ANSYS在真空爐溫度場建模研究中的應(yīng)用

王躍飛， 馮志強(qiáng)， 張圓圓， 雷金輝， 黃宜軍

(1.欽州學(xué)院機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院, 廣西 欽州 535000；2.昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650093)

ANSYS在真空爐溫度場建模研究中的應(yīng)用

王躍飛1， 馮志強(qiáng)1， 張圓圓1， 雷金輝2， 黃宜軍1

(1.欽州學(xué)院機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院, 廣西 欽州 535000；2.昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650093)

真空爐作為真空蒸餾法的主要設(shè)備，在二次資源再生、新材料的研發(fā)等方面應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)火法精煉除雜質(zhì)相比較，真空蒸餾法具有步驟簡單、直收率高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，因真空爐溫度控制水平低、冶煉時(shí)爐內(nèi)溫度難采集等原因，其發(fā)展受到限制，因此對該設(shè)備進(jìn)行溫度場的仿真建模研究具有重要意義。本文采用ANSYS對內(nèi)熱式真空爐溫度場的主要坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算，同時(shí)利用多組雙鉑銠高溫?zé)犭娕紝υ摖t測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明將有限元運(yùn)用于真空爐瞬態(tài)溫度場分析中，相對誤差在2.536%～3.696%之間，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本一致。此研究為不同合金的冶煉提供了新的溫度場分析方法。

建模； 溫度場； 有限元分析； ANSYS軟件； 真空爐

真空爐作為真空蒸餾分離多元合金的主要設(shè)備，在冶金工業(yè)中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)火法精煉相比，真空蒸餾法具有步驟簡單、回收率高，對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。真空爐反應(yīng)區(qū)溫度的準(zhǔn)確性、溫度場的分布情況以及反應(yīng)過程的瞬時(shí)溫度變化等因素，對不同金屬在真空條件下的反應(yīng)機(jī)理分析有著極其重要的作用[2]，同時(shí)也直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗和設(shè)備的使用壽命。對于真空冶金爐而言，影響指標(biāo)除溫度外，真空度、抽速容積比、爐室漏氣率、加熱功率、溫度場均勻性等也是需要考慮的重要指標(biāo)[3]，而且溫度對其中的許多指標(biāo)都有影響，甚至有決定性的影響，若不能準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)溫度的分布情況，則無法進(jìn)一步了解與掌握各種金屬冶煉過程的反應(yīng)機(jī)理，也無法掌握真空冶金爐的工藝操作參數(shù)，造成人力、物力、財(cái)力的巨大損失和浪費(fèi)，甚至產(chǎn)生安全事故[4]。本文對真空冶金爐溫度場的仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為不同合金真空冶煉提純時(shí)溫度場的分布情況提供仿真方法和實(shí)驗(yàn)可行性數(shù)據(jù)。

1 ANSYS仿真

1.1 內(nèi)熱式真空爐模型的物理描述及爐況簡化

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用內(nèi)熱式真空爐，該爐由蒸發(fā)盤、冷凝罩、供電系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)等組成。石墨電柱作為加熱源，安裝于爐體中心位置，加熱系統(tǒng)由PLC控制可控硅，從而控制加熱電流的大小[5]。水冷卻系統(tǒng)使?fàn)t體內(nèi)部形成大梯度溫度差，利于氣相金屬蒸氣冷凝，達(dá)到分離合金、提煉金屬的目的，并可降低爐殼溫度，延長真空爐的使用壽命[6]。由于爐體主視圖為軸對稱圖形，因此取右半邊主視圖作為仿真模型。真空爐尺寸如圖1所示。

圖1 真空爐尺寸圖(右半主視圖，單位mm)

實(shí)驗(yàn)表明，內(nèi)熱式真空爐工作區(qū)域呈圓柱空間，為得到爐內(nèi)溫度場的近似分布情況，仿真測試節(jié)點(diǎn)T1、T2、T3的分布如圖2所示。

圖2 爐內(nèi)仿真測試節(jié)點(diǎn)分布圖(單位mm)

由于該爐內(nèi)部溫度場由石墨電柱和爐壁之間的熱輻射、石墨電柱和爐壁分別與稀薄空氣之間的熱傳導(dǎo)疊加而成[7]。因此做如下假設(shè)和約定：①由于蒸發(fā)盤緊貼于石墨電柱周圍，故將蒸發(fā)盤作為石墨電柱的一部分處理，只考慮爐側(cè)壁與石墨電柱之間的熱輻射。②石墨電柱高度近似等于爐體高度，認(rèn)為石墨電柱和爐壁之間輻射換熱角系數(shù)各處相等。

③反應(yīng)區(qū)域稀薄空氣分布均勻。④設(shè)定仿真環(huán)境壓強(qiáng)為80 Pa[8]。

1.2 有限元模擬計(jì)算熱傳導(dǎo)的一般格式

瞬態(tài)溫度是時(shí)間域和空間域的函數(shù)，在空間域中采用C型插值函數(shù)對有限元進(jìn)行離散，利用加權(quán)余量法進(jìn)行分部積分可得到瞬態(tài)有限元熱傳導(dǎo)一般格式為式(1)[9-10]。

(1)

式中：K為熱傳導(dǎo)矩陣；T=[T1，T2，…Tn]T，為節(jié)點(diǎn)的溫度矩陣；P為溫度載荷矩陣；C為熱容矩陣。

1.3 ANSYS仿真

圖2給出真空爐反應(yīng)區(qū)域及仿真測試節(jié)點(diǎn)分布模型，表1給出真空爐各部分材料屬性及相關(guān)參數(shù)，以此作為仿真模型。ANSYS仿真過程主要步驟如下：

(1)設(shè)置相關(guān)材料參數(shù)[11]，如表1所示。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

Q235鋼在不同溫度下的熱傳導(dǎo)率不同，因此在設(shè)定爐壁的材料參數(shù)時(shí)，將真空爐升溫階段內(nèi)Q235鋼熱傳導(dǎo)率數(shù)值相差較大的溫度進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，表2為不同溫度下Q235鋼的熱傳導(dǎo)率[12]。

表2 不同溫度下Q235鋼的熱傳導(dǎo)率

(2)劃分網(wǎng)格：對有限元模型選擇單元類型，定義單元?jiǎng)澐殖叽鐬?.005，然后作單元格劃分，網(wǎng)格劃分后如圖3(a)所示。

(3)施加溫度載荷及求解：設(shè)定初始環(huán)境溫度為25 ℃，水冷系統(tǒng)溫度為70 ℃，加熱元件的最高溫度為1 500 ℃。施加發(fā)射率載荷：石墨電柱為0.97，Q235鋼為0.75。施加溫度載荷：加熱元件為T0=1 500 ℃，水冷壁為T1=70 ℃。定義數(shù)值：分別定義斯蒂芬- 玻爾茲曼常數(shù)為5.669×10-8，溫度偏移量TOFFST=273，定義輻射求解選項(xiàng)中收斂公差為0.01，選擇迭代求解算法，定義角度系數(shù)求解選項(xiàng)(做平面分析)。設(shè)置迭代次數(shù)為1 000(因?yàn)锳NSYS默認(rèn)的最大迭代次數(shù)為25，當(dāng)?shù)?5次后還沒有收斂，計(jì)算就會(huì)結(jié)束，因此需要加大迭代計(jì)算次數(shù))。存盤后進(jìn)行求解。

(4)結(jié)果的后處理：對所得的結(jié)果進(jìn)行處理，獲得達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真溫度場分布圖，仿真計(jì)算結(jié)果溫度分布如圖3(b)所示。將溫度沿爐體x=200 mm方向路徑映射，拾取軸向三等分節(jié)點(diǎn)，如圖3(c)所示。提取并顯示該路徑上三個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值，節(jié)點(diǎn)T1、T2、T3仿真計(jì)算結(jié)果如圖3(d)所示。

圖3 真空爐模型熱輻射溫度仿真圖(單位℃)

圖3(b)所示的熱輻射溫度場分布云圖表明：爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)域溫度場分布近似由石墨電柱到爐壁徑向降低，從上至下溫度呈降低趨勢。由圖3(d)可知，節(jié)點(diǎn)T1、T2、T3在保溫階段的仿真計(jì)算結(jié)果分別為873.234 ℃、826.477 ℃、792.306 ℃。

為了對上述仿真方法及模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，在昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室對內(nèi)熱式真空爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)分析

按照圖2所注的測試節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分布尺寸，在內(nèi)熱式真空爐中安裝15支雙鉑銠高溫?zé)犭娕紲y量溫度，通過西門子S7- 300控制器實(shí)現(xiàn)溫度值的實(shí)時(shí)采集。實(shí)驗(yàn)獲得15支高溫?zé)犭娕妓鶞y得的從0到112 min，每2 min記錄一次的溫度數(shù)據(jù)。取安裝于圓周上的12支熱電偶，以上、中、下三個(gè)等溫面將其分為3組：第1組T1(X2，X3，X5，X6)，第2組T2(X8，X9，X10，X11)，第3組T3(X13，X14，X15，X16)。分別將等溫面T1～T3上的4支熱電偶的測量值取平均值，得到等溫面T1、T2、T3的溫度曲線如圖4所示。

圖4 內(nèi)熱式真空爐在0～112 min內(nèi)等溫面實(shí)測溫度值曲線

圖4所示的等溫面實(shí)測溫度曲線顯示：在48～66 min段，爐膛內(nèi)反應(yīng)區(qū)域溫度較為穩(wěn)定，考慮到4組熱電偶安裝位置處于同一等溫面，溫度曲線走向基本一致，因此可以說明真空爐在48 min左右進(jìn)入保溫階段，熱電偶在50～58 min處于保溫相對穩(wěn)定時(shí)間段，三組熱電偶測試的主要溫度值數(shù)據(jù)見表3。

實(shí)測溫度值在48～66 min內(nèi)，真空爐反應(yīng)區(qū)域溫度較為穩(wěn)定，為減小誤差，取該時(shí)間段內(nèi)曲線相對平滑的50～58 min段，三處節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的5組數(shù)據(jù)，取平均值，并以公式：(測量值+修正值-模擬仿真值)/(測量值+修正值)計(jì)算相對誤差，三個(gè)等溫面實(shí)測值和仿真計(jì)算值如表4所示。

表3 三組熱電偶測試的主要溫度值 ℃

表4 三個(gè)等溫面測試值和模擬仿真值

由表4知，三個(gè)等溫面處的模擬仿真溫度值與實(shí)驗(yàn)測試值最大相對誤差為3.696%，最小相對誤差為2.536%，平均相對誤差為3.037%。其中在等溫面T2和T3處，模擬計(jì)算值與實(shí)測值誤差較T1偏大，經(jīng)分析，造成此處數(shù)據(jù)偏大的原因：在實(shí)際測量中，T2和T3等溫面上安裝的4支熱電偶可能插入過淺，偏離了坐標(biāo)位置，造成測量溫度值相比預(yù)期值偏低。但考慮到平均溫度在誤差接受范圍內(nèi)，且每組熱電偶的溫度曲線走勢基本相同，因此實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)基本可靠。

3 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS有限元分析方法，建立了真空爐溫度場的仿真模型，計(jì)算出爐內(nèi)主要節(jié)點(diǎn)的溫度值。利用雙鉑銠高溫?zé)犭娕紝?nèi)熱式真空爐對應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量驗(yàn)證，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后表明：等溫面T1、T2、T3上的熱電偶修正值分別為：-0.822 3 ℃、0.287 8 ℃、0.714 6 ℃。實(shí)驗(yàn)溫度穩(wěn)定階段的測量值與ANSYS仿真結(jié)果對比表明：將有限元運(yùn)用于真空爐瞬態(tài)溫度場分析，相對誤差在2.536%～3.696%之間，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本一致。運(yùn)用ANSYS有限元對真空爐反應(yīng)區(qū)域內(nèi)空間節(jié)點(diǎn)模擬計(jì)算，可為內(nèi)熱式真空爐分離不同合金時(shí)提供爐膛各節(jié)點(diǎn)空載下的溫度參數(shù)。

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ApplicationofANSYSintemperaturefieldmodelingofvacuumfurnace

WANG Yue-fei, FENG Zhi-qiang, ZHANG Yuan-yuan, LEI Jin-hui, HUANG Yi-jun

As the main equipment of vacuum distillation, vacuum furnace is widely used in the secondary resource regeneration, the extraction of precious metals from binary alloy and the development of new materials. Compared with the traditional pyro-refining method, the vacuum distillation method has the advantages of simple procedure, high direct recovery and no environment pollution. In the actual production, because of the low control level of vacuum furnace temperature, it is very difficult to measure the temperature in the furnace. Therefore, it is significant to carry out the modeling simulation on temperature field. This paper adopts ANSYS to develop simulation calculation on the main coordinate points of internal-heating vacuum furnace. At the same time, a cluster of double platinum-rhodium thermocouple is adopted for test. The results show that the finite element method is applied to analysis of transient temperature field in vacuum furnace, the relative error is 2.536%-3.696%. The simulation results are basically consistent with the test results. This study provides a new method for the analysis of the temperature field of different alloys smelting.

modeling; temperature field; finite element method; ANSYS software; vacuum furnace

TF806.9

B

1672-6103(2017)06-0039-05

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016LX437)； 廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(GXLH2016YB-02)； 欽州市船舶先進(jìn)設(shè)計(jì)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2016MADMB05)。

王躍飛(1986—)，男，山西人，碩士，講師，欽州學(xué)院任教。

2017-03-20

2017-11-06