真空爐加熱區(qū)的熱場(chǎng)分析

張紅梅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

真空爐按真空度分低真空（1×10-1Pa）、高真空（1×10-2～1×10-4Pa）、超高真空（1×10-4Pa～）；按工作溫度分低溫爐（～650℃）、中溫爐（650℃～1 000℃）、高溫爐（1 000℃及以上）；按照加熱方式分為外熱式真空爐和內(nèi)熱式真空爐。外熱式真空爐傳熱效率低、加熱緩慢、熱損失大、控溫困難。內(nèi)熱式真空爐可實(shí)現(xiàn)快速加熱和冷卻，使用溫度高，可實(shí)現(xiàn)大型化，便于連續(xù)作業(yè)，自動(dòng)化控制程度高，生產(chǎn)效率高。近十幾年來，內(nèi)熱式真空爐迅速發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前真空爐的主流爐型。

而內(nèi)熱式真空爐的設(shè)計(jì)，加熱區(qū)是其核心部分，加熱區(qū)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到爐子的使用性能及其運(yùn)營(yíng)成本。加熱區(qū)設(shè)計(jì)大了，會(huì)增加設(shè)備成本，降低利潤(rùn)，同時(shí)也會(huì)增加用戶能耗。加熱區(qū)設(shè)計(jì)小了，會(huì)減小設(shè)備使用空間，降低生產(chǎn)效率。本文通過對(duì)真空爐加熱區(qū)的分析，掌握其溫場(chǎng)的實(shí)際分布情況，在降低設(shè)備成本，提高生產(chǎn)使用率的基礎(chǔ)上，對(duì)真空爐加熱區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 真空爐加熱區(qū)的設(shè)計(jì)分析

1.1 真空爐的加熱原理

在真空技術(shù)里，真空系針對(duì)大氣而言，表示在一特定空間內(nèi)單位體積氣體分子的減少，使壓力降低小于大氣壓，通常稱此空間為真空或真空狀態(tài)。在真空狀態(tài)下，氣體分子數(shù)目非常少，分子之間或分子與其它質(zhì)點(diǎn)（如電子、離子）之間的碰撞概率減少，氣體的流動(dòng)性就非常小。因此，真空狀態(tài)下的對(duì)流加熱就非常小，所以內(nèi)熱式真空爐的加熱以輻射加熱為主，傳導(dǎo)加熱為輔，這也是真空爐與普通電加熱爐不同的地方。在真空爐中，通過加熱元件的輻射和反射屏的反射，將熱量傳遞到溫度低的工件表面，工件再通過自身的熱傳導(dǎo)將熱量傳到工件心部，經(jīng)過一定的保溫時(shí)間，使工件的心部溫度與表面溫度達(dá)到一致，使整個(gè)工件受熱均勻。

1.2 加熱區(qū)的設(shè)計(jì)原理

內(nèi)加熱式真空爐的加熱區(qū)分為方形加熱區(qū)和圓筒形加熱區(qū)兩種。例如鋁真空釬焊爐的加熱區(qū)大多設(shè)計(jì)為方形，采用六面加熱，溫度均勻性好。而高溫真空爐的加熱區(qū)大多設(shè)計(jì)為圓筒形結(jié)構(gòu)，因圓筒形加熱區(qū)熱輻射面積大，熱輻射均勻，熱損失小，保溫性能好。

真空爐加熱區(qū)的設(shè)計(jì)從均溫區(qū)開始，根據(jù)均溫區(qū)尺寸的大小來設(shè)計(jì)真空爐的加熱區(qū)。一般加熱元件距離均溫區(qū)的徑向尺寸為50～150 mm，加熱元件距離反射屏的徑向尺寸為50～100 mm。距離均溫區(qū)的軸向尺寸為100～250 mm；對(duì)于反射屏兩端不布置加熱元件的加熱區(qū)，其兩端溫度偏低，反射屏距離均溫區(qū)軸向距離尺寸為150～300 mm，或更長(zhǎng)一些。那么,在設(shè)計(jì)真空爐加熱區(qū)的時(shí)候，這些尺寸具體該取多少才能夠保證均溫區(qū)內(nèi)的爐溫均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，下面通過典型實(shí)例來進(jìn)行分析。

2 典型實(shí)例

以均溫區(qū)尺寸為準(zhǔn)700 mm×700 mm的真空爐為例，來分析一下加熱區(qū)設(shè)計(jì)尺寸的大小對(duì)于爐子均溫區(qū)內(nèi)爐溫均勻性的影響以及整個(gè)加熱區(qū)的實(shí)際溫度分布情況。

爐子及加熱區(qū)關(guān)鍵指標(biāo)：

●最高溫度：1 350℃

●工作溫度：800～1 100℃

●爐溫均勻性：≤±3℃（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在800℃，1 000℃，1 100℃九點(diǎn)測(cè)溫）

該真空爐的加熱區(qū)設(shè)計(jì)為圓筒形，全金屬屏結(jié)構(gòu)。主要由加熱元件、反射屏、保溫屏，絕緣瓷件以及工件支撐等組成。加熱元件采用的是高溫合金鉬帶,沿加熱室軸向均勻分布，分三區(qū)加熱，三區(qū)獨(dú)立控溫。反射屏為高溫合金鉬屏，保溫屏由1層鉬屏、2層耐熱鋼屏以及2層不銹鋼屏組成。加熱區(qū)的前后門屏均不布置加熱元件，門屏與側(cè)屏間留有一定的間距，因在加熱過程中，加熱區(qū)中的元件會(huì)受熱膨脹，沿軸向方向會(huì)有一定的伸長(zhǎng)量。間距的大小根據(jù)溫度設(shè)計(jì)計(jì)算，不可過大，也不能過小。間距小了，側(cè)屏筒會(huì)擠壓門屏，使門屏變形。間距大了，會(huì)漏熱，影響爐溫均勻性。

該爐子的加熱區(qū)設(shè)計(jì)原理如圖1和圖2所示。

圖1 加熱區(qū)徑向剖視圖

根據(jù)圖1所示加熱元件距離均溫區(qū)的徑向設(shè)計(jì)尺寸a=80 mm，加熱元件距離反射屏的徑向設(shè)計(jì)尺寸b=50 mm。加熱元件距離均溫區(qū)的軸向設(shè)計(jì)尺寸m=250 mm，即加熱元件的軸向布置長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=L＋500 mm，反射屏距離均溫區(qū)軸向距離設(shè)計(jì)尺寸n1=n2=300。即反射屏的布置長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=L＋600 mm。

圖2 加熱區(qū)軸向剖視圖

3 軟件仿真

我們首先對(duì)該爐子的加熱區(qū)設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元仿真分析，來驗(yàn)證一下加熱區(qū)的理論設(shè)計(jì)是否合理。

3.1 創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格

該爐子采用高溫合金鉬帶作為設(shè)備的熱源，主要通過輻射傳熱將熱量傳到工件表面，再通過工件自身熱傳導(dǎo)將熱量傳到工件心部。將加熱帶沿爐子的軸向均勻分布成三組，其二維物理模型如圖3所示。

圖3 三區(qū)加熱真空爐模型

由于真空爐的熱場(chǎng)比較復(fù)雜是瞬態(tài)變化的，很難通過數(shù)學(xué)解析方式獲得精確的計(jì)算結(jié)果，因而本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格建模與 分析計(jì)算一體化，避免了采用不同軟件帶來的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化問題，分析精度也相對(duì)較高。

首先ANSYS軟件中建立如圖3所示的二維物理模型，然后將表1中所示的材料屬性賦予模型的各個(gè)部分。采用可用于二維瞬態(tài)熱分析問題的PLANE55單元，對(duì)形狀不規(guī)則的爐體采用自由網(wǎng)格畫分方法，而對(duì)加熱帶、反射屏、均溫區(qū)等形狀規(guī)則的圖形采用映射網(wǎng)格劃分方法，模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 三區(qū)加熱真空爐網(wǎng)格劃分

3.2 加載運(yùn)算及結(jié)果分析

為了計(jì)算方便，本文只考慮熱傳導(dǎo)和熱輻射，各部件交界界面上無接觸熱，加載溫度采用單位攝氏度，其中假定爐體為恒溫25℃，對(duì)加熱帶添加分布溫度載荷，加熱帶和工作區(qū)及加熱帶和反射屏之間加載輻射載荷，并定義輻射溫度。加載完成后進(jìn)行軟件運(yùn)算求解。

圖5分別表示為真空爐內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)整個(gè)爐體內(nèi)在800℃、1 000℃、1 100℃時(shí)的熱場(chǎng)分布，由圖5可見均溫區(qū)內(nèi)的溫度明顯高于反射屏兩端溫度，而反射屏內(nèi)的溫度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其外部溫度，這一理論結(jié)果說明了反射屏采用7層金屬屏結(jié)構(gòu)是合理的，對(duì)均溫區(qū)起到了很好的隔熱保溫作用，減少了爐內(nèi)熱量的損失，保證了加熱帶的有效工作效率。

圖6分別表示為控溫偶溫度為800℃、1 000℃、1 100℃時(shí)均溫區(qū)內(nèi)的熱場(chǎng)分布，其結(jié)果顯示均溫區(qū)內(nèi)的溫度偏差較小，溫度均勻性已經(jīng)達(dá)到了±3℃，說明該加熱區(qū)理論設(shè)計(jì)是合理的。

圖5 真空爐內(nèi)熱場(chǎng)分布（800℃、1000℃、1100℃）

圖6 均溫區(qū)內(nèi)熱場(chǎng)分布（800℃、1 000℃、1 100℃）

4 溫度測(cè)試

下面通過實(shí)際溫度測(cè)試來驗(yàn)證一下該爐子的加熱區(qū)設(shè)計(jì)是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。真空爐加熱區(qū)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量與位置按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用箱式法。根據(jù)均溫區(qū)大小制作均溫區(qū)測(cè)試框架，框架材料使用耐熱鋼，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量為九點(diǎn)，均溫區(qū)前后各布置四點(diǎn)，中間布置一點(diǎn)。如圖7所示。

圖7 溫度均勻性測(cè)試方法簡(jiǎn)圖

爐子在加熱過程中，它的整個(gè)加熱區(qū)的實(shí)際溫度分布情況見圖8加熱區(qū)溫度分布曲線1。

圖8 加熱區(qū)溫度分布曲線1

從曲線圖上可見，爐子在均溫區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的溫度值偏差不大，與設(shè)定溫度值基本接近。而均溫區(qū)的前后兩端溫度與設(shè)定溫度值就相差很大，已經(jīng)超出了爐子要求的±3℃的均勻性。而在整個(gè)加熱帶布置區(qū)域，實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值最大相差6.7℃，在反射屏區(qū)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值最大相差8.3℃。

表2列出了在均溫區(qū)內(nèi)各點(diǎn)溫度的均勻性實(shí)際測(cè)量值。

由表2可見：該組數(shù)據(jù)說明爐子在均溫區(qū)內(nèi)800℃、1 000℃、1 100℃時(shí)的溫度均勻性最大差值為2.8℃，能夠滿足該爐子的溫度均勻性≤±3℃要求。同時(shí)也證實(shí)了該爐子的實(shí)際均溫區(qū)與理論均溫區(qū)的尺寸大小一致。說明了該爐子的加熱區(qū)設(shè)計(jì)是合理的。

表2 均勻性實(shí)際測(cè)量值

下面還以該爐子為例，將均溫區(qū)尺寸調(diào)整為準(zhǔn)700 mm×800 mm，此時(shí)相當(dāng)于加熱元件距離均溫區(qū)的軸向設(shè)計(jì)尺寸m=200 mm，即加熱元件的軸向布置長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=L＋400 mm；反射屏距離均溫區(qū)軸向距離設(shè)計(jì)尺寸n1=n2=250 mm，即反射屏的布置長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=L+500 mm。下面我們通過相同的均溫區(qū)檢測(cè)方法來看一下均溫區(qū)的溫度變化。

在爐子加熱過程中，其加熱區(qū)的實(shí)際溫度分布情況見圖9加熱區(qū)溫度分布曲線2：

從曲線圖上可見，均溫區(qū)尺寸做了調(diào)整以后，爐子在均溫區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的溫度值偏差有所增大。說明該均溫區(qū)內(nèi)的溫度均勻性有所降低。

表3列出了在均溫區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的溫度均勻性實(shí)際測(cè)量值。

圖9 加熱區(qū)溫度分布曲線2

表3 調(diào)整后的均勻性實(shí)際測(cè)量值

由表3可見：該組數(shù)據(jù)說明該爐子的均溫區(qū)調(diào)整到準(zhǔn)700 mm×800 mm以后，其溫度均勻性在 800℃、1 000℃、1 100℃時(shí)仍可以控制在≤±5℃的范圍內(nèi)。由此可見，只要對(duì)加熱區(qū)的設(shè)計(jì)尺寸稍微做下調(diào)整，同樣大小的加熱區(qū)，其均溫區(qū)內(nèi)的溫度均勻性就會(huì)發(fā)生很大的變化。這對(duì)于設(shè)計(jì)均溫區(qū)尺寸與準(zhǔn)700 mm×700 mm接近或相差不大的真空爐提供了重要的理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文通過有限元仿真和實(shí)際測(cè)試，對(duì)均溫區(qū)為準(zhǔn)700 mm×700 mm的真空爐加熱區(qū)的熱場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，無論從仿真結(jié)果還是實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，都證實(shí)了該爐子的加熱區(qū)設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足設(shè)計(jì)及使用要求。同時(shí)也從理論和實(shí)際上掌握了真空爐中加熱區(qū)的實(shí)際溫度分布情況。在降低設(shè)備成本，提高設(shè)備使用率的基礎(chǔ)上，對(duì)于用最小的爐殼設(shè)計(jì)出最大的均溫區(qū)積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。尤其是為Ⅰ類真空爐要求溫度均勻性達(dá)到±3℃的加熱區(qū)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

[1]閻承沛.真空熱處理工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.