【文章內(nèi)容簡介】 造外，對于直徑較小的真空室筒體亦可用熱軋無縫鋼管制造。圓筒體焊制后應(yīng)進行整形和矯直。根據(jù)需要真空室可以做成立式或臥式的。 圓筒形殼體的計算： 按計算公式確定外壓圓筒形殼體壁厚 根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的 筒體的內(nèi)徑 DB= 600mm，內(nèi)徑高 HB= 1000mm。 因圓筒殼體只承受外壓，可按穩(wěn)定條件計算，其壁厚為 S0 = DB (tEP BDL ) [mm] （ 21） 式中： S0—圓筒計算壁厚 [mm] ； DB—圓筒內(nèi)徑 [mm] ，取 DB= 600mm； P—外壓設(shè) 計壓力 [MPa]，設(shè)計的工作壓力為 個大氣壓，取 P=； L—圓筒計算長度 [mm] ，（由圖 22）可得 圖 22 外壓圓筒的計算長度 因設(shè)計的筒體的長度 Y=700mm， 封頭的高度 h=300mm，則 X＝ 31 h=100mm， L=Y＋ X＝ 800mm； Et—材料溫度為 t 時的彈性模量 [ 105 MPa]，資料 [16]中圖 97 給出了碳鋼和合金鋼在各種溫度下的 Et 值；因所設(shè)計爐的材料為奧氏體不銹鋼，有表可知， 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 13 Et = 105 MPa； 上述 所得出的結(jié)果帶入公式（ 21）得 S0 = 600（5 10 600800） ＝ （ mm）。 圓筒的實際壁厚為 S= S0＋ C [mm] （ 22） 式中 S— 圓筒實際壁厚 [mm] ； S0— 圓筒計算壁厚 [mm] ，由上計算得 S0＝ ； C— 壁厚附加量 [mm], 壁厚的附加量應(yīng)按 下式確定： C=C1＋ C2＋ C3 [mm] （ 23） 式中 C— 壁厚的附加量 [mm] ； C1— 鋼板的最大負公差附加量 [mm]，一般情況下均取 ， 則 C1＝ ； C2— 腐蝕裕度 [mm] , 當介質(zhì)對容器材料的腐蝕速度大于 ? 年時，其腐蝕裕度應(yīng)根據(jù)腐蝕速度和設(shè)計的使用壽命來決定。當介質(zhì)對容器材料的腐蝕速度≤ ? 年時（包括大氣腐蝕），單面腐蝕取 C2=1mm，雙面腐蝕取 C2=2mm。 因所設(shè)計爐時單面被腐蝕，則 C2=1mm； C3— 封頭沖壓時的拉伸減薄量 [mm] ， 在一般情況下， C3取計算厚度的 10%，并且不大于 4mm，對于需要加熱工手工敲打的封頭，根據(jù)加工具體情況， 考慮增加由于氧化及拉伸所減薄的厚度 ，并在圖紙上注明，對于圓筒體等不經(jīng)沖壓的元件， C3=0。則 C3=0。 則 C=C1+C2+C3=＋ 1＋ 0＝ （ mm） 以上的結(jié)果帶入公式（ 22）得， S= S0+C=＋ ＝ （ mm） 根據(jù)實際情況，圓筒的實際壁厚應(yīng)為 S＝ 5（ mm） 封頭的設(shè)計 錯誤 !未找到引用源。 圖 23 封頭簡圖 圓筒體上的封頭一般都用橢圓形封頭（如圖 110示），從受外壓角度來講，采用這種封頭形式比較好。除橢圓形以外，還有碟形封頭及無折邊球形封頭。碟形封頭常用，無折邊球形封頭在圓筒體 上少用，而在真空室門上多用。 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 14 因此所設(shè)計的封頭為橢圓形封頭的形式設(shè)計。 封頭材料的選擇 由于封頭是爐體的一部分，使用條件和筒體一樣，我們同樣采用了奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。 封頭外形及厚度的確定 橢圓形封頭厚度計算 因0100SL ＝ 600100100? ≤ ,所以外壓凸形封頭按內(nèi)壓封頭公式計算，但須將實際壓力乘以 ，如圖（ 24）其公式為： 橢圓形封頭： S＝ ? ?BBB hDPPD 24 ???? ＋ C [mm] (24) 式中 S— 封頭計算壁厚 [mm]。 P— 外壓設(shè)計壓力 [MPa]，設(shè)計的工作壓力為 ，取 P=； DB— 圓筒內(nèi)徑 [mm] ，取 DB= 600mm； γ — 焊縫系數(shù)；由資料 [16]中表 96可得，雙面自動電弧焊或手工焊的對接焊縫以及保證雙面焊透的丁字連接焊縫，則 γ ＝ ； hB — 封頭突出部分內(nèi)邊高度 [mm]；由圖 23得， 圖 24 橢圓形 封基本尺寸 可知封頭的高度為 H＝ 300mm，由圖 26可知 L＝ 31 H， ? hB＝ 200mm－ S； [σ ]— 許用應(yīng)力 [MPa]；由資料 [16]中表 94， 95得。 [σ ]＝bbn? ； 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 15 [σ ]＝stsn?； （ 25） [σ ]＝DtDn? 或 [σ ]＝ntn? ； 式中 [σ ]— 材料的許用應(yīng)力 [MPa]，不同溫度下材料的許用應(yīng)力見資料 [16]中表94； σ b — 常溫下材料的最低強度限 [MPa]，則取 σ b＝ 144 MPa； σ ts — 工作溫度下材料的屈服限 [MPa]，亦可產(chǎn)生殘余變形達 %的條件屈服限，則取 σ ts ＝ 127 MPa； σ tn — 工作溫度下，材料的蠕變限 [MPa]，則取 σ tn ＝ 127 MPa； nb， ns， nn— 安全系數(shù)，有資料 [16]中表 95得， nb ＝ ； ns ＝ ； nn ＝ ； 以上帶入公式（ 25）得； [σ ]＝ ＝ 48 MPa； [σ ]＝ ＝ MPa； [σ ]＝ ＝ 127 MPa； 所以 [σ ]＝ 48 MPa C— 壁厚附加量 [mm]； 壁厚的附加量： C＝ C1＋ C2＋ C3 [mm] (26) 式中 C1— 鋼板的最大負公差附加量 [mm]，由資料 [16]中表 93 得，一般情況下均取 C1＝ ； C2— 腐蝕裕度 [mm]，因所設(shè)計的爐為單面腐蝕，則 C2＝ 1mm； C3— 封頭沖壓時的拉伸減薄量 [mm]，因圓筒體等不經(jīng)沖壓的元件，則 C3＝ 0 。 則 C＝ C1＋ C2＋ C3＝ ＋ 1＋ 0＝ （ mm） 綜上所述，封頭的壁厚為： S＝ ? ?BBB hDPPD 24 ???? ＋ C＝ ??? ?? ? ?S?2022 600 ＋ 解得 S＝ （ mm）； 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 16 根據(jù)實際情況，取 S＝ （ mm） 保溫層的計算 保溫材料的選擇 在保溫材料的物理、化學性能滿足工藝要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用導熱系數(shù)低、密度小、價格低廉、施工方便、便于維護的保溫材料。在本次設(shè)計中我們采用了 硅酸鋁耐火 纖維 ，其性能見表 21。 硅酸鋁耐火纖維是一種新型輕質(zhì)耐火、絕熱材料 ， 它具有以下特點 ： 容重輕 、 導熱系數(shù)小 、 耐高溫 、 抗機械振動好 、 受熱膨脹小 、 絕緣 、 隔音性能好 、 施工簡便 。 表 21 硅酸鋁纖維的性能參數(shù) 技術(shù)指標 普通纖維 高純纖維 高鋁纖維 導熱系數(shù)（ w/m k） 最高使用溫度（℃） 1000 1051 1250 纖維細度（ um） 渣球含量 % 8 5 4 線收縮率 %（ 1000℃， 3小時） 4 3 防火性能 A 級不燃 A 級不燃 A 級 不燃 軟氈密度（ kg/m3） 80192 100160 100160 保溫層厚度的計算 所設(shè)計的保溫爐在常溫下工作，爐內(nèi)的工作溫度在 600℃左右的環(huán)境下工作，對爐內(nèi)熱量的保溫有較高的要求。要求爐外壁的溫度需要與常溫下的溫度接近，即 20℃ 左右。設(shè)計的保溫爐有空氣層的復合保溫結(jié)構(gòu)，緊貼在工作爐為 10mm 左右的共七層，而空氣層不能過大，否則將引起對流換熱，從而減弱了空氣的隔熱作用；中間采用耐高溫的保溫材料 —— 硅酸鋁纖維進行保溫。 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 17 傳熱方法計算 所設(shè)計保溫爐在常溫下工作，對爐整體的保溫要求 較高。保溫爐有筒體、空氣保溫層、內(nèi)保護層、硅酸鋁纖維保溫層和外保溫層組成，如圖 24所示。 爐內(nèi)的傳熱為二維穩(wěn)態(tài)傳熱，即四周傳熱的熱量都是相等。設(shè)從爐內(nèi)傳出的熱量為 q、通過空氣保溫層傳出的熱量為 q通過保溫材料傳出的熱量為 q通過外保護層散熱到大氣的熱量為 q3，有下列等式可得： q＝ q1＝ q2＝ q3。以上可得如下公式進行求得保溫層材料的壁厚：即 ? ?01101lnddtt ?? ＝ ? ?12212lnddtt ?? （ 27） 式中 λ 1— 空氣的導熱系數(shù)，取 W∕ m K； λ 2— 硅酸鋁纖維的導熱系數(shù)，取 W∕ m K（ 400℃）； t0— 爐內(nèi)壁的工作溫度，設(shè)工作溫度為 600℃，到爐內(nèi)壁的共組溫度為 550℃； t1— 空氣層的外表面溫度（即保溫材料的內(nèi)壁溫度，取 400℃）； t2— 保溫材料的外壁溫度，取 50℃； d0— 為爐的外徑，取 610mm； d1— 為空氣層的外徑，取 630mm； d2— 為保溫層的外徑； 上述可得保溫層的壁厚為： ? ?610630ln ?＝ ? ?630ln2d? 解得 d2＝ 得出保溫層的壁厚為 d＝（ － 630）247。 2＝ ； 根據(jù)實際要求，實際的壁厚為取 80mm。 圖 25 有空氣保溫層的保溫爐斷面圖 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 18 觀察窗的設(shè)計 通常通過觀察窗來監(jiān)視真空容器內(nèi)部生產(chǎn)情況（如觀測溫度、試料狀態(tài)等）或傳輸光源。根據(jù)密封型式，觀察窗可分為可拆連接和不可拆連接。前者用于高真空和低真空，后者用于超高真空系統(tǒng)。在不可拆連接中，用無氧高導銅和玻璃的不匹配封接或者使用可伐與玻璃的匹配封接，兩者都能承受 300～ 450℃高溫烘烤。真空度要求不太高的地方，可用透 明有機玻璃板代替玻璃板。傳播光線的觀察窗材料可采用光學玻璃或熔石英等。石英玻璃用在高溫爐上，為了預(yù)防橡膠密封圈過熱，法蘭要用水冷卻。為了防止某些金屬蒸鍍到玻璃片上，可裝設(shè)擋片或擦拭片。 觀察窗的基本結(jié)構(gòu)類型有：① 帶擦拭片的觀察窗、② 水冷觀察窗、③ 可移動觀察窗、④ 透明聚乙烯薄膜觀察窗等。 ① 帶擦片式觀察窗 帶擦片式觀察窗的整體效果較好，可以對觀察窗隨時進行擦洗，達到觀察窗的清潔，但也有存在著缺點，主要在于爐子要進行維修時，帶擦片式觀察窗拆卸不方便，甚至困難，所以這種觀察窗不常采用。 ② 水冷觀察 窗 帶有冷卻水的觀察窗的冷卻效果較好，降低了觀察窗的溫度，拆卸維修也比較方便；但也存在缺點，該觀察窗上帶有兩個玻璃窗，且中間隔有間隙，在冷卻的過程中水汽在兩玻璃片的中間模糊了觀察爐內(nèi)的效果，這樣以來對觀察窗要經(jīng)常進行擦洗，增大了工人的勞動強度。 ③ 可移動觀察窗和透明聚乙烯薄膜觀察窗 二者的觀察窗優(yōu)點在于總結(jié)了上述觀察窗的缺點，可大大增加了成本，然而這種觀察窗在工業(yè)上不常用。 自行設(shè)計觀察窗 圖 26 觀察窗結(jié)構(gòu) 總結(jié)常用觀察窗的優(yōu)缺點，設(shè)計出成本低，維修方便且冷卻效果較好的觀察窗，因此 所設(shè)計的觀察窗為帶有冷卻水的且可拆卸的觀察窗。如圖 26所示。 臨沂大學本科專業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計 19 所設(shè)計的觀察窗為帶有冷卻水的且可拆卸的觀察窗結(jié)構(gòu)比較簡單，裝拆卸、維修也比較方便，主要是帶有冷卻系統(tǒng)，可降低觀察玻璃的溫度。 觀察玻璃的選擇 爐內(nèi)工作的溫度在 600℃左右，對材料的隔熱性能、耐高溫的性能要求比較高，雖然觀察窗用水進行冷卻，達到降低溫度的目的，但爐內(nèi)工作的溫度較高也會大量熱量會輻射到觀察窗上，使觀察玻璃的溫度上升。為了提高觀察玻璃的使用壽命，應(yīng)采用耐高溫的玻璃，即耐熱玻璃。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計 冷卻方式 的選擇 傳統(tǒng)離子滲氮爐的冷卻方式存在許多問題。如水冷式的離子滲氮爐采取在爐筒夾層內(nèi)通水冷卻的方式。由于爐壁吸收了大量的熱量，最終被冷卻水不斷地帶走，這就造成了能量的大量損失。離子滲氮處理完成后，工件要隨爐自然冷卻，由于設(shè)備的冷卻速度非常慢，因此冷卻需要很長時間，這就大大降低了生產(chǎn)效率。另外，由于降溫緩慢，擴散層中針狀γ180。相析出，降低了離子滲氮后零件的力學性能。 為了提高勞動生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，使被處理工件的針狀γ180。相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹R氏體，增加強度，進一步提高使用壽命，我們采用了風冷來對爐體進行冷卻，設(shè)計了離子滲氮爐的快速冷卻系統(tǒng) — 風道，風道圖如圖 27所示。當工件進行快速冷卻時，打開充氣控制閥，冷卻氣體經(jīng)進氣環(huán)管進入爐內(nèi)，冷卻氣體在風道流動帶走了熱量。從而加快了工件的冷卻速度。 風道的結(jié)構(gòu)設(shè)計 風道的快速冷卻系統(tǒng)，風道圖如圖 2