内热式多级连续真空炉温度场测试系统的设计.doc

基于ANSYS内热式多级连续真空炉温度场测试研究
雷金辉1，束军，付彤
(1.昆明理工大学 信息工程和自动化学院，云南 昆明650000）
摘要：内热式多级连续真空炉含有能耗低，污染少，金属回收率高等优点，是有色金属冶炼关键设备。不过因为真空炉内温度极难正确测量，炉内温度场分布不明确等原因一直制约着真空冶金炉发展。本文以小型内热式真空炉为研究对象，提出了一个多支热电偶同时静态测温方法，并经过ANSYS软件仿真对比，测量数据和仿真数据误差低于0.993%,验证系统可行性和正确性。
关键字：真空炉 ；温度场；ANSYS软件； 热电偶；
中图分类号： TP212.9 文件标识码： A
The test of ANSYS internal heating type multistage continuous vacuum furnace based on temperature
Lei Jinhui1，Shu jun 2，Fu tong
（1.College of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，P．R．China;）
Internal heating type multistage continuous vacuum furnace has the advantages of low energy consumption, less pollution, high metal recovery, is an important equipment of non-ferrous metal smelting. However, it is difficult to accurately measure the temperature in the vacuum furnace, and the temperature distribution in the furnace is not clear. This paper takes the small internal heating vacuum furnace as the research object, puts forward a method of multiple thermocouples and static temperature, and through the ANSYS software simulation, measurement data and simulation data error is less than 0.993%, to verify the accuracy and feasibility of the system.

Keywords：Vacuum furnace , Temperature field ,ANSYS software ,Thermocouple
0.引言
真空冶炼技术伴随真空设备制造业发展而逐步发展起来，为了适应该时优异技术要求，对高性能金属材料和新型金属材料需求日益加剧，在送样背景下，真空冶金在工业发达国家和地域得到推广和迅猛发展。真空技术发展历程表明，真空冶金发展关键建立在两个方面；第一是冶炼设备改善和创新能极大地促进真空冶炼技术长足发展。第二是开发对应自动控制系统，对于真空冶金来说，其核也就是对炉内温度场分布和温度有效、正确控制。在真空冶炼行业中，温度是真空冶炼中最关键参数之一。炉内温度正确性、温度场分布及温度随反应而改变过程对多种金属在真空条件下反应机理分析起着很关键作用同时也直接影响产品质量、能耗和设备使用寿命.
所以本文采取相同7支K型支热电偶分布在温度场不一样位置，将测量到温度信号经过S7-300输入模块送入CPU中，同时在上位机中对所测温度进行实时显示和统计。

1.温度场测试系统设计

1.1系统设计
依据内热式真空冶金炉工艺要求，真空炉系统包含水冷却系统，抽真空系统和供电控制系统。试验系统具体运行步骤为：将冷凝盖密封好后，开启冷却水阀，同时开启真空泵，观察真空压力表实时改变，等到压力表示到稳定值（即炉内真空度达成稳定值）后开启加热系统。当炉内温度达成控制器设置最高温度时，炉体进入保温阶段，设置一定保温时间后，由程序自行判定，调整晶阐管通电时间使炉内保持在最高温度，保温时间到后自动关闭加热电源。经过图1温度测量系统对温度场进行测量，同时统计所测温度。

图1 真空炉温度测量系统原理图

1.2内热式多级连续真空炉体设计

经过查阅大量文件资料，对之前炉体进行了改善，在导师指导下，设计了图2所表示内热式多级连续真空炉，关键用来处理锡－铅二元合金分离，属于立式真空炉。

图2 内热式多级连续真空炉结构示意图
(1观察孔 2石墨盖 3水冷炉壁 4冷凝罩 5隔热罩 6坩埚 7电柱 8盛料器 9水冷电极 10抽真空泵)
真空冶金工艺加热过程分为升温阶段和保温阶段，具体工作步骤为；将反应料放入坩埚中，并将冷凝盖密封好后，开启冷却水阀，同时开启真空泵，等到炉內真空度达成稳定值后开启加热炉，当炉内达成一定温度值和真空度时，物料开始产生相变，由固态变为气态，其中铅蒸汽由坩埚盘内向外扩散到冷凝罩内壁，随即冷凝成液体铅，沿冷凝罩流到下端石墨盛料器中。炉膛升温到设置最高温度时，控制器自动调整石墨电柱功率使炉膛温度处于动态保温状态，等到保温时间结束，控制器将自动控制加热电源关闭，真空炉在水冷系统作用下冷却到常温后取出物料，至此完成了合金分离。

1.3高温热电偶安装

内热式多级连续真空炉采取石墨电柱直接加热，物料在石墨电柱周围坩埚中。在结构上，炉体水平截面和石墨电柱截面近似成同心圆。近似认为炉内介质分布均匀，由此推断温度场梯度分布近似以石墨电柱为中心对称分布。由此将测温点做以下部署：将炉体在垂直方向做水平截面。每个截面测温点分布情况图3所表示。其中，X1~X6为测温热电偶。

图3 热电偶分布示意图
1.4高温热电偶校正

此次试验测试采取JWB/S分度双铂铑高温热电偶，因为热电偶在制作过程中每支存在误差不一样，造成处理后数据存在误差。利用“比高矮”原理，经过引入赔偿值降低因误差标准不一样引发系统误差。具体做法：指定一个标准热电偶（如X1），在同一温度下，将X2、X3、X4、X5、X6分别和X1做比较，得出这多个测温点热电偶和X1相对误差为1、2、3、4、5。在处理这多个测温点数据时，在原始数据上分别加上1~5，从而这多个测温点就和X1在同一误差水平上。这么达成减小系统误差目标。经试验测得，在800℃时，JWB/S分度H9D-WRR-120双铂铑高温热电偶和对应中心热电偶偏差值分别为0.8℃，-1.3℃，1.9℃，1.1℃，1.6℃。

2.内热式真空炉温度场仿真
ANSYS模拟仿真过程关键步骤以下[5]。
（1）构建几何模型。热辐射几何模型及尺寸图3(a)所表示。热传导几何模型及部分节点分布图3(b)所表示（因为炉体是轴对称图形，取右半部分）。具体尺寸如表1所表示。
表1 关键部件尺寸
部件
内直径
外直径
高度
炉壁/mm
260
280
460
石墨电柱/mm
20
40
460
（2）设置相关材料参数，如表2所表示。
表2 相关材料参数
材料
石墨
A3钢
密度（Kg/m3）
500
7850
热传导率(W/m·K)
129
45.4
比热容（W/g·K）
710
480
（3）划分网格。对有限元模型选择单元类型，然后进行单元格划分。
（4）施加温度载荷及求解。设定初始温度为25℃，最高温度为1500℃，并求解。
（5）结果后处理。以辐射面温度作为温度载荷施加于炉膛内空气介质，模拟得到热传导温度分布图图3所表示。

图4 热传导温度分布图
图4所表示空气介质热传导仿真结果表明：炉膛内空气介质温度场分布近似由加热体到炉壁径向降低，从上至下温度呈降低趋势。

3试验结果和分析

根据内热式真空炉温度场试验测量方法，经过西口子S7-300控制器进行温度实时采集。当真空炉达成保温阶段时，每2秒测一次数据，共测20组数据取平均值。
表3为实测值和仿真计算值比较。
表3 实测值和仿真计算值对照表

X1
X2
X3
X4
X5
X6
Xt
仿真值（℃）
834.65
786.09
732.73
629.03
482.48
343.73
850
实测数据
（℃）
828.40
782.74
736.65
599.61
463.44
331.78
858.54
7支模拟仿真温度值和试验测量值最大相对误差为0.993％；最小相对误差为0.117%。每支热电偶湿度曲线走势基础相同，经过和仿真计算值比较，得到试验所测数据基础可靠。
4结束语
本文利用ANSYS软件分别模拟出了内热式多级连续真空炉加热体和炉壁之间热辐射、石墨电柱和炉壁分别和空气介质之间热传导温度场仿真图，并计算出关键节点模拟温度值，经过和实测温度比较，结果说明：将有限元利用于内热式多级连续真空炉瞬态温度场分析中，仿真结果和试验测试结果基础一致，误差在0.117%~0.993%之间。从而验证系统可行性和正确性。
参考文件
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第一作者介绍：雷金辉，通信作者，1965年11月出生，昆明理工大学，教授，信息工程和自动化学院，云南省，昆明市，
第二作者介绍：束军，男，昆明理工大学，在读硕士，仪器仪表工程专业，研究方向工业控制。
第三作者介绍：付彤，男，昆明理工大学，在读硕士，仪器仪表工程专业，研究方向工业控制。

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