真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律方法研究

許濤

【摘 要】真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律是進(jìn)行真空電阻爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重要依據(jù)，對熱處理工藝的進(jìn)步有著重要影響。本文以有限元思想為基礎(chǔ)，以有限元軟件ANSYS為研究工具，詳細(xì)闡述了利用ANSYS進(jìn)行真空電阻爐溫度場分布規(guī)律研究的方法，以期為真空電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

【關(guān)鍵詞】真空電阻爐;溫度場;分布規(guī)律

中圖分類號： TG155 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0086-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.031

【Abstract】The temperature field distribution law is an important basis for thestructural design and optimization of vacuum resistance furnace， which has great influence on the progress of technology for heating processing. Based on the concept of finite element and research tool of finite element software ANSYS， this paper detail elaborated the method of using ANSYS to study the temperature field distribution law of vacuum resistance furnace， hoping to provide some reference for the structural design and optimization of vacuum resistance furnace.

【Key words】Vacuum resistance furnace; Temperature field; Distribution law

0 引言

真空電阻爐是用于熱處理工藝的高溫加熱設(shè)備，利用其可實(shí)現(xiàn)淬火、退火、燒結(jié)、加熱、融化等工藝過程。因其具有加工過程易于控制、分離精度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此在真空冶煉領(lǐng)域和金屬加工領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。真空電阻爐有很多設(shè)計(jì)指標(biāo)，如真空度、加熱方式、溫度場分布規(guī)律等，其中，溫度場分布規(guī)律是其最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。如果能掌握其溫度場分布規(guī)律，無疑會提高真空電阻爐的設(shè)計(jì)水平與優(yōu)化，同時又會提高熱處理工藝水平。如何對真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律進(jìn)行研究，已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)，受到了越來越多人們的關(guān)注。為此，本文以內(nèi)熱式真空電阻爐為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS對真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。

1 真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律研究的關(guān)鍵

由于受到真空電阻爐自身的不規(guī)則性及爐內(nèi)加工物料的不確定性等因素的影響，爐內(nèi)的導(dǎo)熱溫度較為復(fù)雜，因此，通常使用數(shù)值分析法來研究真空電阻爐溫度場，其基本思想是，使用離散的點(diǎn)和面取代連續(xù)的點(diǎn)和面。大致步驟為：（1）將溫度場的時間區(qū)域和空間區(qū)域分割為有限個離散點(diǎn);（2）通過響應(yīng)的導(dǎo)熱微分公式求解出各個離散點(diǎn)處的溫度值;（3）如果離散點(diǎn)的數(shù)量和位置都是科學(xué)、合理的，則就可用離散點(diǎn)處的溫度值描述真空電阻爐內(nèi)溫度場的分布規(guī)律[2]。

因此，求解導(dǎo)熱微分方程就成為建立真空電阻爐溫度場數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。當(dāng)前，大部分研究學(xué)者采用有限元法來求解導(dǎo)熱微積分方程。具體步驟為：（1）將導(dǎo)熱微分方程離散化;（2）將連續(xù)求解區(qū)間分割成有限條網(wǎng)格線，用網(wǎng)格線的交叉點(diǎn)取代離散點(diǎn)，使單個區(qū)間與離散點(diǎn)逐一對應(yīng)，則可將導(dǎo)熱微分方程轉(zhuǎn)換為非線性代數(shù)方程組;（3）設(shè)置非線性代數(shù)方程組為差分格式，同時，初速條件也要轉(zhuǎn)換為非線性代數(shù)方程組;（4）通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算差分格式，最終獲得各個離散點(diǎn)的溫度值。因此，離散點(diǎn)分布的越細(xì)密、越科學(xué)，離散點(diǎn)的溫度值就越接近連續(xù)點(diǎn)的溫度場分布。

通常，可借助仿真軟件來求解實(shí)體模型的溫度場分布，其中ANSYS軟件由于具有功能強(qiáng)大、適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)體模型的溫度場分布中。

2 真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律的研究方法

2.1 有限元分析軟件ANSYS的介紹

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元軟件，具有功能強(qiáng)大、操作簡單、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為當(dāng)前國際最流行的有限元分析軟件。利用ANSYS能夠?qū)Υ艌觥㈦妶?、流體、熱場、結(jié)構(gòu)等諸多物理量進(jìn)行運(yùn)算和分析，將復(fù)雜的非線性問題近似轉(zhuǎn)換為有限元問題，并通過響應(yīng)的功能模塊進(jìn)行模擬仿真。由于其具有強(qiáng)大的分析與優(yōu)化問題，對于擁有較多參數(shù)的復(fù)雜幾何模型或者非線性問題，可進(jìn)行快速求解和優(yōu)化，并且模擬仿真結(jié)果與實(shí)際的情況非常相近，因此該軟件受到了很多業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者的認(rèn)可。

ANSYS軟件主要分為三個模塊，分別為前處理模塊、分析運(yùn)算模塊和后運(yùn)算模塊。其中，前處理模塊用于模型的建立及網(wǎng)格的劃分，用戶可用其構(gòu)建真空電阻爐溫度場的有限元模型。

分析運(yùn)算模塊主要用于各種物理參數(shù)的分析，如對磁場、電場、流體、熱場等參數(shù)的分析，具有極高的靈敏度和優(yōu)化分析能力，用戶可利用其進(jìn)行溫度場分布的分析。

后分析模塊主要用于分析結(jié)果的圖形表達(dá)，表達(dá)方式主要包括彩色等值線、梯度圖、矢量圖等，也可用曲線、圖標(biāo)的行形式表達(dá)出來。

2.2 利用ANSYS進(jìn)行真空電阻爐溫度場分布規(guī)律研究的過程

真空電阻爐的結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

空電阻爐在負(fù)載時的爐內(nèi)溫度場分布情況，因此，不考慮物料熱傳導(dǎo)對溫度場的影響。設(shè)定爐內(nèi)的溫度場主要是電熱元件與爐壁之間的熱輻射。

（2）當(dāng)真空電阻爐工作時，爐內(nèi)的空氣會被抽氣泵抽出爐外形成真空，因此，不考慮爐內(nèi)殘余氣體的熱傳導(dǎo)對溫度場的影響。設(shè)置爐內(nèi)殘余氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0001W/（m.k）。

（3）由于蒸發(fā)盤與電熱元件緊貼在一起，因此，將蒸發(fā)盤與電熱元件看作一個整體，只考慮爐壁與電熱元件之間的熱輻射。

（4）假設(shè)電熱元件的高度即為爐內(nèi)溫度場的高度。

（5）當(dāng)真空電阻爐空載運(yùn)行穩(wěn)定時，對其冷卻系統(tǒng)中的冷卻水的溫度進(jìn)行測量，得出冷卻水的溫度約為60度。

（6）真空電阻爐進(jìn)行熱處理加工時，爐內(nèi)的平均壓強(qiáng)為80Pa，因此，設(shè)置爐內(nèi)的壓強(qiáng)為80Pa，電熱元件工作時的溫度設(shè)置為1000℃，室外環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

根據(jù)上述初始條件的設(shè)置，利用ANSYS進(jìn)行真空電阻爐溫度場分布規(guī)律模擬仿真的具體過程如下所述：

（1）構(gòu)建真空電阻爐的有限元幾何模型。依次打開ANSYS軟件中的Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→AreasRectangles→By Dimensions，構(gòu)建真空電阻爐溫度場熱輻射的理想化的有限元幾何模型。

（2）設(shè)置真空電阻爐構(gòu)成材料的物理參數(shù)。依次打開ANSYS→Preprocessor→Element Tape→Add/Edit/Delete，設(shè)置真空電阻爐構(gòu)成材料的物理參數(shù)，構(gòu)成材料主要為爐體和電熱元件構(gòu)成材料，如A3鋼、鎳鉻合金、鉻鋁合金、鎢、碳化硅、二硅化鉬、石墨、碳等[3]。需要設(shè)置的參數(shù)主要為密度、熱傳導(dǎo)率、比熱容等。

（3）網(wǎng)格的分割。在構(gòu)建的真空電阻爐有限元模型中選擇單元類型，并進(jìn)行單元格的分割。

（4）設(shè)置參數(shù)的取值范圍并仿真。設(shè)置爐內(nèi)的起始溫度為25℃，最高溫度為1000℃，冷卻水的溫度一直保持在60℃，溫度偏移量為275。并進(jìn)行模擬仿真。

（5）仿真結(jié)果處理。待爐內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，獲得爐內(nèi)溫度場分布圖，如圖2所示。

通過上述仿真結(jié)果能夠得知，由于之前將將蒸發(fā)盤與加熱元件視為一個整體，沒有考慮蒸發(fā)盤對溫度場產(chǎn)生的影響。蒸發(fā)盤的作用是用來放置加工物料，由于其具有較強(qiáng)的密封性和隔熱性，當(dāng)加熱元件工作時，會造成加熱電極與蒸發(fā)盤之間的溫度升高，能夠加快熱處理加工的過程。同時，由于存在分子的熱運(yùn)動，使加熱元件與蒸發(fā)盤之間的空間近似真空，由此可見，蒸發(fā)盤能夠有效隔離電阻爐內(nèi)的溫度場。因此，可將爐內(nèi)的溫度場分割成兩個區(qū)域，即蒸發(fā)區(qū)域和冷卻區(qū)域，并對爐內(nèi)溫度場模型進(jìn)行改進(jìn)和仿真。通過構(gòu)建改進(jìn)后的電阻爐溫度場熱輻射幾何模型，獲得改進(jìn)后的溫度場模擬仿真圖。從最后的仿真結(jié)果可知，蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的溫度場分布非常均勻，基本保持上下溫度相同;而冷卻區(qū)域內(nèi)溫度場分布的均勻性較差，溫度從蒸發(fā)盤到爐壁之間呈遞減的趨勢。

3 結(jié)束語

真空電阻爐溫度場分布規(guī)律關(guān)系著真空電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此，真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律研究方法，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)。本文以有限元思想為基礎(chǔ)，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行真空電阻爐的溫度場分布規(guī)律的仿真研究，能夠有效發(fā)現(xiàn)者爐內(nèi)溫度場分布規(guī)律，為真空電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供可重要參考。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王瑋東，馬穎澈，周理想，等.真空感應(yīng)冶煉中熔體流場和溫度場的計(jì)算機(jī)模擬[J].熱加工工藝，2016（19）：73-76.