鐘罩式感應爐的結構設計及溫度場有限元分析

李治國，陳剛

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

中頻感應爐是一種利用物料的感應電熱效應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、適應性強、電磁攪拌效果好、感應爐爐體周圍溫度低、煙塵少、作業環境好、金屬成分均勻、鑄件質量好等優點［1］，同時，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用。

本文探討一種環形感應爐的結構設計，并利用ANSYS 有限元軟件對爐體溫度場進行分析，以便弄清楚爐膛內溫度的分布情況，以便在設計制作中提供設計思路和理論依據。

1 鐘罩式感應爐的結構設計

如圖1 所示，為鐘罩式感應爐的整體結構，主要由兩大部分組成。第一部分：可升降移動式感應加熱罩，包括感應器、吊環、熱電偶、進出水管、感應電源引出線等；第二部分：爐體座、坩堝底座、坩堝等。

熔煉時，將原料放入坩堝中，然后吊裝感應加熱罩，接通冷卻水源，接通感應加熱電源，發熱體產生渦流而快速發熱，從而使置于坩堝內的物料快速而均勻地升溫。控制系統可以通過熱電偶來測試感應爐膛內溫度，控制系統將采集的數據進行分析，再將分析結果傳遞給加熱元件，進而形成反饋閉環控制系統。

圖1 鐘罩式感應爐的結構示意圖

2 基于ANSYS 軟件有限元熱分析的建立

2.1 有限元分析方程

進行溫度場有限元分析的方法是：將復雜的結構離散成互不重疊的簡單形狀單元，在簡單單元域內選取近似函數進行插值，然后疊加成計算方程，確定溫度場［2］，其基本的有限元方程如下：

其中，［Kk］為熱傳導矩陣，［Kc］為對流矩陣，｛Q｝為節點熱流矢量，｛Qe｝為對流節點熱流輸入矢量［2］。

2.2 有限元熱分析模型的建立

如圖1 所示，移動式感應加熱罩呈一個軸對稱布置形式，可以按軸對稱取一個對稱面進行二維有限元分析，如圖2所示，L1、L2為感應爐加熱邊、L3為對稱軸、L4為加熱爐底邊（圖中所標尺寸為分析用尺寸）。

2.3 感應爐的工況條件設定

根據感應爐的實際工作情況，進行以下條件設定：1）傳熱介質為空氣；2）空氣流體為自然對流；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 軟件進行有限元熱分析

圖4 熱生成率5 kcal/s·m3，時間為900 s 時的溫度云圖

1）工況1 分析。條件設定：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，分析時長為900 s。如圖4 所示，為時間t＝900 s 時刻的溫度彩色云圖分布情況。在圖中可以看出，t＝900 s 時刻的感應爐中心區溫度分布在551±80℃區間。

2）工況2 分析。條件設定：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，分析時長為1 200 s。如圖5 所示，為時間t＝1 200 s 時刻的溫度彩色云圖分布情況。在圖中可以看出，t＝1 200 s 時刻的感應爐中心區溫度分布在780±80℃區間。

圖5 熱生成率5 kcal/s·m3，時間為1 200 s 時的溫度云圖

4 感應爐溫度場分析

如表1 所示，為各種爐況設定條件下中心區溫度理論分析值。

表1 感應爐溫度場中心區溫度分析值

5 結語

通過以上分析，可以看出：

1）自然對流情況下，溫度分布從爐膛的邊緣至中間呈現逐漸遞減現象；

2）若要提高升溫效果，可提高熱生成率；

3）自然對流情況下，若采用鐘罩式感應加熱，坩堝中心底部的溫度最低；

4）有限元分析云圖分析結果對加熱載荷的選擇、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構設計提供了指導。

［1］段振山，馬海波.感應熔煉技術的發展及其在鑄鐵生產中的應用［J］.鑄造，2000（12）：911-913.

［2］陳剛，朱石沙.煤質分析儀加熱爐溫度場分析及ANSYS 模擬［J］.湘潭大學自然科學學報，2006（3）：89-92.

［3］汪志誠.熱力學.統計物理［M］.北京：高等教育出版社，2003.

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

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