李治國(guó)，陳剛

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

中頻感應(yīng)爐是一種利用物料的感應(yīng)電熱效應(yīng)而使物料加熱或熔化的電爐。因其具有加熱熔化速度快、加熱溫度均勻、燒損少、適應(yīng)性強(qiáng)、電磁攪拌效果好、感應(yīng)爐爐體周圍溫度低、煙塵少、作業(yè)環(huán)境好、金屬成分均勻、鑄件質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)［1］，同時(shí)，其具有良好的爐溫可控性，在金屬熔煉和保溫等方面得到不斷應(yīng)用。

本文探討一種環(huán)形感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用ANSYS 有限元軟件對(duì)爐體溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，以便弄清楚爐膛內(nèi)溫度的分布情況，以便在設(shè)計(jì)制作中提供設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)。

1 鐘罩式感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，為鐘罩式感應(yīng)爐的整體結(jié)構(gòu)，主要由兩大部分組成。第一部分：可升降移動(dòng)式感應(yīng)加熱罩，包括感應(yīng)器、吊環(huán)、熱電偶、進(jìn)出水管、感應(yīng)電源引出線等；第二部分：爐體座、坩堝底座、坩堝等。

熔煉時(shí)，將原料放入坩堝中，然后吊裝感應(yīng)加熱罩，接通冷卻水源，接通感應(yīng)加熱電源，發(fā)熱體產(chǎn)生渦流而快速發(fā)熱，從而使置于坩堝內(nèi)的物料快速而均勻地升溫。控制系統(tǒng)可以通過熱電偶來測(cè)試感應(yīng)爐膛內(nèi)溫度，控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再將分析結(jié)果傳遞給加熱元件，進(jìn)而形成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 鐘罩式感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于ANSYS 軟件有限元熱分析的建立

2.1 有限元分析方程

進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元分析的方法是：將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散成互不重疊的簡(jiǎn)單形狀單元，在簡(jiǎn)單單元域內(nèi)選取近似函數(shù)進(jìn)行插值，然后疊加成計(jì)算方程，確定溫度場(chǎng)［2］，其基本的有限元方程如下：

其中，［Kk］為熱傳導(dǎo)矩陣，［Kc］為對(duì)流矩陣，｛Q｝為節(jié)點(diǎn)熱流矢量，｛Qe｝為對(duì)流節(jié)點(diǎn)熱流輸入矢量［2］。

2.2 有限元熱分析模型的建立

如圖1 所示，移動(dòng)式感應(yīng)加熱罩呈一個(gè)軸對(duì)稱布置形式，可以按軸對(duì)稱取一個(gè)對(duì)稱面進(jìn)行二維有限元分析，如圖2所示，L1、L2為感應(yīng)爐加熱邊、L3為對(duì)稱軸、L4為加熱爐底邊（圖中所標(biāo)尺寸為分析用尺寸）。

2.3 感應(yīng)爐的工況條件設(shè)定

根據(jù)感應(yīng)爐的實(shí)際工作情況，進(jìn)行以下條件設(shè)定：1）傳熱介質(zhì)為空氣；2）空氣流體為自然對(duì)流；3）施加的邊界載荷均為平均值。

圖2 2D 分析圖

2.4 ANSYS 的熱分析的基本流程

其有限元分析的基本流程如圖3 所示。

圖3 有限元分析流程

3 利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元熱分析

圖4 熱生成率5 kcal/s·m3，時(shí)間為900 s 時(shí)的溫度云圖

1）工況1 分析。條件設(shè)定：爐膛的起始平均溫度為20℃，在L1邊和L2邊施加熱均勻載荷，5 kcal/s·m3，分析時(shí)長(zhǎng)為900 s。如圖4 所示，為時(shí)間t＝900 s 時(shí)刻的溫度彩色云圖分布情況。在圖中可以看出，t＝900 s 時(shí)刻的感應(yīng)爐中心區(qū)溫度分布在551±80℃區(qū)間。

2）工況2 分析。條件設(shè)定：爐膛的起始平均溫度為20℃，在L1邊和L2邊施加熱均勻載荷，5 kcal/s·m3，分析時(shí)長(zhǎng)為1 200 s。如圖5 所示，為時(shí)間t＝1 200 s 時(shí)刻的溫度彩色云圖分布情況。在圖中可以看出，t＝1 200 s 時(shí)刻的感應(yīng)爐中心區(qū)溫度分布在780±80℃區(qū)間。

圖5 熱生成率5 kcal/s·m3，時(shí)間為1 200 s 時(shí)的溫度云圖

4 感應(yīng)爐溫度場(chǎng)分析

如表1 所示，為各種爐況設(shè)定條件下中心區(qū)溫度理論分析值。

表1 感應(yīng)爐溫度場(chǎng)中心區(qū)溫度分析值

5 結(jié)語

通過以上分析，可以看出：

1）自然對(duì)流情況下，溫度分布從爐膛的邊緣至中間呈現(xiàn)逐漸遞減現(xiàn)象；

2）若要提高升溫效果，可提高熱生成率；

3）自然對(duì)流情況下，若采用鐘罩式感應(yīng)加熱，坩堝中心底部的溫度最低；

4）有限元分析云圖分析結(jié)果對(duì)加熱載荷的選擇、溫度傳感器的安裝位置、坩堝的形狀、爐料的選擇、工藝的安排及爐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

［1］段振山，馬海波.感應(yīng)熔煉技術(shù)的發(fā)展及其在鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.鑄造，2000（12）：911-913.

［2］陳剛，朱石沙.煤質(zhì)分析儀加熱爐溫度場(chǎng)分析及ANSYS 模擬［J］.湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：89-92.

［3］汪志誠(chéng).熱力學(xué).統(tǒng)計(jì)物理［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］金仲信.感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵基礎(chǔ)理論問答50 例［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2004（3）：62-65.

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