【摘 要】
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真空烧结炉作为高温热处理的重要设备之一,应用范围十分广泛。炉温均匀性及加热效率是体现真空烧结炉加热性能的主要指标,主要由真空烧结炉加热系统的升温速度和结构参数所决定,其设计是否合理直接影响真空烧结炉的使用性能、工件烧结质量及生产效率。本文采用数值模拟和实验验证相结合的方法,对真空烧结炉的加热特性与系统参数优化进行深入探究。首先基于传热学相关理论对单室间歇式真空烧结炉的基本传热方式进行分析,采用AN
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真空烧结炉作为高温热处理的重要设备之一,应用范围十分广泛。炉温均匀性及加热效率是体现真空烧结炉加热性能的主要指标,主要由真空烧结炉加热系统的升温速度和结构参数所决定,其设计是否合理直接影响真空烧结炉的使用性能、工件烧结质量及生产效率。本文采用数值模拟和实验验证相结合的方法,对真空烧结炉的加热特性与系统参数优化进行深入探究。首先基于传热学相关理论对单室间歇式真空烧结炉的基本传热方式进行分析,采用ANSYS Fluent软件建立了恒定升温速度下的空载单室间歇式真空烧结炉三维瞬态温度场数值模型,并将模拟结果与实测温度数据进行对比,最大误差小于10%,得到了有效真空烧结炉加热过程仿真模型。在验证模拟可靠性基础上,进一步分析了影响单室间歇式真空烧结炉加热效率、炉温均匀性的因素,得出结论:石墨加热管升温速度、加热管直径是影响真空烧结炉加热效率和温度均匀性的重要参数,改变加热管与有效加热区间距对加热系统性能影响不大;适当增大升温速度和加热管直径,可有效提高加热系统的加热效率和炉温均匀性。提出了具体优化方案:升温速度由原来的6K/min增大为9K/min,石墨加热管直径由原来的35mm增大为45mm,石墨加热管与有效加热区间距由原来的65mm减小为50mm;优化后加热时间减少了60min,加热效率提高了30%,顶点工件与中心工件表面最大温差从10.85K降低到9.25K,降低了14.7%。针对单室间歇式真空烧结炉生产效率低等不足,对多室连续式真空烧结炉生产工艺开发及其温度场分布规律进行探究,建立了多室连续式真空烧结炉在空载和负载状态下的三维瞬态温度场仿真模型,对炉内温度分布规律进行了对比分析,得出结论:靠近石墨加热带处的加热区域温度较高,下部温度较低;加热带设定温度越高,有效加热区温差越大;当加热带长度依次取0.28m、0.31m、0.34m、0.37m、0.40m时,有效加热区最大温差依次为150K、110K、90K、80K、70K,随加热带长度增加而减小;当工件的运动速度从每10min降低至每20min进料一次时,加热过程中工件内部最大温差从87.6K减小至56.1K,减小了35.9%,工件内部温差随其运动速度的降低而减小;保温期间工件温差随保温时间的增加而减小,工件温差最大值在573K、873K、1173K、1473K、2573K温区分别保温至204min、65min、28min、12min、98min时减小至5K以内,达到碳化硅工件生产工艺要求,工程上可采用该方法计算各温区的保温时间。
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