鉬隔熱屏表面氧化對加熱爐內部熱場影響的定量分析

楊 雷，蘇曼婷，李早陽，劉 峰，劉昌威

(1.西安慧金科技有限公司，陜西 西安 710061； 2.西安交通大學，陜西 西安 710049)

鉬的熔點高達2 620 ℃，并具有優異的高溫抗蠕變性能和極低的飽和蒸氣壓，因而在高溫加熱爐的保溫材料中得到廣泛的應用[1-3]。鉬隔熱屏是較為常用的保溫結構，如圖1所示。制作鉬隔熱屏時，采用一定厚度的潔凈、光亮、平整的鉬片進行滾筒，并將多個單層鉬桶之間固定[4]。由于鉬的表面發射率最小可達0.1左右，因此鉬隔熱屏的保溫效果十分顯著[5]。然而在實際使用過程中，由于表面氧化或高溫消耗，使得鉬隔熱屏表面不再光潔、發射率增大，這將顯著影響加熱爐內部的溫度分布及功率消耗。大的發射率將導致爐體內部溫度降低和加熱功率升高，這樣的定性關系是顯而易見的，但其對于精細設計長期運行狀態下加熱爐內部的熱場條件卻是遠遠不夠的。因此，有必要針對鉬隔熱屏表面氧化導致發射率改變并影響加熱爐內部熱場進行定量分析。高溫條件下溫度測量實驗難度較大，同時也無法通過實驗全面獲得爐體內部的溫度分布。相比之下，數值模擬仿真分析為全面深入認識加熱爐內部的熱場分布提供了有效手段。本論文即采用數值模擬方法，定量研究鉬隔熱屏表面氧化對加熱爐內部溫度分布和功率消耗的影響，為精細化設計爐體內部熱場提供理論依據。

圖1 鉬隔熱屏實物圖

1 建立模型

1.1 幾何模型

本研究針對某一工業加熱爐開展，爐體結構如圖2所示。整個加熱爐主要由爐腔、加熱器、鉬隔熱屏、爐壁等部件組成，工作過程中爐腔內放入坩堝等部件。爐體采用電阻加熱，設計最高溫達到1 650 ℃，加熱器結構布置如圖1所示。爐體直徑約為800 mm、高度約為1 000 mm。整個鉬隔熱屏由8層組成，其外側為1層不銹鋼固定支架層。理想情況下，表面光潔的鉬隔熱屏發射率可達0.1，本研究模擬分析不同氧化條件下鉬隔熱屏的發射率，分別設置為0.1、0.3、0.5和0.7。

1.2 數學模型

圖2所示加熱爐原本為三維結構，考慮到爐體結構的中心對稱性并提高計算效率，本研究采用二維軸對稱模型進行計算。考慮到此類加熱爐一般工作在真空狀態下，爐體內包含強烈的輻射換熱、熱傳導和十分微弱的對流換熱。基于此，描述加熱爐內熱量傳遞的方程主要有描述導熱的能量守恒方程和描述表面輻射的輻射傳熱方程。

圖2 加熱爐結構簡圖

能量守恒方程為

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，J/kg·K-1；T為溫度，K;t為時間，s;λ為導熱系數，W/m·K；SQ為熱量源項，W/m3。對于加熱器而言，SQ為單位體積輸入的加熱功率，對于其他導熱部件該項為0。

(2)

(3)

2 結果分析

加熱爐工作過程中，鉬隔熱屏表面氧化導致發射率的改變將直接影響爐體內部的溫度分布和功率消耗。為了清楚地研究發射率變化的影響效果，分別對比分析了相同輸入功率條件下爐體內部的溫度分布和相同最高溫度下條件下需要的輸入功率。圖3～圖6所示為加熱器輸入功率均為15 kW時不同鉬隔熱屏表面發射率條件下爐腔內部的溫度分布。

圖3 功率15 kW發射率0.1時的溫度分布/℃

當鉬隔熱屏表面沒有發生氧化時，以發射率0.1為代表，相應條件下的熱場分布如圖3所示。可以發現，高溫區分布在加熱器附近，爐腔內部等溫線稀疏，表明溫度分布相對均勻，能夠為材料制備提供良好的熱場條件。鉬隔熱屏區域等溫線密集，表明此處溫差大、保溫效果良好。當鉬隔熱屏表面輕微氧化時以發射率0.3為代表，嚴重氧化時以發射率0.5為代表，劇烈氧化時以發射率0.7為代表，相應條件下的的熱場分布如圖4～圖6所示。可以發現，不同發射率下熱場的總體分布相似，但相同加熱功率下爐體內溫度隨發射率的增加顯著下降。

圖4 功率15 kW發射率0.3時的溫度分布/℃

圖5 功率15 kW發射率0.5時的溫度分布/℃

圖6 功率15 kW發射率0.7時的溫度分布/℃

為了進一步定量分析隔熱屏表面氧化對熱場的影響，圖7所示為相同功率不同發射率時爐體內的最高溫度分布。可以發現，在同樣輸入15 kW加熱功率條件下，四種發射率對應的最高溫度分別為1 636、1 407、1 294和1 222 ℃，不同氧化條件下溫降分別為229、342和414 ℃。圖8所示為相同功率不同發射率時鉬隔熱屏徑向溫度分布。可以發現，隨著發射率的增加，隔熱屏外側溫度略有降低，但基本保持在600 ℃左右，內側溫度則大幅降低，表明保溫效果顯著減弱。四種發射率下隔熱屏徑向內外溫差具體數值分別為915、650、508和406 ℃，平均每一層的溫降分別為114、81、64、51 ℃。圖9所示為不同發射率條件下維持爐體內部最高溫度一致時所需的加熱功率。可以發現，所需功率隨發射率的增加而顯著增加，四種發射率對應的功率分別為15、24、32和39 kW，三種表面氧化條件下所需功率分別為原始功率的1.6、2.1和2.6倍。

圖7 功率15 kW不同發射率時的最高溫度

圖8 功率15 kW不同發射率時鉬隔熱屏徑向溫度

圖9 相同最高溫度不同發射率時所需功率

3 結 語

本文采用數值模擬方法，針對工業加熱爐中鉬隔熱屏表面氧化對熱場的影響開展定量分析。研究發現，隔熱屏表面氧化能夠顯著降低爐體內部溫度分布并增加加熱功率消耗。在輕微、嚴重和劇烈氧化條件下，爐內最高溫度降低分別為229、342和414 ℃，為了維持最高溫度所需功率需分別增加到原始功率的1.6、2.1和2.6倍。上述研究為精細設計長期運行狀態下加熱爐內部的熱場提供了理論依據。