CN108170897A - 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法 - Google Patents

一种真空热处理炉加热器的结构优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108170897A
CN108170897A CN201711272445.5A CN201711272445A CN108170897A CN 108170897 A CN108170897 A CN 108170897A CN 201711272445 A CN201711272445 A CN 201711272445A CN 108170897 A CN108170897 A CN 108170897A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphite
heating
pipe
heater
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711272445.5A
Other languages
English (en)
Inventor
王昊杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang Dong Bo Thermal Technology Co Ltd
Original Assignee
Shenyang Dong Bo Thermal Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang Dong Bo Thermal Technology Co Ltd filed Critical Shenyang Dong Bo Thermal Technology Co Ltd
Priority to CN201711272445.5A priority Critical patent/CN108170897A/zh
Publication of CN108170897A publication Critical patent/CN108170897A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Abstract

本发明公开一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，涉及低压真空渗碳炉技术领域，以解决目前针对加热器结构参数对有效加热区温度场影响的研究较少，还未形成系统、可靠的理论为加热器结构设计提供依据的技术问题。本发明所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，通过温度场模拟石墨管数量、长度、分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；加热初期，热流密度随着石墨管数量的增加而减少；持续加热，热流密度随着石墨管数量的增加而增加；加热前期，随着石墨管长度的增加加热能力降低；高温段，随着石墨管长度的增加最大温差也增大；整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径的增加而减小。

Description

一种真空热处理炉加热器的结构优化方法
技术领域
本发明涉及低压真空渗碳炉技术领域，特别涉及一种真空热处理炉加热器的结构优化方法。
背景技术
低压真空渗碳炉最高使用温度为1250℃，加热元件工作温度高于1400℃，选用石墨管作为加热元件，由于石墨具有耐高温、热膨胀小、抗热冲击等优良特性，而且其机械强度在低于2500℃范围内随温度升高而增强，因此在高温工作条件下具有较高的机械强度。
真空渗碳炉的加热器由加热元件和连接紧固件两部分组成，真空渗碳炉加热室的换热方式为辐射换热，因此加热元件布置形式和尺寸对炉子加热特性(加热效率、炉温均匀性)和加热元件的使用寿命具有重要影响。
然而，目前针对加热器结构参数对有效加热区温度场影响的研究较少，还未形成系统、可靠的理论为加热器结构设计提供依据。因此，如何提供一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，能够有效提高加热效率、优化加热特性，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，以解决目前针对加热器结构参数对有效加热区温度场影响的研究较少，还未形成系统、可靠的理论为加热器结构设计提供依据的技术问题。
本发明提供一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，通过温度场模拟石墨管数量和/或长度和/或分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；对于石墨管数量：加热初期，热流密度随着石墨管数量的增加而减少；持续加热，热流密度随着石墨管数量的增加而增加；对于石墨管长度：加热前期，随着石墨管长度的增加加热能力降低；高温段，随着石墨管长度的增加最大温差也增大；对于石墨管分布半径：整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径的增加而减小；建模方法一：石墨管数量和石墨管长度为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模；建模方法二：石墨管数量、石墨管长度和石墨管分布半径为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模。
实际应用时，石墨管数量为偶数时温度场整体均匀性优于石墨管数量为奇数时。
其中，对于石墨管长度：高温段，石墨管辐射面积增加对辐射能增加所占比重增大，温差缩小一半，且石墨管长度变化对整个有效加热区纵向温度也均匀性影响。
其中，对于石墨管分布半径：石墨管分布半径对加热器加热能力无影响。
具体地，通过温度场模拟石墨管数量对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；随着石墨管数量增加，在达到热流峰值以前各点热流密度均减小，热流峰值均右移，且工件表面热流峰值随着石墨管数量增加而降低，当石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件表面热流峰值由26211W/m2降低至19683W/m2，降幅为25％，远低于单根石墨管加热功率降幅83％，越过热流峰值之后随着石墨管数量增加，工件表面热流密度增加。
具体地，通过温度场模拟石墨管数量对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；石墨管数量越多，加热前期工件温差越小，石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件心表最大温差由20.6℃减少至16.3℃，减少了21％，中心工件心表最大温差由19.4℃减少至16.1℃，减小了17％。
具体地，通过温度场模拟石墨管长度对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；在加热初始阶段，即热流密度未达到热流峰值以前，石墨管长度增加使中心表面热流密度降低；石墨管长度由550mm增加至750mm时，热流峰值由21560W/m2减少至20752W/m2，降幅为3.7％，远低于石墨管单位体积功率减少比例36.4％，而且随着温度升高，长度增加使辐射面积增加，辐射能增加，工件表面热流密度增加。
具体地，通过温度场模拟石墨管长度对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；石墨管长度增加，在加热前期使工件温差减小，随着加热继续进行，反而使工件温差增大。
具体地，通过温度场模拟石墨管分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；增大石墨管分布半径，工件表面热流密度减小，分布半径由243mm增加至363mm，热流峰值由23532W/m2减小至23148W/m2，仅减小了1.6％，而石墨管分布半径对热流峰值位置没有影响，均在加热到660s达到热流峰值。
具体地，通过温度场模拟石墨管分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径增加而减小，分布半径为243mm和363mm时，边部工件的最大温差分别为19.6℃和18.5℃，中心工件的最大温差分别为19℃和18.4℃。
相对于现有技术，本发明所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法具有以下优势：
本发明提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法，通过先对渗碳炉的结构进行仿真建模，再应用软件模拟渗碳炉内温度场的变化，通过观察温度场在模型内的分布情况，得到合适的渗碳炉内结构；具体地，在相同输入功率条件下，石墨管数量、长度和分布半径对加热过程有效加热区内工件表面热流密度和温度场均匀性的影响规律，对石墨管式加热器的结构设计和优化具有重要参考价值。输入功率一定，石墨管数量增加会降低加热器加热能力，尤其是在低温段，当石墨管数量由3根增加至18根时，工件表面热流密度峰值减小25％，但随着温度升高，辐射面积增大会弥补辐射强度不足，使总的辐射能增加，工件表面热流密度增加；输入功率一定，石墨管长度增加，在加热初期会使加热器加热能力有所减小，进入加热后期影响降低，但长度增加会增加入射至有效加热区端面的热辐射，从而导致有效加热区温度均匀性变差；输入功率一定，改变石墨管分布半径，辐射强度不变，但分布半径增加，使石墨管到工件的辐射角系数减小，对工件的热辐射减小，石墨管分布半径由243mm增加至273mm，会导致横切面上最大温差由50℃减小至47℃，继续增加分布半径对温度场均匀性基本没有影响。综上所述，本发明提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法，解决了目前针对加热器结构参数对有效加热区温度场影响的研究较少，还未形成系统、可靠的理论为加热器结构设计提供依据的技术问题；并且，能够有效提高加热效率、优化加热特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中有效加热区工件的分布示意图；
图2为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中工件网格剖分的示意图；
图3为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中工件数据采集点的示意图；
图4为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中边部工件表面热流密度随石墨管数量变化曲线的示意图；
图5为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中心部工件表面热流密度随石墨管数量变化曲线的示意图；
图6为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同数量石墨管加热边部工件心表温差曲线的示意图；
图7为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同数量石墨管加热心部工件心表温差曲线的示意图；
图8为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中边部工件表面热流密度随石墨管长度变化曲线的示意图；
图9为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中心部工件表面热流密度随石墨管长度变化曲线的示意图；
图10为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同长度石墨管加热边部工件心表温差曲线的示意图；
图11为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同长度石墨管加热心部工件心表温差曲线的示意图；
图12为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中边部工件表面热流密度随石墨管分布半径变化曲线的示意图；
图13为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中心部工件表面热流密度随石墨管分布半径变化曲线的示意图；
图14为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同分布半径石墨管加热边部工件心表温差曲线的示意图；
图15为本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中不同分布半径石墨管加热心部工件心表温差曲线的示意图。
图中：1－边部工件；2－心部工件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，通过温度场模拟石墨管数量和/或长度和/或分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；对于石墨管数量：加热初期，热流密度随着石墨管数量的增加而减少；持续加热，热流密度随着石墨管数量的增加而增加；对于石墨管长度：加热前期，随着石墨管长度的增加加热能力降低；高温段，随着石墨管长度的增加最大温差也增大；对于石墨管分布半径：整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径的增加而减小；建模方法一：石墨管数量和石墨管长度为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模；建模方法二：石墨管数量、石墨管长度和石墨管分布半径为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模。
相对于现有技术，本发明实施例所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法具有以下优势：
本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法，通过先对渗碳炉的结构进行仿真建模，再应用软件模拟渗碳炉内温度场的变化，通过观察温度场在模型内的分布情况，得到合适的渗碳炉内结构；具体地，在相同输入功率条件下，石墨管数量、长度和分布半径对加热过程有效加热区内工件表面热流密度和温度场均匀性的影响规律，对石墨管式加热器的结构设计和优化具有重要参考价值。输入功率一定，石墨管数量增加会降低加热器加热能力，尤其是在低温段，当石墨管数量由3根增加至18根时，工件表面热流密度峰值减小25％，但随着温度升高，辐射面积增大会弥补辐射强度不足，使总的辐射能增加，工件表面热流密度增加；输入功率一定，石墨管长度增加，在加热初期会使加热器加热能力有所减小，进入加热后期影响降低，但长度增加会增加入射至有效加热区端面的热辐射，从而导致有效加热区温度均匀性变差；输入功率一定，改变石墨管分布半径，辐射强度不变，但分布半径增加，使石墨管到工件的辐射角系数减小，对工件的热辐射减小，石墨管分布半径由243mm增加至273mm，会导致横切面上最大温差由50℃减小至47℃，继续增加分布半径对温度场均匀性基本没有影响。综上所述，本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法，解决了目前针对加热器结构参数对有效加热区温度场影响的研究较少，还未形成系统、可靠的理论为加热器结构设计提供依据的技术问题；并且，能够有效提高加热效率、优化加热特性。
此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的真空热处理炉加热器的结构优化方法中，真空渗碳炉加热器采用石墨管环形分布，加热元件两端用厚度为10mm的石墨板连接。
此外，根据基本辐射传热理论，石墨管投射到有效加热区内工件表面的辐射能Gg可表示为：
式中，εg为石墨管表面发射率，σ为斯忒藩－玻耳兹曼常量，Tg为石墨管温度，Ai为单根石墨管辐射表面积，Fi,w表示任意石墨管表面对工件表面的辐射角系数。
由此可知，石墨管投射到工件表面的辐射能不仅与石墨管表面发射率、石墨管温度有关，还与参与辐射石墨管数量及石墨管表面对工件表面的辐射角系数有关。
具体实施例一：
本发明实施例针对石墨管数量对加热器加热能力和有效加热区温度场均匀性的影响进行了研究。模拟石墨管数量分别为3、6、9、12、15和18根，模拟条件详见表1所示，Pr为额定功率，Pa为实际功率，n为石墨管数量，l为石墨管长度，r为石墨管分布半径。
表1 不同石墨管数量模拟参数
数值模型作出如下假设：
假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响。
参照实验室自主研发的433型低压真空渗碳炉加热室结构，根据描述，建立有限元模型。有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件，工件排布形式如图1所示。采用四面体单元对工件进行网格剖分，如图2所示，四面体单元数量为31826，最低单元质量0.2174，平均单元质量为0.6671。
根据辐射传热特性，由于石墨管热辐射可以直接入射到边部工件1表面，因此边部工件接收到石墨管的辐射能最多，而心部工件2由于受到其他工件的遮挡，接收到石墨管的辐射能最少，为了全面分析石墨管数量变化对加热器换热能力的影响，首先选取有效加热区边部工件1和心部工件2的表面(s1、s2)和中心点(c1、c2)进行传热分析，具体位置如图3所示。边部工件1的表面和心部温度分别为Ts1、Tc1，表面热流密度为qs1；心部工件2的表面和心部温度分别为Ts2、Tc2，表面热流密度为qs2。
如图3和图4所示，随着石墨管数量增加，在达到热流峰值以前各点热流密度均减小，热流峰值均右移，且工件表面热流峰值随着石墨管数量增加而降低，当石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件1的表面热流峰值由26211W/m2降低至19683W/m2，降幅为25％，远低于单根石墨管加热功率降幅83％，越过热流峰值之后随着石墨管数量增加，工件表面热流密度增加。
本实施例模拟的是工件随炉升温过程，由于模型中输入总功率一定，加热初期，石墨管数量增加，单根石墨管功率降低，升温速率慢，温度低，石墨管辐射力减小，入射到工件表面的热辐射减少，导致热流密度减小。但随着石墨管温度升高，达到热流峰值之后，石墨管数量增加带来的辐射面积增加会使石墨管总的辐射能增强，从而使工件热流密度增加。
加热600s时，3根石墨管加热，高温为415℃，低温为342℃，当石墨管数量为18根时，有效加热区内最高温度仅为213℃，最低温度为169℃，分别比三根石墨管加热时低了202℃和173℃。由此可见，在加热初期(10min内)，输入功率一定，石墨管数量增加会导致加热能力显著降低，因为石墨管升温速率减慢引起；当加热时间延长至2400s时，3根石墨管加热时，高温为994℃，低温为981℃，而石墨管数量为18根时，有效加热区内最高温度也已达到894℃，最低高达878℃，分别只比三根石墨管加热时低了100℃和103℃，这是由于在高温段，石墨管辐射面积增加对辐射能增加所占比重增大。
石墨管数量改变不仅会影响加热器加热能力，还会影响有效加热区温度场均匀性。如图6和图7所示，石墨管数量越多，加热前期工件温差越小，石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件1心表最大温差由20.6℃减少至16.3℃，减少了21％，心部工件2心表最大温差由19.4℃减少至16.1℃，减小了17％。这是由于石墨管数量增加，单根石墨管功率减小，升温速率更慢，因此单个工件温差减小。
石墨管数量为奇数3、9、15时，切面最大温差分别为50℃、52℃和49℃，石墨管数量为偶数6、12、18时，切面最大温差分别为44℃、45℃和42℃，因此石墨管数量为偶数时温度场整体均匀性明显优于石墨管数量为奇数的情况。这是由于石墨管在加热室内环形均匀分布，石墨管数量决定了石墨管分布情况，当石墨管数量为奇数时，无竖直对称面，从而导致某一竖直面两侧石墨管数量相差一根，从而导致较大温差；当石墨管数量为12根时，有效加热区沿环向分布最为均匀，即同一分布半径上工件温度相同，这是由于石墨管分布与有效加热区同样具有四分之一对称性。
具体实施方式二：
本发明实施例针对石墨管长度对加热器加热能力和有效加热区温度场均匀性的影响进行了研究。模拟石墨管长度范围为550mm－750mm，根据模型对称性取四分之一模型进行模拟计算。有效加热区工件布置和模型简化情况与具体实施方式一相同。模拟条件详见表1所示，Pr为额定功率，Pa为实际功率，n为石墨管数量，l为石墨管长度，r为石墨管分布半径；材料物性参数详见表2。
表2 不同石墨管长度模拟参数
为了全面分析石墨管长度变化对加热器加热能力的影响，选取有效加热区边部和心部工件2的表面中心点绘制如图8和图9所示热流密度曲线。在加热初始阶段，即热流密度未达到热流峰值以前，石墨管长度增加使中心表面热流密度降低，由于长度增加，石墨管单位体积加热功率减少，升温速率降低，石墨管温度低，石墨管辐射力减小，入射到工件表面的热辐射减少，从而导致热流密度减小。石墨管长度由550mm增加至750mm时，热流峰值由21560W/m2减少至20752W/m2，降幅为3.7％，远低于石墨管单位体积功率减少比例36.4％，而且随着温度升高，长度增加使辐射面积增加，辐射能增加，从而导致工件表面热流密度增加。
分别选取550mm石墨管和750mm石墨管加热600s时，550mm长度石墨管加热，高温为317℃，低温为256℃；750mm长度石墨管加热时，有效加热区内最高温度仅为265℃，最低温度为210℃，分别比550mm长度石墨管加热时低了52℃和46℃。由此可见，在加热前期(10min内)，输入功率一定，石墨管长度增加会导致加热能力降低；当继续延长加热时间至2400s时，550mm长度石墨管加热，有效加热区内最高温升至953℃，低温为939℃，而750mm长度石墨管加热时，有效加热区内最高温度也已达到929℃，最低高达916℃，分别只比550mm长度石墨管加热低了24℃和23℃，这是由于在高温段，石墨管辐射面积增加对辐射能增加所占比重增大，温差缩小了一半。
同样石墨管长度改变不仅会影响加热器加热能力，还会影响有效加热区温度场均匀性。如图10和图11所示，石墨管长度增加，在加热前期使工件温差减小，随着加热继续进行，反而使工件温差增大，此外石墨管长度变化对工件最大温差基本没有影响，边部工件1最大温差约为19℃，心部工件2最大温差约为18℃。
热辐射沿直线传播，因此石墨管长度变化主要影响石墨管入射至有效加热区端面辐射能，本发明实施例中将石墨管上可以辐射有效加热区端面的长度，称为端面辐射长度。当石墨管长度由550mm加长至750mm时，端面辐射长度由75mm增加至175mm，增加了133％，因此有效加热区端面接受的热辐射将大幅增加。
石墨管长度变化对整个有效加热区纵向温度均匀性影响：石墨管长度由550mm增加至750mm，相应的最大温差由47℃增大至51℃，这是由于端面由于直接受到石墨管表面热辐射，升温速率大于中心，随石墨管长度增加，此优势更加明显。
具体实施方式三：
本发明实施例针对石墨分布半径对加热器加热能力和有效加热区温度场均匀性的影响进行了研究。石墨管分布半径会影响石墨管与有效加热区工件之间的辐射角系数，从而影响低压真空渗碳炉加热室辐射换热特性，同时石墨管分布半径也决定了加热室外径尺寸。合理石墨管分布半径可以提高辐射换热效率，保证有效加热区温度均匀性，同时可以实现设备小型化。模拟石墨管分布半径范围为243mm－363mm，同样根据模型对称性取四分之一模型进行模拟计算。有效加热区工件布置和模型简化情况与具体实施例一相同。模拟条件详见表3所示，Pr为额定功率，Pa为实际功率，n为石墨管数量，l为石墨管长度，r为石墨管分布半径；材料物性参数详见表2。
表3 不同石墨管分布半径模拟参数
选取有效加热区边部和中心工件的表面中心点，绘制在不同石墨管分布半径加热条件下的热流密度曲线，如图12和图13所示，增大石墨管分布半径，工件表面热流密度减小，分布半径由243mm增加至363mm，热流峰值由23532W/m2减小至23148W/m2，仅减小了1.6％，而石墨管分布半径对热流峰值位置没有影响，均在加热到660s达到热流峰值。
分别选取加热600s和加热2400s时，研究石墨管分布半径为243mm和363mm条件下对加热特性影响。加热600s时，不同石墨管分布半径加热，温度场最高温度仅相差17℃；当加热时间延长至2400s时，石墨管分布半径为243mm加热条件下，高温为937℃，低温为924℃；石墨管分布半径增加为263mm加热条件下，高温达到934℃，低温为922℃，最高温和最低温分别只相差3℃和2℃。
由此可知，石墨管分布半径改变对加热器加热能力影响很小，由于加热功率不变，石墨管升温速率不变，辐射强度不变，而加热特性之所以会发生一定变化，是因分布半径改变导致石墨管与工件之间的辐射角系数变化引起的。
可将石墨管与工件近似看成互相平行的两圆柱，并且石墨管半径与工件半径相等，因此石墨管与工件之间的辐射角系数Fg-w可以表示为：
式中，F为辐射角系数，g－w表示由石墨管向工件表面辐射，s为石墨管与工件表面之间的距离，r为石墨管与工件半径。
为了研究辐射角系数Fg-w随表面之间距离s的变化趋势，现求解Fg-w关于s的一阶导数：
随着石墨管分布半径增加，石墨管表面对工件表面的辐射角系数减小，在辐射强度和辐射表面积不变的情况下，石墨管对工件的热辐射减小。
石墨管分布半径改变会导致石墨管与工件之间辐射角系数的变化，因此也会对有效加热区温度场均匀性产生影响。如图14和图15所示，整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径增加而减小。分布半径为243mm和363mm时，边部工件1的最大温差分别为19.6℃和18.5℃，心部工件2的最大温差分别为19℃和18.4℃。工件温差减小是由于石墨管辐射强度相同，但半径增加导致辐射角系数减小，工件接受的辐射能减少，升温速率减慢，从而使工件温差减小。
进行电热元件布置时，为了防止靠近加热元件处工件局部过热，有效加热区侧面距加热元件表面的距离一般为50－100mm。石墨管分布半径由243mm增加至273mm时，横切面上最大温差由50℃减小至47℃，当分布半径继续增加时，横切面温差保持不变，均为46－47℃，即当分布半径大于273mm(距离有效加热区顶点61mm)时，继续增加分布半径对温度场均匀性基本没有影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管数量和/或长度和/或分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
对于石墨管数量：加热初期，热流密度随着石墨管数量的增加而减少；持续加热，热流密度随着石墨管数量的增加而增加；
对于石墨管长度：加热前期，随着石墨管长度的增加加热能力降低；高温段，随着石墨管长度的增加最大温差也增大；
对于石墨管分布半径：整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径的增加而减小；
建模方法一：石墨管数量和石墨管长度为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模；
建模方法二：石墨管数量、石墨管长度和石墨管分布半径为自变量，热流密度和温度均匀度分别作为因变量进行建模。
2.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，石墨管数量为偶数时温度场整体均匀性优于石墨管数量为奇数时。
3.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，对于石墨管长度：高温段，石墨管辐射面积增加对辐射能增加所占比重增大，温差缩小一半，且石墨管长度变化对整个有效加热区纵向温度也均匀性影响。
4.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，对于石墨管分布半径：石墨管分布半径对加热器加热能力无影响。
5.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管数量对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；随着石墨管数量增加，在达到热流峰值以前各点热流密度均减小，热流峰值均右移，且工件表面热流峰值随着石墨管数量增加而降低，当石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件表面热流峰值由26211W/m2降低至19683W/m2，降幅为25％，远低于单根石墨管加热功率降幅83％，越过热流峰值之后随着石墨管数量增加，工件表面热流密度增加。
6.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管数量对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；石墨管数量越多，加热前期工件温差越小，石墨管数量由3根增加至18根时，边部工件心表最大温差由20.6℃减少至16.3℃，减少了21％，中心工件心表最大温差由19.4℃减少至16.1℃，减小了17％。
7.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管长度对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；在加热初始阶段，即热流密度未达到热流峰值以前，石墨管长度增加使中心表面热流密度降低；石墨管长度由550mm增加至750mm时，热流峰值由21560W/m2减少至20752W/m2，降幅为3.7％，远低于石墨管单位体积功率减少比例36.4％，而且随着温度升高，长度增加使辐射面积增加，辐射能增加，工件表面热流密度增加。
8.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管长度对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；石墨管长度增加，在加热前期使工件温差减小，随着加热继续进行，反而使工件温差增大。
9.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；增大石墨管分布半径，工件表面热流密度减小，分布半径由243mm增加至363mm，热流峰值由23532W/m2减小至23148W/m2，仅减小了1.6％，而石墨管分布半径对热流峰值位置没有影响，均在加热到660s达到热流峰值。
10.根据权利要求1所述的真空热处理炉加热器的结构优化方法，其特征在于，通过温度场模拟石墨管分布半径对渗碳炉加热器的结构进行设置，以保证温度场的均匀性和加热效率；
数值模型作出如下假设：假设加热室、石墨管加热器、工件的初始温度恒定，均为25℃；假设输入石墨管加热器总功率一定，均采用满功率50kW加热，不考虑加热器紧固件对功率的消耗；假设加热室内物体表面只存在辐射换热，将稀薄气体看作透明介质，不考虑对流换热；不考虑料框和料框底座对加热室温度场影响；
有效加热区内放置48根直径为25mm，长度为100mm的20CrMnTi圆钢作为被加热工件；整个加热过程中工件温差均随着石墨管分布半径增加而减小，分布半径为243mm和363mm时，边部工件的最大温差分别为19.6℃和18.5℃，中心工件的最大温差分别为19℃和18.4℃。
CN201711272445.5A 2017-12-05 2017-12-05 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法 Pending CN108170897A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711272445.5A CN108170897A (zh) 2017-12-05 2017-12-05 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711272445.5A CN108170897A (zh) 2017-12-05 2017-12-05 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108170897A true CN108170897A (zh) 2018-06-15

Family

ID=62525192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711272445.5A Pending CN108170897A (zh) 2017-12-05 2017-12-05 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108170897A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109929970A (zh) * 2019-04-28 2019-06-25 东北大学 一种烟气循环式钢板中低温回火炉及低温控制方法
WO2022099712A1 (zh) * 2020-11-16 2022-05-19 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法
CN114756914A (zh) * 2022-06-13 2022-07-15 中国飞机强度研究所 空天飞机测试用加热系统的石墨加热元件热惯性表征方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101339579A (zh) * 2008-08-15 2009-01-07 贵州永红航空机械有限责任公司 铝制板翅式散热器真空钎焊炉温度场的均温方法
KR20090006086U (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 현대하이스코 주식회사 조직관찰용 열처리 모사장치
CN105087882A (zh) * 2015-09-10 2015-11-25 中南大学 一种立式淬火炉热处理阶段划分方法
CN106319436A (zh) * 2016-10-26 2017-01-11 东北大学 真空渗碳炉及使用其的渗碳方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090006086U (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 현대하이스코 주식회사 조직관찰용 열처리 모사장치
CN101339579A (zh) * 2008-08-15 2009-01-07 贵州永红航空机械有限责任公司 铝制板翅式散热器真空钎焊炉温度场的均温方法
CN105087882A (zh) * 2015-09-10 2015-11-25 中南大学 一种立式淬火炉热处理阶段划分方法
CN106319436A (zh) * 2016-10-26 2017-01-11 东北大学 真空渗碳炉及使用其的渗碳方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOWEI HAO等: "3-D Numerical analysis on heating process of loads within vacuum heat treatment furnace", 《APPLIED THERMAL ENGINEERING》 *
张红梅: "真空炉加热区的热场分析", 《电子工业专用设备》 *
张继玉: "论真空热处理工件变形", 《真空》 *
王昊杰等: "真空渗碳炉加热室温度场数值模拟与分析", 《热加工工艺》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109929970A (zh) * 2019-04-28 2019-06-25 东北大学 一种烟气循环式钢板中低温回火炉及低温控制方法
CN109929970B (zh) * 2019-04-28 2023-09-22 东北大学 一种烟气循环式钢板中低温回火炉及低温控制方法
WO2022099712A1 (zh) * 2020-11-16 2022-05-19 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法
CN114756914A (zh) * 2022-06-13 2022-07-15 中国飞机强度研究所 空天飞机测试用加热系统的石墨加热元件热惯性表征方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108170897A (zh) 一种真空热处理炉加热器的结构优化方法
Sharma et al. Solar tower based aluminum heat treatment system: Part I. Design and evaluation of an open volumetric air receiver
Xu et al. Study of a new type of radiant tube based on the traditional M-type structure
Liang et al. Performance analysis of a new-design filled-type solar collector with double U-tubes
CN103060532B (zh) 用于在蒸气发生器竖起的管壁中引起应力降低的方法
CN102313277A (zh) 一种对煤粉锅炉过热器再热器进行炉内实时监测的方法
Yanping et al. Experimental investigation on heat-transfer characteristics of a cylindrical cavity receiver with pressurized air in helical pipe
CN202041079U (zh) 一种双圆筒辐射室加热炉
CN104775012A (zh) 均匀加热带钢的宽幅面感应加热方法及装置
CN204090183U (zh) 一种真空气压烧结炉的发热体
CN205332784U (zh) 外热式真空加热炉炉温均匀度装置
CN106455179A (zh) 一种电磁线圈绕组及具有其的热水器、液体加热装置
CN208883944U (zh) 锅炉受热面销钉焊后热处理专用工装
CN104019472B (zh) 一种炉膛
CN208124886U (zh) 立管方箱炉
CN206875431U (zh) 一种炉底侧壁低氮燃烧器
CN207945813U (zh) 燃气热水器及其热交换器
CN202152333U (zh) 双阶梯双面辐射管式加热炉
CN206146208U (zh) 一种仿生学芯部发热体结构
CN206320922U (zh) 一种电磁式液体加热装置及电磁热水器
CN205099348U (zh) 一种高效节能氨分解设备
CN203869105U (zh) 炉膛
LIU et al. Numerical Simulation to Optimize Heating System in Vacuum Carburizing Furnace
CN207585345U (zh) 炼钢合金烘烤炉
RU2467260C2 (ru) Технологический нагреватель

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination