CN110069841B - 一种能长时间在高温下稳定运行的真空管式炉的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能长时间在高温下稳定运行的真空管式炉的设计方法，其特征在于选择陶瓷材料作为加热元件，选择测非标热电偶作为测温元件，氧化铝系材料作为耐火材料，同时选择了刚玉炉管，法兰，热电偶信号输入控制器。通过SolidWorks建立真空管式炉三维模型，采用先进的计算机虚拟仿真模拟技术，针对真空管式炉的炉管部分，用SolidWorks Simulation分析软件对其可靠性进行分析。本发明真空管式气氛炉能够长时间稳定的运行于1800℃工作温度，用以适应更广的实验需求，对玻璃、陶瓷、冶金、热处理、锂电正负极材料、新能源等行业的研究开发具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及真空管式炉设计，特别涉及一种能够长时间稳定运行于1800℃及其以上工作温度的真空管式气氛炉。
背景技术
作为一种重要的工业炉具，真空管式炉已在机械、冶金、化工、建材、新材料、新能源等方面体现出了尤为重要的地位，相比于一些其它的老式普通炉具，它使用起来更加环保安全，操控更加简单快捷。因为其具有外表面温度低、炉温稳定且易控、升降温度的速率快等一系列的优点，逐渐成为各科研院所、各大高校、工矿企业做生物质炭化活化、高温气氛烧结、新产品研发、真空退火时所用的理想用具。目前，管式炉按照炉型分类可将之细分为普通管式炉，管式电阻炉，管式马沸炉，管式回转炉等。按照炉膛安装方式的不同，可以分为立式管式炉，卧式管式炉，滑轨管式炉，水平管式炉，旋转管式炉，分体管式炉等。按照热源类型的不同，又可细分为燃烧式管式炉，热风式管式炉，电热式管式炉等。按照气压气氛条件的不同，还可以分为，真空管式炉，高压管式炉，气氛管式炉，热风管式炉，真空管式气氛炉，高压管式气氛炉。
目前，已在电商上注册的相关大型企业和厂商中，每年年销售额达到千万人民币及以上的企业一共25家。而这些厂商所销售的的设备型号之中，一共有473种管式炉。其中长时间持续工作的最高温度在1100℃及以下的设备为201台，在1100-1200℃之间的设备89台，在1201-1400℃之间的设备为68台，在1401-1600℃之间的设备为74台。而能达到1700℃的设备仅41台，在这其中虽然有少量设备虽能达到1800℃，却无法长时间在此温度下工作。不难发现我国管式炉的设计生产主要集中在中高温温度区间，对于长时间维持工作温度在1800℃以上的设备较稀缺，为此，本发明涉及的管式炉工作温度可以长时间维持在1800℃左右，用以适应更广的实验需求。
发明内容
本发明的目的在于设计一种能在1800℃下长时间工作的电热式真空管式炉。具体步骤为：
(1)对电热式真空管式炉的元件进行选型，选择陶瓷材料作为真空管式炉的加热元件，使其能够在空气及氧化性条件下能安全使用，也能适应保护气氛和真空条件。选择非标热电偶，将其做绝缘套管处理，与相应的热电偶温度分度表搭配使用作为测温元件。为防止高温时耐火材料电阻下降导致温度不稳及炉体体积过于庞大，炉体耐火材料的内层选用绝缘处理后的氧化铝系材料，往外一层用保温性能更好的高铝砖，再外一层是保温性能更好的超轻耐火粘土砖，最外层是热盾毯。炉管选择可大批量生产及工艺成熟的刚玉炉管，热电偶信号输入控制器采用12位A/D转换器，PID方式控温。
(2)建立真空管式炉模型，采用比较先进的计算机仿真模拟技术，将步骤(1)的选型元件通过SolidWorks建立真空管式炉的相关模型，并将各个零件进行装配图组合，形成真空管式炉三维模型。
(3)将步骤(2)模型进行简化处理及有限元分析。对设计后的真空管式炉最重要的炉管部分，用SolidWorks Simulation分析软件进行分析，建立有限元分析模型，定义接触条件以及边界条件，对仿真模拟结果进行分析，推演温度场的分布，评估真空管式炉在1800℃及其以上温度工作的可行性。
本发明可以填补管式炉在长时间工作温度达到1800℃及其以上温度区间，用以适应更广的实验需求，对玻璃、陶瓷、冶金、热处理、锂电正负极材料、新能源等行业的研究开发具有重要意义。
附图说明
图1为本发明传热简化模型。
图2为本发明炉管模型网格划分示意图。
图3为本发明炉管热力场分布图。
具体实施方式
(1)选择强稳定性的铬酸镧棒陶瓷材料作为设备的加热元件。选择钨铼电偶用隔离体做绝缘处理套管处理后，连接至相对应的钨铼热电偶温度分度表用以直观的显示炉温。炉体内层耐火材料选择利用氮化硼做绝缘处理后的刚玉质耐火砖，往外一层用保温性能更好的高铝砖，再外一层是保温性能更好的超轻耐火粘土砖，最外层是热盾毯。选择管径为80mm，内径为74mm，长度为1000mm的刚玉管作为炉管，同时选择高压DN25法兰密封，12位A/D转换器将热电偶信号输入控制器，PID方式控温。
(2)建立真空管式炉模型，采用比较先进的计算机虚拟仿真模拟技术，将步骤(1)的选型元件通过SolidWorks建立真空管式炉的相关模型，并将各个零件进行装配图组合，形成真空管式炉三维模型。
(3)将步骤(2)模型进行简化处理及有限元分析。对真空管式炉模型中最重要的炉管部分，用SolidWorks自带的SolidWorks Simulation分析软件进行分析，建立对应的有限元分析模型。首先建立算例，根据实际属性对炉管材料的属性定义设置。接着设置替代热源的模拟热源，在放置实验样品的位置试驾载荷，生成网格模型，完成有限元网格划分。然后运行算例，对模型的离散单元部分进行求解，从而求出炉管的温度场分布及受力场分析，初步完成炉管热场和力场有限元分析模型，之后就是对建立出的有限元模型进行网格质量检查，然后定义接触条件和边界条件，建立算例进行有限元计算，对模型进行仿真分析，并对仿真分析得出的结果进行分析，评估真空管式炉在1800℃及其以上温度工作的可行性。
图1是具体实施例新型传热简化模型，根据炉管及其周围的结构，将其抽象为圆管和外层厚壁圆管的耐火材料，两层之间的细管为加热元件的安装位置。
图2为具体实施例新型炉管网格划分示意图，管式炉物理模型建立完成后进行炉管的网格划分，将网格划分为多个细小的四面体单元网格。
表1为具体实施例新型炉管网格划分示意图的网格细节。
表1网格细节
图3为具体实施例新型炉管热力场分布图，由附图3可以看出，当炉管加热棒加热至1810℃时，1782℃区域显著提升，炉管的温度场满足设计所需要求1800℃。
Claims (1)
1.一种能长时间在高温下稳定运行的真空管式炉的设计方法，其特征在于具体步骤为：
（1）选择陶瓷材料作为加热元件，选择非标热电偶，将其做绝缘套管处理，与相应的热电偶温度分度表搭配使用作为测温元件；炉体耐火材料的内层选用绝缘处理后的氧化铝系材料，往外一层用保温性能更好的高铝砖，再外一层是保温性能更好的超轻耐火粘土砖，最外层是热盾毯，炉管选择刚玉炉管，热电偶信号输入控制器采用12位A/D转换器，PID方式控温；
（2）将步骤（1）所得通过SolidWorks建立真空管式炉的相关模型，并将各个零件进行装配图组合，形成最终的真空管式炉三维模型；
（3）将步骤（2）所得模型进行简化处理及有限元分析，对真空管式炉最重要的炉管部分，用SolidWorks Simulation分析软件进行分析，建立有限元分析模型，定义接触条件以及边界条件，对仿真模拟结果进行分析，推演温度场的分布，检验真空管式炉在高温运行的可行性；
所述的陶瓷材料为铬酸镧棒，非标热电偶为钨铼热电偶，所述真空管式炉工作温度区间长时间维持在1800℃及其以上。
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