CN103615894A - 用于adc铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法 - Google Patents

Abstract

用于ADC6铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法，包括：设计加热炉的结构，预设喷嘴高度，喷嘴的位置居中，设计方形炉膛，其长L，宽W，高H，预设穹顶为圆弧面，其半径R₀取2×W；穹顶圆弧面向下投影得到的平面内，把炉膛分为n个相等面积，每个面积中心点记为P_i，i=1,2,…,n；通过计算调整P_i点的位置，运用拟合方法过调整后的P_i点连同周界点，作蒙皮面得到穹顶曲面设计。本发明的穹顶曲面把反射的热能和传递到铝熔液表面的热能进行功率叠加，实现表面各点的温度基本相同，实现基本均匀加热，保障铝熔体的压铸成型性能一致。

Description

用于ADC铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法

【技术领域】

本发明属于金属零部件的成形加工设备技术领域，具体是指一种用于ADC铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法。

【背景技术】

ADC6为日本牌号的铝合金，与我国国标铝合金ZL303性能相当，它的镁元素成分约占4%，与常规铝合金相比含量较高。压铸成型流动性能较差，在熔炼时，如果采用常规的电加热方式和加热炉设备，则会产生如下问题：（1）由于镁元素成分约占4%，故在熔炼时常规的加热方式极易产生“镁烧”现象；（2）电阻丝易被腐蚀，经常产生“断丝”现象。因此，ADC6在熔炼时多采用燃气加热的方式。

但是，燃气加热也会带来新的问题：（1）受到气嘴结构限制，多从侧面吹入燃气，靠近气嘴处温度高，远处则靠推导方式升温，导致加热不均匀；（2）平面炉顶结构限制了热能的传递方向，使得热传递效率无法得到较大的发挥。

中国发明专利ZL200810048288.4公开了一种采用高温惰性气体直吹薄钢板方式给薄钢板加热的方法，可保证薄钢板在无氧化的条件下均匀加热。中国发明专利ZL201010133364.9公开了一种真空玻璃连续生产设备，包括可以对玻璃进行均匀加热封边的封边炉体。这两个专利的技术方案基本思路是改进加热炉的结构，改进热传递路径，实现不同部位的温度控制。但是，这样的方法效果是有限的，并未对热能传递密度进行控制，故一定程度上依赖经验性。

ADC6本身的成型性能差，如果熔炼时加热不均匀，则使得压铸成型填充不饱满的可能性大大增加，是导致出现裂纹或其他缺陷的主要原因。

有鉴于此，本发明人针对现有技术的缺陷深入研究，遂有本案产生。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题，在于提供一种用于ADC铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法，该穹顶曲面把反射的热能和传递到铝熔液表面的热能进行功率叠加，实现表面各点的温度基本相同，实现基本均匀加热，保障铝熔体的压铸成型性能一致。

本发明是这样实现的：

用于ADC6铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法，包括如下步骤：

步骤1：设计加热炉的结构，预设喷嘴高度，喷嘴的位置居中，设计方形炉膛，其长L，宽W，高H，预设穹顶为圆弧面，其半径R₀取2×W；

步骤2：穹顶圆弧面向下投影得到的平面内，把炉膛分为n个相等面积，每个面积中心点记为P_i，i=1,2,…,n；

步骤3：计算单位时间天然气燃烧产生的热能：Q=vρqη，其中v为气流流速，ρ为密度，q为燃烧值，η为燃烧效率；

步骤4：设喷嘴处为O点，O点与某一点P_i点之间的距离为r_i，计算在P_i点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/(4πr_i ²)；

步骤5：当达到熔体设定温度且达到热平衡状态后，ε_i'的实际效果应为C_iε_i'，其中C_i为聚集系数，其确定方法为：以喷嘴在液面上的投影点O'为圆心做同心圆，设同心圆的半径为R，当R≤300mm，C_i=0.3～0.35；当300＜R≤600，C_i=0.35～0.75；当R＞600时，C_i＝0.75～0.85；具体取C_i值时，按半径由小到大分别选取C_i由小到大；

步骤6：过P_i点作穹顶的法线与穹顶线相交于M_i点，设喷嘴O距M_i点处的距离为r'_i，计算在交点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/（4πr'_i ²）；

步骤7：取M_i处附近半径为δ的邻域，由于面积小，认为此处为平面，计算此处单位时间的热能约为Q_Mi＝ζ_iπδ²；

步骤8：设M_i点距离P_i为r"_i，以M_i点为作为热源，计算其在P_i点处的热流密度ε_i"=Q_Mi/（4πr"_i ²）；

步骤9：计算M_i点的总热流密度，ε_i=C_iε_i'＋ε_i"，得到每个点处的总热流密度ε₁、ε₂、…、ε_n；

步骤10：把得到的ε₁、ε₂、…、ε_n作为数列，并计算其数学期望E(ε)和方差D(ε)；

步骤11：若D(ε)^1/2＜E(ε)/8，则表明液面各部位的热流密度偏差不大，能够保障其温度基本均等，判断D(ε)^1/2是否小于E(ε)/8，如果是，则转入步骤15；如果否，则转入步骤12；

步骤12：求出ε₁、ε₂、…、ε_n中，找出与E(ε)偏差绝对值超过E(ε)/6的元素ε_j，j=1,2,…,m（其中m<n），以及对应的点P_j，j=1,2,…,m（其中m<n）；

步骤13：判断：若ε_j≤E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向下移10mm；若ε_j＞E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向上移10mm。

步骤14：重复步骤4至步骤13，若ε_j＞E(ε)，反复重复步骤4至步骤13，直到D(ε)^1/2小于E(ε)/8，转入步骤步骤15：运用拟合方法过调整后的M_j点连同周界点，作蒙皮面得到穹顶曲面设计。

15；

本发明的优点：

1）根据ADC6铝合金的物理特性，利用压铸熔体加热时的能量聚集效应，引入热密度平衡的方法，实现加热过程中各部分的液面各部位的热流密度和温度基本均等，有利于有效提高ADC6铝合金的压铸成型性能。

2）突破常规的侧边加热的方法，采用穹顶结构，并在顶部中央喷嘴的结构，改变了加热过程中热能的传递方式。通过控制穹顶的几何形状，能够控制计算熔体某部位的热流密度，从而控制加热效果。

3）本发明采用零维传热模型，通过计算主热流密度和附加热流密度的方法，得到炉内任意点的热分布。经过生产实践证明，该方法能够保证加热平均温度约710℃，炉膛内铝合金熔体局部温度控制在±10℃以内。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的用于ADC铝合金熔液的加热炉结构示意图。

图2是本发明初步设计加热炉长、宽、高和预设穹顶半径示意图。

图3是本发明中把穹顶的平面投影划分为若干个相等区域示意图。

图4是本发明中喷嘴对液面某区域中心点之间的辐射传热示意图。

图5是本发明中液面某区域中心点得到的叠加热流密度示意图。

图6是本发明具体实施例的用于最终设计的穹顶曲面边界点和投影点。

图7是本发明具体实施例中的P₁点处的辐射传热示意图。

图8是本发明具体实施例中的用于最终设计的穹顶曲面边界点和型值点。

【具体实施方式】

用于ADC6铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法，包括如下步骤：

步骤1：利用加热炉设计的知识，设计加热炉的结构，如图1所示，包括炉膛1，及与所述炉膛1相连通的存液池2；所述炉膛1侧边具有投料口3；所述炉膛1及所述存液池2外围为保温炉墙4；所述炉膛1为方形，其穹顶5为圆弧面；所述炉膛1顶部具有可供燃气进入的喷嘴6，所述喷嘴6位置居中；所述炉膛1顶部还具有废气出口7；所述存液池2上方开口，为取液口8。

预设喷嘴高度，其位置居中，设计方形炉膛，其长L，宽W，高H，预设穹顶为圆弧面，半径R₀取2×W，如图2所示；

步骤2：穹顶圆弧面向下投影得到的平面内，把炉膛分为n个相等面积，每个面积中心点记为P_i，i=1,2,…,n；如图3所示；

步骤3：计算单位时间天然气燃烧产生的热能：Q=vρqη，其中v为气流流速，ρ为密度，q为燃烧值，η为燃烧效率。

步骤4：设喷嘴处为O点，O点与某一点P_i点之间的距离为r_i，如图4所示，计算在P_i点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/(4πr_i ²)；

步骤5：根据测温试验得知，穹顶结构且顶吹方式炉内加热时，由于中央位置距离喷嘴最近，故此处的ADC6铝合金熔体热能吸收最大，迅速产生热能聚集，而向周边传递。该传递过程是与距中央位置的距离增大而增大，形成动态的热平衡。因而，当达到熔体设定温度且达到热平衡状态后，ε_i'的实际效果应为C_iε_i'，其中C_i为聚集系数，其确定方法为：以喷嘴在液面上的投影点O'为圆心做同心圆（图4），设同心圆的半径为R，当R≤300mm，C_i=0.3～0.35；当300＜R≤600，C_i=0.35～0.75；当R＞600时，C_i＝0.75～0.85。具体取C_i值时，按半径由小到大分别选取C_i由小到大；

步骤6：过P_i点作穹顶的法线与穹顶线相交与M_i点，设喷嘴O距M_i点处的距离为r'_i，计算在交点处稳态传热下直接辐射的热流密度ζ_i=Q/（4πr'_i ²）；

步骤7：如图5所示，取M_i处附近半径为δ的邻域，由于面积小，认为此处为平面。计算此处单位时间的热能约为Q_Mi＝ζ_iπδ²；

步骤8：设M_i点距离P_i为r"_i，以M_i点为作为热源，计算其在P_i点处的热流密度ε_i"=Q_Mi/（4πr"_i ²）；

步骤9：计算M_i点的总热流密度，ε_i=C_iε_i'＋ε_i"，得到每个点处的总热流密度ε₁、ε₂、…、ε_n；

步骤10：把得到的ε₁、ε₂、…、ε_n作为数列，并计算其数学期望E(ε)和方差D(ε)；

步骤11：根据试验得知，若D(ε)^1/2＜E(ε)/8，则表明液面各部位的热流密度偏差不大（即大致相当），能够保障其温度基本均等。判断D(ε)^1/2是否小于E(ε)/8，如果是，则转入步骤15；如果否，则转入步骤12；

步骤12：求出ε₁、ε₂、…、ε_n中，找出与E(ε)偏差绝对值超过E(ε)/6的元素ε_j，j=1,2,…,m（其中m<n），以及对应的点P_j，j=1,2,…,m（其中m<n）；

步骤13：判断：若ε_j≤E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向下移10mm；若ε_j＞E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向上移10mm；

步骤14：重复步骤4至步骤13，若ε_j＞E(ε)，反复重复步骤4至步骤13，直到D(ε)^1/2小于E(ε)/8，转入步骤15；

步骤15：运用拟合方法过调整后的M_i点连同周界点，作蒙皮面得到穹顶曲面设计。

下面为一具体实施例：

某ADC6压铸件材料加热炉设计，要求平均温度约710℃，炉膛内铝合金熔体局部温度控制在±10℃。生产节拍要求为：每约4分钟生产1件质量约2.5kg的压铸件。

步骤1、利用加热炉设计的知识，预设喷嘴高度、居中位置；设计方形炉膛，其长L＝2.2m，宽W＝1.6m，直线部分高H＝1.2m，穹顶圆弧面半径R₀＝2W＝3.2m。

步骤2、把球面向下投影得到的平面内，把炉膛分为9个相等面积，每个面积中心点记为P_i，i=1,2,…,9，如图6所示。

步骤3、设工业天然气气流流速v=0.132m³/s，助燃空气流速v'=1.3m³/s，常温常压下天然气密度ρ=0.7174kg/m³，燃烧值q=7.5×10⁷J/kg，燃烧效率η=88%。则单位时间燃烧产生的热能：Q=vρqη=0.132×0.7174×7.5×10⁷×88%=6.25×10⁶J/s=6250kJ/s。

步骤4、设喷嘴处为O点，O点与P₁～P₉点之间的距离为分别为r₁=r₃=r₇=r₉=1084mm，r₂=r₈=798.3mm，r₄=r₆=943.7mm，r₅=594.0mm，图7中显示了P₁点为例，计算在P_i点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/(4πr_i ²)，得到ε₁'=ε₃'=ε₇'=ε₉'=4232.63kJ/m²·s，ε₂'=ε₈'=7804.36kJ/m²·s，ε₄'=ε₆'=5584.72kJ/m²·s，ε₅'=14096.02kJ/m²·s。

步骤5、根据P₁～P₉点与O'之间的距离分别900mm、533mm和733mm，热能聚焦系数取C₁=C₃=C₇=C₉=0.85，C₂=C₈=0.65，C₄=C₆=0.80，C₅=0.35。

步骤6、过P₁、P₂、…、P₉点（除P5点外）作穹顶的法线与穹顶线相交与M₁、M₂、M₃、M₄、M₆、M₇、M₈、M₉点，喷嘴O距这些交点的距离为r₁'=r₃'=r₇'=r₉'=1066.5mm，r₂'=r₈'=644.9mm，r₄'=r₆'=875.0mm，计算在交点处稳态传热下直接辐射的热流密度ζ_i'=Q/（4πr'_i ²），得到ζ₁=ζ₃=ζ₇=ζ₉=4372.68kJ/m²·s，ζ₂=ζ₈=11958.72kJ/m²·s，ζ₄=ζ₆=6496.11kJ/m²·s。

步骤7、取交点处附近半径为δ＝0.1m的邻域，此处单位时间的热能约为Q_M1＝Q_M3＝Q_M7＝Q_M9＝ζ_iπδ²=137.37kJ/s，Q_M2＝Q_M8＝375.69kJ/s，Q_M4＝Q_M6＝204.08kJ/s；

步骤8、设M_i点距离P_i为r₁"=r₃"=r₇"=r₉"=440.8mm，r₂"=r₈"=540.0mm，r₄"=r₆"=492.8mm，以M_i点为作为热源，计算其在P_i点处的热流密度ε_i"=Q_Mi/（4πr"_i ²），得到ε₁"=ε₃"=ε₇"=ε₉"=562.61kJ/m²·s，ε₂"=ε₈"=1025.27kJ/m²·s，ε₄"=ε₆"=668.73kJ/m²·s。

步骤9、计算M_i点的总热流密度ε_i=C_iε_i'＋ε_i"，得到ε₁～ε₉分别为4160.35、6098.10、4160.35、5136.51、4933.61、5136.51、4160.35、6098.10、4160.35。单位均为kJ/m²·s。

步骤10、把得到的ε₁、ε₂、…、ε_n作为数列，并计算其平均值E(ε)＝4893.8kJ/m²·s和方差D(ε)=758.1。

步骤11、判断D(ε)^1/2＝758.1＞E(ε)/8＝611.7；

步骤12、求出ε₁、ε₂、…、ε₉中，找出与E(ε)偏差绝对值超过E(ε)/6的元素ε₂和ε₈，对应的点P₂和点P₈，以及对应的点M₂和点M₈。

步骤13、判定得到ε₂=ε₈=6098.10＞E(ε)=4893.8，则把M₂和M₈点沿法向上移10mm。

步骤14、重复步骤4至步骤13，得到D(ε)^1/2=714.55，再重复3次，得到等到直到D(ε)^1/2＝601.29＜E(ε)/8。此时，M₂和M₈点向上移动了30mm。

步骤15、如图6和图8所示，以点S₁～S₁₂为边界点，以M₁～M₉（其中M₂和M₈均为步骤13、步骤14移动后的位置），运用现有的孔斯曲面拟合方法作出蒙皮面，得到穹顶曲面。

本发明具有以下有益效果：

1）根据ADC6铝合金的物理特性，利用压铸熔体加热时的能量聚集效应，引入热密度平衡的方法，实现加热过程中各部分的液面各部位的热流密度和温度基本均等，有利于有效提高ADC6铝合金的压铸成型性能。

2）突破常规的侧边加热的方法，采用穹顶结构，并在顶部中央喷嘴的结构，改变了加热过程中热能的传递方式。通过控制穹顶的几何形状，能够控制计算熔体某部位的热流密度，从而控制加热效果。

3）本发明采用零维传热模型，通过计算主热流密度和附加热流密度的方法，得到炉内任意点的热分布。经过生产实践证明，该方法能够保证加热平均温度约710℃，炉膛内铝合金熔体局部温度控制在±10℃以内。

本发明采用直喷方式加热，ADC6熔液表面产生氧化层保护熔体；根据直喷的热传递规律，改变平底设计为穹顶设计；根据预设的加热炉穹顶几何曲线，利用迭代的方法，计算熔体表面采样点处的热能功率，在各点功率基本相等的情况下，优化得出穹顶的方向，利用包络曲面设计最终的穹顶曲面。该穹顶曲面把反射的热能和传递到铝熔液表面的热能进行功率叠加，实现表面各点的温度基本相同，实现基本均匀加热，保障铝熔体的压铸成型性能一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.用于ADC6铝合金熔液的加热炉穹顶曲面设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：设计加热炉的结构，预设喷嘴高度，喷嘴的位置居中，设计方形炉膛，其长L，宽W，高H，预设穹顶为圆弧面，其半径R₀取2×W；

步骤2：穹顶圆弧面向下投影得到的平面内，把炉膛分为n个相等面积，每个面积中心点记为P_i，i=1,2,…,n；

步骤3：计算单位时间天然气燃烧产生的热能：Q=vρqη，其中v为气流流速，ρ为密度，q为燃烧值，η为燃烧效率；

步骤4：设喷嘴处为O点，O点与某一点P_i点之间的距离为r_i，计算在P_i点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/(4πr_i ²)；

步骤5：当达到熔体设定温度且达到热平衡状态后，ε_i'的实际效果应为C_iε_i'，其中C_i为聚集系数，其确定方法为：以喷嘴在液面上的投影点O'为圆心做同心圆，设同心圆的半径为R，当R≤300mm，C_i=0.3～0.35；当300＜R≤600，C_i=0.35～0.75；当R＞600时，C_i＝0.75～0.85；具体取C_i值时，按半径由小到大分别选取C_i由小到大；

步骤6：过P_i点作穹顶的法线与穹顶线相交于M_i点，设喷嘴O距M_i点处的距离为r'_i，计算在交点处稳态传热下直接辐射的热流密度ε_i'=Q/（4πr'_i ²）；

步骤7：取M_i处附近半径为δ的邻域，由于面积小，认为此处为平面，计算此处单位时间的热能约为Q_Mi＝ζ_iπδ²；

步骤8：设M_i点距离P_i为r"_i，以M_i点为作为热源，计算其在P_i点处的热流密度ε_i"=Q_Mi/（4πr"_i ²）；

步骤9：计算M_i点的总热流密度，ε_i=C_iε_i'＋ε_i"，得到每个点处的总热流密度ε₁、ε₂、…、ε_n；

步骤10：把得到的ε₁、ε₂、…、ε_n作为数列，并计算其数学期望E(ε)和方差D(ε)；

步骤11：若D(ε)^1/2＜E(ε)/8，则表明液面各部位的热流密度偏差不大，能够保障其温度基本均等，判断D(ε)^1/2是否小于E(ε)/8，如果是，则转入步骤15；如果否，则转入步骤12；

步骤12：求出ε₁、ε₂、…、ε_n中，找出与E(ε)偏差绝对值超过E(ε)/6的元素ε_j，j=1,2,…,m（其中m<n），以及对应的点P_j，j=1,2,…,m（其中m<n）；

步骤13：判断：若ε_j≤E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向下移10mm；若ε_j＞E(ε)，则把P_j点对应的M_j沿法线向上移10mm。

步骤14：重复步骤4至步骤13，若ε_j＞E(ε)，反复重复步骤4至步骤13，直到D(ε)^1/2小于E(ε)/8，转入步骤15；

步骤15：运用拟合方法过调整后的M_i点连同周界点，作蒙皮面得到穹顶曲面设计。

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