真空电阻炉的温度场分布规律方法研究

许涛

【摘 要】真空电阻炉的温度场分布规律是进行真空电阻炉结构设计与优化的重要依据，对热处理工艺的进步有着重要影响。本文以有限元思想为基础，以有限元软件ANSYS为研究工具，详细阐述了利用ANSYS进行真空电阻炉温度场分布规律研究的方法，以期为真空电阻炉的结构设计与优化提供参考。

【关键词】真空电阻炉;温度场;分布规律

中图分类号： TG155 文献标识码： A 文章编号： 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

真空电阻炉是用于热处理工艺的高温加热设备，利用其可实现淬火、退火、烧结、加热、融化等工艺过程。因其具有加工过程易于控制、分离精度高、节能环保等优点，因此在真空冶炼领域和金属加工领域中具有广阔的应用前景[1]。真空电阻炉有很多设计指标，如真空度、加热方式、温度场分布规律等，其中，温度场分布规律是其最重要的设计指标。如果能掌握其温度场分布规律，无疑会提高真空电阻炉的设计水平与优化，同时又会提高热处理工艺水平。如何对真空电阻炉的温度场分布规律进行研究，已经成为当前学术领域中的一个研究热点，受到了越来越多人们的关注。为此，本文以内热式真空电阻炉为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS对真空电阻炉的温度场分布规律进行深入研究。

1 真空电阻炉的温度场分布规律研究的关键

由于受到真空电阻炉自身的不规则性及炉内加工物料的不确定性等因素的影响，炉内的导热温度较为复杂，因此，通常使用数值分析法来研究真空电阻炉温度场，其基本思想是，使用离散的点和面取代连续的点和面。大致步骤为：（1）将温度场的时间区域和空间区域分割为有限个离散点;（2）通过响应的导热微分公式求解出各个离散点处的温度值;（3）如果离散点的数量和位置都是科学、合理的，则就可用离散点处的温度值描述真空电阻炉内温度场的分布规律[2]。

因此，求解導热微分方程就成为建立真空电阻炉温度场数学模型的关键。当前，大部分研究学者采用有限元法来求解导热微积分方程。具体步骤为：（1）将导热微分方程离散化;（2）将连续求解区间分割成有限条网格线，用网格线的交叉点取代离散点，使单个区间与离散点逐一对应，则可将导热微分方程转换为非线性代数方程组;（3）设置非线性代数方程组为差分格式，同时，初速条件也要转换为非线性代数方程组;（4）通过数学方法计算差分格式，最终获得各个离散点的温度值。因此，离散点分布的越细密、越科学，离散点的温度值就越接近连续点的温度场分布。

通常，可借助仿真软件来求解实体模型的温度场分布，其中ANSYS软件由于具有功能强大、适用范围广等特点，被广泛应用于实体模型的温度场分布中。

2 真空电阻炉的温度场分布规律的研究方法

2.1 有限元分析软件ANSYS的介绍

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元软件，具有功能强大、操作简单、准确度高的特点，现已成为当前国际最流行的有限元分析软件。利用ANSYS能够对磁场、电场、流体、热场、结构等诸多物理量进行运算和分析，将复杂的非线性问题近似转换为有限元问题，并通过响应的功能模块进行模拟仿真。由于其具有强大的分析与优化问题，对于拥有较多参数的复杂几何模型或者非线性问题，可进行快速求解和优化，并且模拟仿真结果与实际的情况非常相近，因此该软件受到了很多业内专家和学者的认可。

ANSYS软件主要分为三个模块，分别为前处理模块、分析运算模块和后运算模块。其中，前处理模块用于模型的建立及网格的划分，用户可用其构建真空电阻炉温度场的有限元模型。

分析运算模块主要用于各种物理参数的分析，如对磁场、电场、流体、热场等参数的分析，具有极高的灵敏度和优化分析能力，用户可利用其进行温度场分布的分析。

后分析模块主要用于分析结果的图形表达，表达方式主要包括彩色等值线、梯度图、矢量图等，也可用曲线、图标的行形式表达出来。

2.2 利用ANSYS进行真空电阻炉温度场分布规律研究的过程

真空电阻炉的结构如下图1所示：

空电阻炉在负载时的炉内温度场分布情况，因此，不考虑物料热传导对温度场的影响。设定炉内的温度场主要是电热元件与炉壁之间的热辐射。

（2）当真空电阻炉工作时，炉内的空气会被抽气泵抽出炉外形成真空，因此，不考虑炉内残余气体的热传导对温度场的影响。设置炉内残余气体的导热系数为0.0001W/（m.k）。

（3）由于蒸发盘与电热元件紧贴在一起，因此，将蒸发盘与电热元件看作一个整体，只考虑炉壁与电热元件之间的热辐射。

（4）假设电热元件的高度即为炉内温度场的高度。

（5）当真空电阻炉空载运行稳定时，对其冷却系统中的冷却水的温度进行测量，得出冷却水的温度约为60度。

（6）真空电阻炉进行热处理加工时，炉内的平均压强为80Pa，因此，设置炉内的压强为80Pa，电热元件工作时的温度设置为1000℃，室外环境温度设置为25℃。

根据上述初始条件的设置，利用ANSYS进行真空电阻炉温度场分布规律模拟仿真的具体过程如下所述：

（1）構建真空电阻炉的有限元几何模型。依次打开ANSYS软件中的Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→AreasRectangles→By Dimensions，构建真空电阻炉温度场热辐射的理想化的有限元几何模型。

（2）设置真空电阻炉构成材料的物理参数。依次打开ANSYS→Preprocessor→Element Tape→Add/Edit/Delete，设置真空电阻炉构成材料的物理参数，构成材料主要为炉体和电热元件构成材料，如A3钢、镍铬合金、铬铝合金、钨、碳化硅、二硅化钼、石墨、碳等[3]。需要设置的参数主要为密度、热传导率、比热容等。

（3）网格的分割。在构建的真空电阻炉有限元模型中选择单元类型，并进行单元格的分割。

（4）设置参数的取值范围并仿真。设置炉内的起始温度为25℃，最高温度为1000℃，冷却水的温度一直保持在60℃，温度偏移量为275。并进行模拟仿真。

（5）仿真结果处理。待炉内温度达到稳态时，获得炉内温度场分布图，如图2所示。

通过上述仿真结果能够得知，由于之前将将蒸发盘与加热元件视为一个整体，没有考虑蒸发盘对温度场产生的影响。蒸发盘的作用是用来放置加工物料，由于其具有较强的密封性和隔热性，当加热元件工作时，会造成加热电极与蒸发盘之间的温度升高，能够加快热处理加工的过程。同时，由于存在分子的热运动，使加热元件与蒸发盘之间的空间近似真空，由此可见，蒸发盘能够有效隔离电阻炉内的温度场。因此，可将炉内的温度场分割成两个区域，即蒸发区域和冷却区域，并对炉内温度场模型进行改进和仿真。通过构建改进后的电阻炉温度场热辐射几何模型，获得改进后的温度场模拟仿真图。从最后的仿真结果可知，蒸发区域内的温度场分布非常均匀，基本保持上下温度相同;而冷却区域内温度场分布的均匀性较差，温度从蒸发盘到炉壁之间呈递减的趋势。

3 结束语

真空电阻炉温度场分布规律关系着真空电阻炉的结构设计和优化，因此，真空电阻炉的温度场分布规律研究方法，已经成为学术领域中的一个研究热点。本文以有限元思想为基础，利用有限元软件ANSYS进行真空电阻炉的温度场分布规律的仿真研究，能够有效发现者炉内温度场分布规律，为真空电阻炉的结构设计与优化提供可重要参考。

【参考文献】

[1]章铁军.计量检测用管式电阻炉温度场均匀性的研究[J].科技创新导报，2018，v.15;No.435（3）：98-99.

[2]孙建亮，邱丑武，毕雪峰，等.感应加热与传统加热模式大型筒节加热效果研究[J].机械工程学报，2017，53（10）：25-33.

[3]王玮东，马颖澈，周理想，等.真空感应冶炼中熔体流场和温度场的计算机模拟[J].热加工工艺，2016（19）：73-76.