有一些少量的含氟气体，所以耐热铸铁、碳钢等耐腐蚀的能力差，而C-Mo钢、Cr-Mo钢的最高服役温度为450-600，这些都不符合要求。因此我们要选用不锈钢或者超合金。 铁素体不锈钢：它具有优良的高温抗氧化性能，但是高温机械强度却不高。奥氏体不锈钢：它具有优异的抗腐蚀性能，并且在540以上服役条件下它的强度最高。 马氏体不锈钢：这类不锈钢中最普遍用于高温设备的是“超12cr钢”，它含有Mo(3)和或W(35)以使能够获得较大的高温强度。像v、Nb和N之类的其他元素
11、也可少量的加入以追加强化。含有上述诸元素的合金化物12Cr马氏体钢可用于650以下，但是在540以上的时候，这种合金只能提供中等强度的性能，并且未合金化的马氏体钢只能用于400以下。 所以在考虑到材料性能和经济性的情况下，我们选用铁素体不锈钢作为不受力的零部件的材料；同时选用奥氏体不锈钢作为受力的零部件的材料。 选择铁素体不锈钢时：最常用的是17Cr不锈钢（430型），成分1Cr17，它一般用于815下需抗氧化抗腐蚀的设备中。其抗拉强度b450Mpa。 选择奥氏体不锈钢时：最常用的304不锈钢，成分1Cr18Ni9Ti，一般用于815下，因为它可抗苛刻氧化性，并且有较高的蠕变强度。其抗拉强度b
12、520Mpa。 需要用到耐热不锈钢的地方有：、载物盘、载物盘转轴、以及其他小零件。而在载物盘等不受力的地方使用17Cr不锈钢（430型）。 2.4保温层厚度的计算 已知当前需要温度及要求，从中我们需要计算出保温层的厚度。 给定参数：炉内温度t1=400炉外温度：t2=40平壁以传导方式从内壁传到外壁的热量： q2=（t1 t2）/s外壁以辐射和对流方式传给车间空气的热量：q3=总2（t2- t2） 其中t2:为车间温度，取20 总216千卡/m2时2稳定态传热q 2=q 3/s（t2 -t1）=总2（t2- t2） =0.0420.18610-3t t=400（0.0420.18610-340
13、0）360/s=1520将各项数据代入上式后整理计算，近似取整得S140mm.存在一些不可避免的情况，因此要考虑到应该有余量，取整得S150mm.材料选择矿棉。3 烧结炉的承载及运载系统的设计3.1 载物盘转轴的设计计算 因为承载的轴是受力件，因此相对于炉壁材料来说需更好的高温机械性能。我们需选用奥氏体不锈钢304不锈钢，其成分1Cr18Ni9Ti，抗拉强度b520Mpa，有着较强的蠕变强度。 根据炉腔的容积大小和被烧结工件的密度及量的多少，再结合市场现有的烧结炉的规格参数，估计出本次设计的烧结炉所一次烧结工件的重量最大限度是250Kg。再加上载物盘本身的重量（估计为盘为24Kg）；轴的密度7
14、.9t/m3，长度小于0.9m，直径为D，可得：轴向压力： 轴向应力： 得出D13.03mm支反力 取滑动摩擦系数则可以得到摩擦力为 由相关资料可知：阻力矩（该阻力矩通过方头传到下半轴上） 考虑到应该有余量，T应加大（2-5）倍，从而能够确保安全。 取整20mm热应力：温差：480；线膨胀系数 （在20-500）；弹性模量 （在500）；轴的自由伸缩： mm热应力： 若不对转轴的上端作位移限制，则可以不计热应力对转轴的影响。蠕变强度不做计算热处理手册 第3版 没有对1Cr18Ni9Ti在500下作蠕变强度和持久强度的限制。图3.1 承载系统装配图3.2轴承的选择 由于载物盘转轴取整后最小的直径为20mm，因此： 1.自润滑轴承，可以选择型号为JTW-30，其内径30.2mm,外径为60mm,满足设计要求。 2.上面的压力球轴承，应该选择型号为6005，其内径25mm,外径为47mm,满足设计要求。 3.下面的深沟球轴承，应该选择型号为6204，其内径20mm,外径为47mm,满足设计要求。3.3 传动比的分配计 根据所设计的烧结炉载物盘的要求转速7-10转/分，以及市场标准电机的转速，可得大致估算的总传动比。由前文可知载物盘的受力，基本上是轴向的压力，并且载物盘的轴的扭矩很小，因此对电机的要求比较低。
