內(nèi)加熱器陶瓷保護(hù)套管的溫度場和應(yīng)力場數(shù)值模擬

楊萬利，程 皓，李 婷，馮 婧，韓 婷，史成斌，史忠旗

(1.西安航天復(fù)合材料研究所超碼科技有限公司，西安 710025；2.西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

金屬熔液內(nèi)加熱器(Immersion Heater)主要應(yīng)用于熱浸鍍鋅和熱壓鑄鋁等有色冶金領(lǐng)域，是浸入式加熱裝備對熔融金屬進(jìn)行熔化、保溫、凈化等處理的核心元件，由內(nèi)部發(fā)熱元件和陶瓷保護(hù)套管兩部分組成。該加熱器相比較于傳統(tǒng)外加熱方式具有能耗低、污染小、資源利用率高等優(yōu)勢，特別是陶瓷保護(hù)套管，具有與熔融金屬低反應(yīng)或完全不反應(yīng)的特性，從而徹底克服了傳統(tǒng)外加熱鐵鍋對金屬熔液的污染，對整個(gè)行業(yè)競爭力具有顯著的提升作用[1-3]。

浸沒于高溫、活性金屬熔液中的陶瓷保護(hù)套管是內(nèi)加熱器的核心。然而，內(nèi)加熱器在使用時(shí)需要直接由室溫插入到金屬熔液中，這會在保護(hù)套管內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。而在正常工作時(shí)，保護(hù)套管由于發(fā)熱元件的作用會形成內(nèi)熱外冷的溫度梯度，進(jìn)而形成另一種模式的熱應(yīng)力狀態(tài)，如果這兩種應(yīng)力不能得到有效控制，將會對保護(hù)套管造成損傷，從而引起內(nèi)加熱器整體失效。因此，對內(nèi)加熱器保護(hù)套管的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行模擬計(jì)算，確保套管在使用過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性，是內(nèi)加熱技術(shù)工程應(yīng)用的一個(gè)重要課題。

本文對內(nèi)加熱器陶瓷保護(hù)套管從插入金屬熔液的瞬態(tài)到正常工作的穩(wěn)態(tài)這一過程的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，并對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為內(nèi)加熱器的安全使用提供相關(guān)指導(dǎo)?！?br>