真空電阻爐的溫度場分布規律方法研究

許濤

【摘 要】真空電阻爐的溫度場分布規律是進行真空電阻爐結構設計與優化的重要依據，對熱處理工藝的進步有著重要影響。本文以有限元思想為基礎，以有限元軟件ANSYS為研究工具，詳細闡述了利用ANSYS進行真空電阻爐溫度場分布規律研究的方法，以期為真空電阻爐的結構設計與優化提供參考。

【關鍵詞】真空電阻爐;溫度場;分布規律

中圖分類號： TG155 文獻標識碼： 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備，利用其可實現淬火、退火、燒結、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、節能環保等優點，因此在真空冶煉領域和金屬加工領域中具有廣闊的應用前景[1]。真空電阻爐有很多設計指標，如真空度、加熱方式、溫度場分布規律等，其中，溫度場分布規律是其最重要的設計指標。如果能掌握其溫度場分布規律，無疑會提高真空電阻爐的設計水平與優化，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律進行研究，已經成為當前學術領域中的一個研究熱點，受到了越來越多人們的關注。為此，本文以內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律進行深入研究。

1 真空電阻爐的溫度場分布規律研究的關鍵

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

因此，求解導熱微分方程就成為建立真空電阻爐溫度場數學模型的關鍵。當前，大部分研究學者采用有限元法來求解導熱微積分方程。具體步驟為：（1）將導熱微分方程離散化;（2）將連續求解區間分割成有限條網格線，用網格線的交叉點取代離散點，使單個區間與離散點逐一對應，則可將導熱微分方程轉換為非線性代數方程組;（3）設置非線性代數方程組為差分格式，同時，初速條件也要轉換為非線性代數方程組;（4）通過數學方法計算差分格式，最終獲得各個離散點的溫度值。因此，離散點分布的越細密、越科學，離散點的溫度值就越接近連續點的溫度場分布。

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

2 真空電阻爐的溫度場分布規律的研究方法

2.1 有限元分析軟件ANSYS的介紹

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發的大型通用有限元軟件，具有功能強大、操作簡單、準確度高的特點，現已成為當前國際最流行的有限元分析軟件。利用ANSYS能夠對磁場、電場、流體、熱場、結構等諸多物理量進行運算和分析，將復雜的非線性問題近似轉換為有限元問題，并通過響應的功能模塊進行模擬仿真。由于其具有強大的分析與優化問題，對于擁有較多參數的復雜幾何模型或者非線性問題，可進行快速求解和優化，并且模擬仿真結果與實際的情況非常相近，因此該軟件受到了很多業內專家和學者的認可。

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

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

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

2.2 利用ANSYS進行真空電阻爐溫度場分布規律研究的過程

真空電阻爐的結構如下圖1所示：

空電阻爐在負載時的爐內溫度場分布情況，因此，不考慮物料熱傳導對溫度場的影響。設定爐內的溫度場主要是電熱元件與爐壁之間的熱輻射。

（2）當真空電阻爐工作時，爐內的空氣會被抽氣泵抽出爐外形成真空，因此，不考慮爐內殘余氣體的熱傳導對溫度場的影響。設置爐內殘余氣體的導熱系數為0.0001W/（m.k）。

（3）由于蒸發盤與電熱元件緊貼在一起，因此，將蒸發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）假設電熱元件的高度即為爐內溫度場的高度。

（5）當真空電阻爐空載運行穩定時，對其冷卻系統中的冷卻水的溫度進行測量，得出冷卻水的溫度約為60度。

（6）真空電阻爐進行熱處理加工時，爐內的平均壓強為80Pa，因此，設置爐內的壓強為80Pa，電熱元件工作時的溫度設置為1000℃，室外環境溫度設置為25℃。

根據上述初始條件的設置，利用ANSYS進行真空電阻爐溫度場分布規律模擬仿真的具體過程如下所述：

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

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

（4）設置參數的取值范圍并仿真。設置爐內的起始溫度為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。并進行模擬仿真。

（5）仿真結果處理。待爐內溫度達到穩態時，獲得爐內溫度場分布圖，如圖2所示。

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

3 結束語

真空電阻爐溫度場分布規律關系著真空電阻爐的結構設計和優化，因此，真空電阻爐的溫度場分布規律研究方法，已經成為學術領域中的一個研究熱點。本文以有限元思想為基礎，利用有限元軟件ANSYS進行真空電阻爐的溫度場分布規律的仿真研究，能夠有效發現者爐內溫度場分布規律，為真空電阻爐的結構設計與優化提供可重要參考。

【參考文獻】

[1]章鐵軍.計量檢測用管式電阻爐溫度場均勻性的研究[J].科技創新導報，2018，v.15;No.435（3）：98-99.

[2]孫建亮，邱丑武，畢雪峰，等.感應加熱與傳統加熱模式大型筒節加熱效果研究[J].機械工程學報，2017，53（10）：25-33.

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