李 強，王 璐

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048)

0 引言

氣氛燒結(jié)爐是粉末冶金行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。燒結(jié)爐在進行產(chǎn)品燒結(jié)時的溫度分布會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對燒結(jié)爐內(nèi)溫度場的精確控制是確保粉末冶金燒結(jié)成功的重要前提。采用ANSYS仿真軟件建立仿真模型[1-3]，對多種結(jié)構(gòu)的燒結(jié)爐進行溫度場動態(tài)分析[4-6]。研究爐體結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對燒結(jié)爐內(nèi)溫度場分布規(guī)律的影響，從而對爐體設(shè)計結(jié)構(gòu)[7]和工藝參數(shù)[8]的選用進行指導(dǎo)，可以大幅度降低研制成本，同時提高燒結(jié)爐研制效率。

本課題運用有限元分析的思想，利用ANSYS軟件對燒結(jié)爐建立仿真模型[9]，通過改變加熱體形狀、爐襯結(jié)構(gòu)等建立新的燒結(jié)爐仿真模型進行溫度場仿真，模擬出接近真實的溫度分布。觀察不同結(jié)構(gòu)下燒結(jié)爐溫度場的變化情況，從而對現(xiàn)實中的工業(yè)加熱石墨加熱體的設(shè)計提供有效的優(yōu)化指導(dǎo)。

1 有限元分析

1.1 氣氛燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)簡化

氣氛燒結(jié)爐主要由爐頂、爐底、爐墻、爐殼以及加熱元件等組成。其中加熱元件采用石墨加熱體，爐墻及爐頂均為三層，選用相同的隔熱層材料，從內(nèi)至外分別為電極石墨(或硬質(zhì)碳氈)、碳氈、硅酸鋁纖維；爐殼為兩層中間夾有循環(huán)水不銹鋼鋼板；隔熱層(電極石墨層或硬質(zhì)碳氈層)并未與加熱元件直接接觸，它們之間還隔有用于絕緣的氮氣層；爐底為莫來石搗打?qū)?。燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1.電極 2.抽真空系統(tǒng) 3.石墨加熱體 4.進水口 5.出水口 6.觀察口 7.熱電偶插入口 8.絕緣層 9.循環(huán)水層 10.外鋼板圖1 燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 ANSYS有限元分析

燒結(jié)爐內(nèi)溫度傳輸通過傳導(dǎo)、對流和輻射散失到周圍介質(zhì)中去。為了便于計算作以下假設(shè)：(1)材料各向同向；(2)材料參數(shù)密度、比熱容為常數(shù)；(3)環(huán)境溫度不變，為室溫22 ℃；(4)石墨加熱體溫度分布均勻。其熱傳導(dǎo)傳遞的凈熱量可用傅里葉定律計算：

(1)

式中，Q為熱流率，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A為導(dǎo)熱面積，dT/dn為溫度梯度。

其熱對流遵循的凈熱量可用牛頓冷卻公式計算：

Q=Ah(ts-tf)

(2)

式中，h表示對流換熱系數(shù)，ts為固體表面溫度，tf為流體溫度。

熱輻射凈熱量可用斯蒂芬-玻爾茲曼定律方程計算：

(3)

氣氛燒結(jié)爐的物理模型是具有一定初始條件和邊界條件的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱方程為：

(4)

式(4)描述了加熱體內(nèi)部進行熱傳導(dǎo)時各點溫度的變化規(guī)律。

在ANSYS中，若只考慮模型表面對周圍環(huán)境的輻射以及表面之間的相互輻射，則輻射熱量可以簡化為式(5)：

(5)

其中，Qi為i表面的輻射熱流率，εi為i表面的有效輻射率，F(xiàn)ij為輻射角系數(shù)(視角因子)，Ai、Aj分別表示i表面和j表面的面積，Ti、Tj分別表示i表面和j表面的絕對溫度。

1.3 有限元模型及材料參數(shù)

1.3.1建立模型

(1)均勻溫度場仿真模型

在均勻溫度場燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)中，加熱體的結(jié)構(gòu)均設(shè)計為圓筒形，設(shè)置燒結(jié)爐的環(huán)境溫度為22 ℃，電功率為90 kW，其模型如圖2所示。

圖2 均勻加熱體模型

在本設(shè)計中，加熱元件與各層爐墻均為圓筒狀，在理想狀態(tài)下，石墨加熱體向爐膛與爐墻的熱輻射是均勻的，爐襯向外的傳熱也是均勻的，所以爐膛內(nèi)的溫度也會均勻分布。在此基礎(chǔ)上改變爐襯結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三模型[10]。

(2)梯度溫度場仿真模型

將加熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計為階梯式，共分為3段(即將爐膛內(nèi)加熱區(qū)分為3區(qū))，每段仍為圓筒狀，高度均為200 mm，第一段(接近爐底)厚度為20 mm，第二段(中間段)厚度為15 mm，第三段(接近爐頂)厚度為10 mm。在此基礎(chǔ)上改變爐襯結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)四、結(jié)構(gòu)五、結(jié)構(gòu)六模型。階梯式加熱體模型如圖3所示。

圖3 梯狀加熱體模型

1.3.2參數(shù)設(shè)置

表1 材料屬性

結(jié)爐中主要的熱傳遞方式為熱傳導(dǎo)與熱輻射。在ANSYS熱分析中，若表面互相接觸則默認為會發(fā)生傳熱，故不需要再單獨設(shè)置熱傳導(dǎo)參數(shù)。根據(jù)表2所示參數(shù)即可為燒結(jié)爐系統(tǒng)施加熱輻射載荷。

表2 熱輻射發(fā)射率

最后通過分析模塊中的相應(yīng)設(shè)置進行溫度場的求解。

2 溫度場仿真結(jié)果分析

2.1 靜電場分析仿真結(jié)果

均勻溫度場，因為其3種結(jié)構(gòu)下加熱元件的材料、結(jié)構(gòu)與施加電流都相等，所以靜電場分析結(jié)果相同。同理，梯度溫度場的3個仿真模型的靜電場分析結(jié)果也是相同的。

由圖4可知，施加給石墨加熱體的電流所產(chǎn)生的焦耳熱均勻分布在加熱體上，其值為1.462 9×107W/m3。那么在理想狀態(tài)下，燒結(jié)爐內(nèi)的溫度是均勻分布的。

圖4 均勻溫度場焦耳熱分布

從圖5中可以看到，在階梯式的石墨加熱體上，三段加熱體上的焦耳熱大小明顯不同，而在各段上的焦耳熱分布基本均勻。同樣地，本次靜電場分析仿真中所得到的結(jié)果將應(yīng)用于接下來的瞬態(tài)溫度場分析中。石墨加熱體上焦耳熱的明顯分區(qū)為梯度溫度場的實現(xiàn)提供了最基礎(chǔ)的理論上可靠的熱量分布狀態(tài)。

圖5 梯形溫度場焦耳熱分布

2.2 瞬態(tài)溫度場分析仿真結(jié)果

2.2.1溫度場云圖

從圖6、圖7可知，最高溫度為石墨加熱體處，由石墨加熱體向外溫度逐漸降低，直至爐殼表面溫度降為室溫。加熱體為均勻黑度，但這并不能代表加熱體上的溫度分布的均勻性，因為在溫度分布云圖中每種黑度代表了一個溫度區(qū)間，在圖6中，溫度區(qū)間大小約為263 ℃，圖7溫度區(qū)間的大小約為277 ℃，具體的溫度場均勻性分析還需從仿真模型中取出更多的溫度數(shù)值來進行分析。

圖6 結(jié)構(gòu)體1溫度場云圖

其余4個仿真模型的溫度場云圖就不再一一列舉了，它們在7 200 s時的最高溫度Ta與最低溫度Ti如表3所示。

表3 7 200 s時各結(jié)構(gòu)的最高溫度與最低溫度

圖7 結(jié)構(gòu)體4溫度場云圖

由表3可知，在7 200 s時，各個燒結(jié)爐溫度場仿真模型的最低溫度都不超過23 ℃，與室溫接近，即爐殼的最高溫度仍然為室溫，可以說明，本設(shè)計中的6個燒結(jié)爐模型的爐襯傳熱是比較合理的，在燒結(jié)爐工作過程中爐殼溫度仍為室溫，不會過高以致于出現(xiàn)安全事故。

燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)一、二、四、五的爐襯厚度相同，電極石墨20 mm，碳氈層80 mm；而燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)三、六電極石墨50 mm，碳氈層厚度50 mm。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，碳氈層的厚度對燒結(jié)爐的保溫性能有很大的影響，碳氈層越厚，燒結(jié)爐的保溫性能越好。

2.2.2升溫曲線

燒結(jié)爐中石墨加熱體的升溫曲線如圖8、圖9所示，其中圖8為均勻溫度場，圖9為梯度溫度場。

圖8 均勻溫度場升溫曲線

圖9 梯度溫度場升溫曲線

從圖8中可知，結(jié)構(gòu)二、三在2 000 s時最高溫度已經(jīng)基本穩(wěn)定，而結(jié)構(gòu)一在5 500 s時才接近穩(wěn)定；從圖9可知，結(jié)構(gòu)五、六在3 000 s時最高溫度已經(jīng)基本穩(wěn)定，而結(jié)構(gòu)四在6 500 s時才接近穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)四的第一層隔熱層為電極石墨，而結(jié)構(gòu)二、三、五、六的第一層隔熱層為硬質(zhì)碳氈，其余材料均相同，通過升溫曲線可以看出電極石墨做加熱爐的隔熱層效果明顯不好，升溫速率過低。電極石墨的熱導(dǎo)率高達120 W·m-1·K-1，硬質(zhì)碳氈的熱導(dǎo)率只有0.3 W·m-1·K-1，在設(shè)計加熱爐時要選擇合理的爐襯材料，熱導(dǎo)率過高的材料不適合作為加熱爐的隔熱層。

在均勻溫度場仿真模型中，雖然結(jié)構(gòu)一的最高溫度高于結(jié)構(gòu)三的最高溫度約50 ℃，但綜合考慮升溫過程，結(jié)構(gòu)三的溫度場明顯優(yōu)于結(jié)構(gòu)一；結(jié)構(gòu)二與結(jié)構(gòu)三相比，它們的升溫速率基本接近，而結(jié)構(gòu)二的最高溫度高于結(jié)構(gòu)三的最高溫度約30 ℃，則結(jié)構(gòu)二優(yōu)于結(jié)構(gòu)三。所以，綜合考慮最高溫度與升溫速率，在均勻溫度場的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)二為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

在梯度溫度場仿真模型中，按照分析均勻溫度場仿真模型的分析思路，綜合考慮最高溫度與升溫速率，結(jié)構(gòu)五為最優(yōu)，結(jié)構(gòu)六次之，結(jié)構(gòu)四最差。

2.2.3橫向溫度分布分析

在石墨體高600 mm情況下，以加熱底面為基準(zhǔn)，在高300 mm處取橫截面，取4個時刻對燒結(jié)爐進行溫度分析。圖10為結(jié)構(gòu)體一的溫度分布曲線，圖11為結(jié)構(gòu)體二的溫度分布曲線，圖中橫坐標(biāo)為距離d，表示距加熱爐模型中心軸線Y軸的距離；縱坐標(biāo)為溫度T。

圖10 結(jié)構(gòu)體一溫度曲線

燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)二僅有第一層隔熱層的材料不同，其他參數(shù)均相同，由此可以判斷，爐襯傳熱過程不同是由于第一層隔熱層材料不同所引起的，即電極石墨與硬質(zhì)碳氈的不同屬性所引起的。物體的導(dǎo)熱能力主要由其熱導(dǎo)率決定，熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱能力越強。由表1可知電極石墨的導(dǎo)熱性能遠遠強于硬質(zhì)碳氈，從而導(dǎo)致石墨加熱體升溫速率很慢，且與電極石墨間產(chǎn)生較大的溫度差。其余4個結(jié)構(gòu)的溫度場仿真橫向溫度分布與上述兩個仿真模型分別有著相同的規(guī)律，則不再介紹。

圖11 結(jié)構(gòu)體二溫度曲線

2.2.4溫度梯度變化分析

為了比較均勻溫度場與非均勻溫度場的溫度梯度變化，把6種結(jié)構(gòu)的溫度場仿真模型的縱向溫度擬合為直線并求出其斜率進行比較。在擬合梯度溫度場的溫度時，只對溫度呈上升趨勢的那段進行擬合。

對燒結(jié)爐縱向溫度進行擬合，分別如圖12、圖13所示。表4為6種結(jié)構(gòu)的溫度梯度。

圖12 均勻溫度場縱向溫度擬合圖

圖13 梯度溫度場縱向溫度擬合圖

結(jié)構(gòu)一二三四五六ΔT/(℃/mm)0.082 10.087 570.092 590.289 350.246 330.313 61

從圖12、圖13與表4中可以清楚地看到，梯度溫度場溫度分布呈線性上升，溫度呈階梯狀分布，效果明顯，這說明了使用階梯式加熱體來實現(xiàn)梯度溫度場是可行的。

由表4得3個均勻溫度場燒結(jié)爐的溫度梯度比較相近，相鄰溫度梯度僅相差約0.005 ℃/mm，約為5%。綜合考慮保溫效果、升溫速率等因素，燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)二最優(yōu)。

對于梯度溫度場，若實際生產(chǎn)或?qū)嶒炑芯恐行枰臏囟忍荻容^大，則斜率越大越好。由表4可知，結(jié)構(gòu)六的溫度梯度最大，結(jié)構(gòu)四次之，結(jié)構(gòu)五最差。

3 結(jié)論

(1)通過靜電場分析，當(dāng)輸入功率一定時，圓筒式加熱體的焦耳熱均勻分布，其值為定值；而階梯式加熱體的焦耳熱分布呈階梯式分布。

(2)硬質(zhì)碳氈層的厚度越大、碳氈層的厚度越小，溫度場溫度梯度越大，但保溫效果有所下降。在設(shè)計梯度溫度燒結(jié)爐時，可根據(jù)所需要的溫度梯度大小來設(shè)計爐襯厚度。

(3)加熱體的形狀、爐襯結(jié)構(gòu)直接影響燒結(jié)爐內(nèi)溫度場的動態(tài)分布。