真空热处理炉瞬态传热过程的数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院电子工程研究所 作者:石磊

  建立了一个三维真空热处理炉的非线性有限元模型,该模型的热源是电流通过加热体产生的焦耳热,传热途径主要考虑了加热体与内屏蔽层间、各屏蔽层之间的非线性辐射传热。利用有限元软件ANSYS 对真空热处理炉加热过程中的瞬态温度场进行了模拟计算,得到了热电偶温度随时间的变化曲线,并与实验结果进行了比较,讨论了进一步提高计算准确性的途径。

  真空焊接是在真空条件下对工件进行加热,此过程以辐射传热方式为主,真空加热具有在别的介质(大气、可控气氛、盐浴)中加热时不具备的特点。因为,一般的加热实际上不能够在广泛的温度范围和普遍的条件下都完全保持金属炽热表面与气氛碳势严格平衡和不起任何化学反应(氧化、脱碳、增碳、浸蚀等),而真空加热是在极稀薄的气氛中进行的,避免了上述一般加热的弊病。

  零件真空焊接后质量好坏取决于真空焊接工艺参数的选择,如加热温度、保温时间和真空度等。传统的研究方法是采用实验来探索合适的真空焊接工艺参数,这种方法虽然简单易行,但却需要进行大量的实验,具有一定的盲目性,且耗费大量的人力、物力和时间。通过数值模拟,我们可以建立真空焊接过程温度场和真空焊接工艺参数的定量关系,并通过少量的验证性实验证明数值模拟方法在真空焊接过程中的适用性,大量的工艺参数筛选工作就可以在计算机上完成,它能够显著地提高效率,降低生产成本。这对正确地选择真空焊接工艺参数,指导实际生产具有重要的现实意义。

  本文将建立一个真空热处理炉的三维有限元模型,并通过ANSYS 软件对其辐射传热热过程进行数值模拟。

1、计算模型和方法

  1.1、热量传递的基本公式

  热量传递有三种基本方式,即热传导、对流和热辐射。

  考虑物体温度随时间而变(非稳态问题),并且内部具有热源。在直角坐标系下,热传导方程为:

热传导方程

2、计算结果

  在加热钼丝上加载如图3 的加热功率曲线后,得到金属块(用于模拟热电偶)上计算的温度随时间的变化,作为对比,图上给出了测量得到的温度随时间的变化曲线。

计算和测量的温度随时间变化曲线

图3 计算和测量的温度随时间变化曲线

  图4 显示了在保温阶段加热钼丝、金属隔热屏各层间的温度分布情况。从图中可以看出,由于热传导,加热钼丝、各金属隔热屏上的温度是均匀的,但钼丝上温度比其它各部分的温度高得多,这也是热辐射的需要。

有限元法计算的温度分布云图

图4 有限元法计算的温度分布云图

3、结论

  计算和测量温度的变化范围和趋势基本保持一致,说明计算模型和计算过程基本是正确的,可以为实际生产提供理论指导。

  下一步的工作是提高计算的准确度和建立更符合实际的计算模型,其中包括:

  ● 平滑加热丝两端的电压电流和加热丝功率的准确确定。

  ● 各种材料辐射率的准确确定。

  ● 隔热屏的厚度会影响热容量,导致温度延迟,要求有准确值。

  ● 考虑其它形式的热损失(如连接部分的热传导引起的热损失,约10%~15%左右)。

  ● 数值计算的精度和收敛性。

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