保温式活性屏离子热处理炉主体结构设计探析

马峻麒

摘要：对保温式活性屏离子热处理炉的主体结构进行优化设计，选择合适的保温材料和炉体材料，准确计算出保温式活性屏离子热处理炉主体机构中的保温层厚度和炉体壁厚度，实现对炉体零部件和炉体结构中冷却系统的合理设计，才能充分发挥保温式活性屏离子热处理炉的重要作用，促進生产过程的多功能化，体现出节能环保的特点。

关键词：保温式；活性屏；离子热处理炉；主体结构

离子化学热处理技术随着我国信息技术和科学技术的不断发展和进步，目前已经在我国生产企业中得到了广泛的应用，主要包括离子淡化、等离子体化学气相沉淀和离子氮碳共渗等不同的处理工艺，在企业的生产过程中应用具有较好的质量，处理速度相对比较快，不会产生污染和技能等特点。在实际的工业生产过程中，充分发挥离子热处理技术的作用，需要技术人员实现对保温式活性屏离子热处理炉主体结构的优化设计。

1.确定炉体结构中炉壳的外形和材料

保温式活性屏离子热处理炉是现代工业生产中应用比较广泛的一种生产设备，主要的组成部分是保温式炉体、液压升降系统和冷却系统等。这种生产设备在实际的工业生产应用过程中，最高的工作温度是650℃，设备中的极限真空度小于1Pa。其中，保温式活性屏离子热处理炉中在离子渗氮时，最高温度不足650℃。为了保证该生产设备在这种温度下，仍然可以继续长期进行工作，在选择炉体结构外壳材料的时候，可应用奥氏体不锈钢材料。因为奥氏体不锈钢材料在工业生产过程中，相对于其他材料，具有较好的高温强度、冷加工成形性、耐蚀性、可焊性和气密性等优点。一般情况下，大部分的离子热处理炉的真空反应室中的壳体基本都属于钟罩式结构，因为容易制造，而且具有较高的承压能力。所以，在设计保温式活性屏离子热处理炉主体结构的时候，炉壳外形结构的设计基本上都是立式钟罩形。

2.计算炉壁的厚度和炉体尺寸

保温式活性屏离子热处理炉的主体结构中，采用的是保温式反应室结构。其中，反应室内的工件的加热主要是利用活性屏进行辅助加热的，而反应室外壁的保温材料主要是利用保温材料进行覆盖实现的。另外，仅仅应用局部水冷的方法在炉体结构中的冷却部位进行冷却，例如炉体结构中的电极和密封胶圈等冷却部位进行冷却。在对炉体结构中的反应室进行了一定的保温处理之后，不仅可以节水和节电，还可以有效的提高炉体结构中反应室中工件温度的均匀性，对反应室中的使用空间进行了有效的扩大。为了保证生产工件在经过一定的处理之后，在进行冷却的时候加快冷却速度，设计人员可在保温式活性屏离子热处理炉的反应室和保温层之间的风冷通道。例如，对炉壁厚度进行计算的时候，如果炉体结构是圆筒形壳体，在计算厚度的时候，可利用图解法和计算法。选择比较简单常用的图解法，对炉壁的厚度进行设计，设计思路主要是：

（1）假设圆筒计算壁厚度值为S0，圆筒内径为DB，圆筒外径为DH，圆筒的计算长度是L，需要决定比值L/DH和DH/S0。根据实际测量出的圆筒形或者球形钢制外压容器壁厚，计算出L/DH的比值，将此点按照水平方向进行移动，相交DH/S0于一点。让这点沿垂直方向移动，相交于在炉体结构中所选的温度线于一点，将这点沿水平方向向右移动，可以计算出系数B。

（2）按照一定的计算公式，实现对许用外压力的计算，公式为[P]=BS0/DH。对炉体结构中设计的压力P和计算出的[P]值进行对比，如果[P]

3.炉体结构中保温层的设计

为了保证保温式活性屏离子热处理炉功能的充分发挥，在设计炉体结构的时候，要选择合适的保温材料。首先，炉体结构中应用的保温材料，应该满足一项前提条件，就是符合工业生产中对物理和化学性能等工艺要求。在选择的时候，应该保证选用的材料具有较低的导热系数、较小的密度、容易施工和较低的价格。例如，某生产工业保温式活性屏离子热处理炉结构的设计过程中，选用的保温层材料是岩棉板，主要的原料是精选的玄武岩，利用高温熔化加工制成的人造无机纤维，这种保温层具有较低的材质，较好的吸声性能、稳定的化学性能、较小的导热系数和不燃等特点。在实现对保温层的设计之后，技术人员还需要对保温层的厚度进行准确的计算。一般情况下，计算炉体结构中保温层厚度的时候，计算标准为3种。第一：按照允许的表面热损失值进行确定；第二：利用经济厚度法进行计算确定；第三：按照保温层的表面温度进行计算。例如，某工业生产设备中设计的的炉体结构中，对炉体保温层的计算，主要是按照保温层的表面温度进行的。计算公式如下：

其中，D0是指管道外径；D1是指主保温层直径；λ是指保温材料的导热系数；a2是指保温层外表面的放热系数；t1是指管道设备的外表温度；tk主要是指保温结构周围空气温度；tw是指保温层的表面温度。

4.炉体结构中冷却系统的设计

保温式活性屏离子热处理炉体结构的设计过程中，冷却系统的设计也是十分重要的工作内容。因为，例如炉体中的一些密封部位，比如炉体中的观察窗、底盘和电极等基本上是利用橡胶圈进行密封的。一般情况下，普通橡胶圈的工作温度在100℃之下，需要应用局部水冷措施进行冷却。为了提高该生产设备的生产工作效率，在离子热处理后的工件进行冷却的时候，应用炉外风冷，可在炉体中的保温层和炉壁之间设置风道。如需对工件进行冷却，秩序打开轴流风扇，让风道中进入流动空气，带走炉壁中产生的热量，从而快速冷却工件。

5.总结

根据保温式活性屏离子热处理炉目前在我国工业生产中的广泛应用，不断的对炉体结构进行优化设计，以充分发挥炉体的重要作用，才能促进我国工业生产的发展。

6.参考文献

[1]刘伟，赵程．保温式活性屏离子热处理炉主体结构设计[J]．青岛科技大学学报(自然科学版)，2008，29(04)：346—347．

[2]王建青，王璐璐，赵程．AISI 304奥氏体不锈钢活性屏离子渗碳[J] 青岛科技大学学报(自然科学版)，2010，32(04)．

[3]赵程，尚钰亮，田俊峰．奥氏体不锈钢低温离子硬化处理脉冲电源的研制[J] 青岛科技大学学报(自然科学版)，2011，28(04)．