碳化硅真空燒結爐溫度場數值模擬與系統優化

熊 梨，張登春，宋石初，陳 霖

（1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南諾伯特高溫設備有限公司，湖南 湘潭 411229）

碳化硅陶瓷制品具有硬度高、高溫強度大、高溫抗氧化性強、熱膨脹系數小、熱導率大、抗熱震、熱穩定性佳、耐磨損性能好和耐化學腐蝕等優良特性，在汽車、機械化工、環境保護、空間技術、信息電子、航天等領域應用日益廣泛[1-3]。碳化硅無壓燒結工藝需經過負壓脫粘、預燒、燒結、冷卻等工藝，目前技術條件下設備的生產效率較低、恒溫場設計較難達到要求，導致工件內部溫差過大，產生畸變[4]。因此，優化真空燒結爐的加熱系統參數，提升加熱效率與爐溫均勻性具有重要意義。

由于真空燒結爐試驗測試周期長、成本高，許多學者采用數值模擬的方法對真空爐溫度場分布[5-10]和性能優化[11-15]進行了研究。Hao等[5]建立了一個集成PID溫控子程序的三維數值傳熱模型，對真空熱處理爐內典型負荷的瞬態加熱過程進行了數值模擬分析。韓立勇等[10]采用Fluent軟件，分別對DTRM、P1、ROSSELAND、DO 4種輻射模型下的真空爐溫度場進行了數值模擬，得出采用DO輻射模型模擬得到的溫度場最接近真實情況。王昊杰等[11]、劉靜等[12]模擬了典型負荷下真空滲碳爐的加熱管長度、數量等結構參數對爐溫均勻性的影響。王同等[13]將空載狀態下熱氫處理爐的模擬結果與試驗數據進行了驗證，在此基礎上研究了不同負荷、發熱帶寬度對加熱效率及加熱均勻性的影響。

以上研究成果認為加熱效率、溫度均勻性是影響真空燒結爐工件變形的重要因素，但未對恒定加熱速率下真空燒結爐的加熱特性進行研究。本文采用Ansys Fluent軟件，建立恒定加熱速率下三維真空燒結爐瞬態溫度場數值模型，并將空載狀態時的實測數據與模擬結果進行對比，驗證模擬可靠性。在此基礎上，研究不同加熱速率、石墨加熱管直徑、加熱管與有效加熱區的間距對真空燒結爐加熱效率及爐溫均勻性的影響，為真空燒結爐的性能優化提供參考。

1 數值模型建立

1.1 幾何模型

采用Ansys平臺中的Design Model模塊，以ZSD4.5-1150C真空高溫燒結爐為參考建模，主要由有效加熱區、石墨加熱管、保溫層、真空隔熱室、水冷系統5部分組成，建模時將水冷系統簡化為壁面，其結構示意圖如圖1所示。有效加熱區尺寸550 mm×500 mm×1600 mm，石墨加熱管尺寸φ35 mm×600 mm，保溫層尺寸1050 mm×1000 mm×2000 mm，厚度130 mm，爐殼尺寸φ1450 mm×2000 mm。

圖1 真空燒結爐結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the vacuum sintering furnace

1.2 模型假設及網格劃分

真空燒結爐結構復雜，為提升計算效率，對仿真模型進行了如下簡化和假設：

1）所有材料都是均勻的且各向同性。

2）真空加熱過程中只存在熱輻射和熱傳導，將稀薄氣體視為透明介質，不考慮對流換熱。

3）忽略孔隙、胚料的相變對加熱過程溫度場的影響。

4）爐體最外層裝有循環水冷系統，模擬計算時比較復雜，且與分析燒結爐內部溫度場規律關系不大。因此，為簡化計算，建模時將水冷系統去掉，在Fluent中設置為恒定溫度壁面邊界。

由于模型各區域對網格質量要求不同，本文采用非結構化網格進行劃分，加熱室內溫度場分布為研究重點，需對該區域網格進行細化，如圖2（a）所示；整體網格如圖2（b）所示，共370 000網格，平均網格質量為0.76，滿足計算要求。

圖2 真空燒結爐加熱室示意圖（a）和整體網格劃分（b）Fig.2 Schematic diagram of heating chamber of vacuum sintering furnace（a）and overall mesh division（b）

1.3 控制方程

本文采用Ansys Fluent軟件、DO輻射模型進行模擬。真空燒結爐在加熱過程中，能量主要以熱輻射和熱傳導的形式傳遞[12]。控制方程如下：

1）能量方程

真空燒結爐中固體區域的能量傳輸方程[12]為：

式中：t為時間，s；p為密度，kg/m3；h為比焓，kJ/kg，h=∫cpd T，其中，cp為定壓比熱容，J/（kg·K）；?為哈密頓算子；u為速度矢量，m/s；λ為導熱系數，W/（m·K）；T為溫度，K；Φ為內熱源，W/m3。

由于真空燒結爐內氣體極為稀薄，絕對壓強約為80 Pa，則u=0 m/s，可忽略對流換熱的影響，公式（1）可簡化為：

2）輻射換熱模型

根據韓立勇等[8]的研究結論，模擬時采用離散縱坐標（DO）模型，輻射換熱模型如下：

式中：I為輻射強度，W/m2；r為輻射方位角法向向量；s為輻射沿程長度向量；s′為散射方向；α為材料吸收系數；σs為散熱系數；n為折射系數；σ為黑體輻射常數；Ω′為輻射立體角。

1.4 邊界條件

在計算過程中，固體和氣體交界面采用耦合邊界，各材料物性參數如表1[4，16]所示，其中石墨加熱管導熱系數與比熱容隨溫度改變而變化，見圖3。邊界條件設置如下：

圖3 石墨加熱管的比熱容與導熱系數Fig.3 Specific heat capacity and thermal conductivity of graphite heating tube

表1 爐體材料物性參數[4，16]Table 1 Physical parameters of furnace materials[4，16]

1）設定稀薄氣體密度p為1×10-10kg/m3，導熱系數λ為1×10-20W/（m·K），粘性系數v為1×10-15kg/（m·s），吸收系數為1×10-18m-1，散射系數為1×10-18m-1[10]，發射率為0.50。

2）石墨加熱管設為面熱源，按照額定加熱速率加熱至1473 K，再保持溫度恒定，模擬時設置為UDF函數進行加熱。

3）將水冷系統簡化為壁面，設置為恒定溫度邊界，343 K。

4）設定計算域初始溫度為T0=298 K。

2 結果與討論

采用恒定加熱速率加熱，將真空燒結爐空載狀態下的模擬結果與實測數據進行對比。在此基礎上，模擬負載狀態下不同加熱速率、加熱管直徑、加熱管與有效加熱區間距對真空燒結爐加熱效率和爐溫均勻性的影響。

2.1 空載模擬與實測數據對比分析

空載狀態下設定加熱速率v=6 K/min加熱到873 K，保溫30 min，再以加熱速率v=4 K/min加熱到1473 K，保溫38 min。由于真空燒結爐結構呈對稱分布，模擬時在有效加熱區設置4個監測點，如圖4所示。取真空燒結爐中心XOY截面的溫度場云圖（見圖5）進行分析，爐內溫度由內向外依次降低，有效加熱區溫度分布較均勻，約為1400 K。

圖4 空載狀態下有效加熱區監測點布置圖Fig.4 Layout of monitoring points in effective heating area under no-load condition

圖5 空載狀態下真空燒結爐中心XOY截面溫度場云圖Fig.5 Cloud map of temperature field of XOY section in the center of vacuum sintering furnace under no-load condition

對4個監測點在加熱管設定溫度達到373、473、573、873、1073、1473 K和873 K保溫30 min、1473 K保溫38 min時的溫度模擬結果與實測數據進行對比，如圖6所示，其中1、2、3、4為試驗測試數據，1′、2′、3′、4′為模擬結果。由圖6可知，真空燒結爐在空載狀態下，有效加熱區4個監測點的實測數據與模擬結果的升溫趨勢大體一致，最大誤差<10%，平均誤差為5%，吻合較好；圖6中實測值略大于模擬值，這是由于在模擬時，簡化設置加熱管以恒定速率加熱至1473 K，再保持恒溫1473 K不變進行保溫，此時有效加熱區溫度<1473 K，而在實際生產中，當有效加熱區測溫熱電偶溫度達到1473 K時，系統再進行保溫。

圖6 空載狀態下不同監測點溫度的實測數據與模擬結果對比圖Fig.6 Comparison of measured data and simulation results of temperature at different monitoring points under no-load condition

2.2 負載模擬分析

由于真空燒結爐內部工件之間相互遮擋，加熱管熱量不能直接輻射到被遮擋區，從而導致有效加熱區溫度不均勻并使工件產生較大溫差，引起熱畸變[4]。故本文以考慮溫度均勻性及加熱效率為基礎，模擬不同加熱速率、不同加熱管直徑及不同加熱管與有效加熱區的間距對真空燒結爐加熱系統溫度分布的影響。其中，溫度均勻性利用頂點工件與中心工件表面溫差△T1及中心工件表面與心部溫差△T2反映，JB/T 10550—2006《真空技術 真空燒結爐》中碳化硅真空燒結爐工藝要求△T2<5 K，加熱效率采用加熱管從同一初始溫度加熱到指定溫度的時間△t反映。圖7（a）為真空爐負載狀態模型，共128個工件，工件直徑為φ50 mm，爐體其他結構尺寸與空載模型保持一致；圖7（b）截取了1/2工件區，表示工件監測點位置圖，坐標分別為S1（75，70，950）、C1（75，70，900）、S2（225，

圖7 真空燒結爐負載狀態模型（a）和工件監測點位置（b）Fig.7 Model of load state of vacuum sintering furnace（a）and positions of workpiece monitoring points（b）

210，350）、C2（225，210，300）。

2.2.1 加熱速率對加熱效率與溫度均勻性的影響

石墨加熱管依次取加熱速率v=6、9、12和15 K/min升溫至1473 K，然后保持1473 K不變，計算時間為300 min，模擬結果如圖8所示。其中，圖8（a～c）依次表示不同加熱速率下頂點工件表面的升溫曲線、頂點工件與中心工件表面的溫差、中心工件表面與心部的溫差。

圖8 不同加熱速率下的頂點工件表面升溫曲線（a）、頂點工件與中心工件表面溫差（b）和中心工件表面與心部溫差（c）Fig.8 Heating curves of the workpiece surface（a），surface temperature difference between top workpiece and center workpiece（b）and the temperature difference between surface and center of center workpiece（c）under different heating rates

由圖8（a）可知，系統加熱時間隨加熱速率的增加而減少，當加熱速率依次為6、9、12和15 K/min時，頂點工件表面加熱至1382 K需要的時間依次為200、130、100和80 min，對比加熱速率v為6 K/min時，加熱時間分別減少了35.0%、50.0%和60.0%；由圖8（b）可知，頂點工件與中心工件表面溫差隨加熱速率增加而增大，加熱期間頂點工件與中心工件表面溫差△T1最大值依次為10.85、11.05、11.23和11.40 K，加熱初期工件溫差顯著增加，再趨于平緩，保溫期間溫差逐漸降低；由圖8（c）可知，中心工件表面與心部溫差隨加熱速率增加而增大，中心工件表面與心部溫差△T2最大值分別為4.41、4.77、5.03和5.39 K，依次增大，當v≥12 K/min時，中心工件表面與心部最大溫差>5 K，不符合碳化硅真空燒結爐工藝要求。對上述結果進行分析，保持其他條件恒定，增大加熱速率時，石墨加熱管表面升溫速度越快，則加熱管加熱到同一指定溫度的時間越少，加熱效率越高；單位時間、面積內加熱管輻射出的能量越多，且輻射能量與溫度4次方成正比，則工件表面升溫越快，頂點工件與中心工件表面表面之間的溫差隨之增大，同時由于材料的熱滯后性，中心工件表面與心部的溫差也隨之增大。因此，在避免工件產生畸變的溫差范圍內，適當增大加熱速率，可有效提高加熱系統的加熱效率。

2.2.2 加熱管直徑對加熱效率與溫度均勻性的影響

加熱管直徑依次取直徑φ25、φ35和φ45 mm，按照加熱速率v為6 K/min升溫至1473 K，然后保持1473 K不變，計算時間為300 min，模擬結果如圖9所示。由圖9（a）可知，頂點工件表面溫度隨加熱管直徑增加而增大，工件加熱至200 min時，頂點工件表面溫度依次為1342、1382和1406 K，對比φ25 mm時，頂點工件表面溫度分別增大了40 K和64 K；由圖9（b）可知，頂點工件與中心工件表面溫差隨加熱管直徑增加而減小，頂點工件與中心工件表面溫差△T1最大值依次為12.03、10.85和8.11 K，對比φ25 mm時，溫差最大值依次減小了9.8%和32.6%；由圖9（c）可知，中心工件表面與心部溫差隨加熱管直徑增加而增大，中心工件表面與心部溫差△T2最大值依次為4.27、4.41和4.63 K，增幅較小，均符合真空燒結爐工藝要求。分析上述模擬結果，保持其他條件恒定，增大加熱管直徑時，加熱管表面輻射溫度不變而加熱管與工件之間的相對輻射表面積增大，加熱管表面輻射出的總能量越多，工件表面溫度越高，則中心工件由于熱滯后表面與心部的溫差隨之增大，同時實際生產中工件加熱到指定溫度所需的時間越少，加熱效率越高；頂點工件與中心工件表面之間的溫差反而隨加熱管直徑增加而減小，這是因為直徑增大使加熱管與工件之間的輻射角增大，中心工件接收的輻射能量隨之增大，導致溫差減小。因此，適當增大加熱管直徑可提高加熱系統的加熱效率。

圖9 不同加熱管直徑下的頂點工件表面升溫曲線（a）、頂點工件與中心工件表面溫差（b）和中心工件表面與心部溫差（c）Fig.9 Heating curves of the workpiece surface（a），surface temperature difference between top workpiece and center workpiece（b）and the temperature difference between surface and center of center workpiece（c）under different diameters of heating tube

2.2.3 加熱管與有效加熱區的間距對加熱效率與溫度均勻性的影響

為了避免頂點工件局部溫度過高，加熱管與有效加熱區間距l通常為50～100 mm[4]。考慮爐體結構，依次取間距l為50、60、70、80和90 mm，加熱速率v為6 K/min升溫至1473 K，然后保持1473 K不變，計算時間為300 min，模擬結果如圖10所示。由圖10（a）可知，頂點工件表面溫度隨加熱管與有效加熱區間距的增加而減小，工件加熱至200 min時，頂點工件表面溫度依次為1382、1381、1380、1379和1376 K，對比l為50 mm時，依次減小了1、2、3和6 K，區別很小；由圖10（b）可知，頂點工件與中心工件表面溫差△T1最大值依次為10.34、10.38、10.73、10.00和10.20 K，變化也不大；由圖10（c）可知，中心工件表面與心部溫差△T2最大值依次為4.14、4.51、4.70、5.14和5.07 K，當l≤70 mm時，爐溫均勻性符合真空燒結爐工藝要求。可以看出，加熱管與有效加熱區間距變化對加熱系統加熱效率、溫度均勻性影響較小。

圖10 不同加熱管與有效加熱區間距下的頂點工件表面升溫曲線（a）、頂點工件與中心工件表面溫差（b）和中心工件表面與心部溫差（c）Fig.10 Heating curves of the workpiece surface（a），surface temperature difference between top workpiece and center workpiece（b）and the temperature difference between surface and center of center workpiece（c）under different distances between heating tubes and effective heating zone

2.3 加熱系統優化

依據2.2節模擬結果，綜合考慮真空燒結爐加熱系統的加熱效率和溫度均勻性，提出優化方案：加熱速率為9 K/min，加熱管直徑為φ45 mm，加熱管與有效加熱區間距為50 mm，優化前后模擬結果對比如圖11所示。由圖11（a）可知，優化前后達到溫度最大值的加熱時間分別為200 min和140 min，減少了30%，加熱效率大大提高；由圖11（b）可知，頂點工件與中心工件之間表面最大溫差分別為10.85 K和9.25 K，降低了14.7%；由圖11（c）可知，中心工件內部最大溫差分別為4.41 K和4.66 K，均小于5 K，符合真空爐工藝燒結要求。

圖11 加熱系統優化前后的頂點工件表面升溫曲線（a）、頂點工件與中心工件表面溫差（b）和中心工件表面與心部溫差（c）Fig.11 Heating curves of the workpiece surface（a），surface temperature difference between top workpiece and center workpiece（b）and the temperature difference between surface and center of center workpiece（c）before and after system optimization

3 結論

1）對空載狀態下真空燒結爐的瞬態溫度場進行了模擬，結果與實測數據基本吻合，最大誤差<10%，驗證了模擬可靠性。

2）加熱速率、加熱管直徑是影響真空燒結爐加熱效率和溫度均勻性的重要參數，適當增大加熱速率和加熱管直徑，可提高加熱系統的加熱效率和爐溫均勻性，改變加熱管與有效加熱區間距對加熱系統影響不大。

3）對真空燒結爐加熱系統進行優化，加熱速率由原來的6 K/min增大為9 K/min，加熱管直徑由原來的35 mm增大為45 mm，加熱管與有效加熱區間距由原來的65 mm減小為50 mm。優化后加熱時間減少了60 min，加熱效率提高了30%，頂點工件與中心工件表面溫差從10.85 K降低到9.25 K，中心工件表面與心部溫差<5 K，符合碳化硅真空燒結爐工藝生產要求。