炉内传热的模拟gydF4y2Ba

介绍一种机械推料机构，介绍推料式炉的产品载体。产品载体可以包括在配备有平板的系统的情况下带有盖子的矩形船，或者可以包括与管状推杆系统相关的圆柱形船。gydF4y2Ba

图片来源:Shutterstock/赵建康gydF4y2Ba

这些产品船被依次推入炉内，使船列在炉内进出。推杆系统是专门为需要精确控制大气和温度的过程开发的。适用于停留时间较长的过程，这需要精确控制有限的气/固反应和产品升温速率(温度曲线)。gydF4y2Ba

需要对产品和加热炉进行仔细的热分析，以确保推炉符合特定的工艺要求。产品的导热系数需要测量在不同的炉型下实现产品温度均匀所需的时间。然而，在粉末的情况下，关于热导率的数据很少。gydF4y2Ba

本研究的目的是提高炉子热建模的预测能力，使用不同的碳和钨混合物在一系列条件下的时间温度的实验测量。该数据被用来确定热扩散系数作为温度的函数。热导率的模型随后被改变以最适合实验。最后，利用调整后的模型估算不同粉末在不同工艺条件下的电导率。gydF4y2Ba

粉末床热导率模型gydF4y2Ba

的gydF4y2Ba热导率gydF4y2BaSih等人在年提出的模型gydF4y2Ba^{[1,2]gydF4y2Ba}被使用了。以下章节简要介绍了一些假设；有关该模型的更全面的回顾，请参见gydF4y2Ba^{［3]gydF4y2Ba}．我们假定碳和钨都是球形的。还假设粒子的大小是一致的。欧洲杯猜球平台一般来说，在小颗粒的情况下，与通过固体颗粒和通过气相对流的传导的贡献相比，辐射对有效热导率的贡献是相当小的。欧洲杯猜球平台然而，随着粒径和温度的增加，辐射成分成为主要的贡献者。在本文的分析中，所有的算例都包含了辐射分量。就氮大气而言，辐射是一个主要因素。粉末的电导率由下式给出gydF4y2Ba

图片来源：哈珀gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba

kgydF4y2Ba_RgydF4y2Ba＝gydF4y2Ba4 fdgydF4y2Ba_pgydF4y2BaσTgydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba（gydF4y2BakgydF4y2Ba_RgydF4y2Ba导热系数（热辐射）gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba=视图因子gydF4y2Ba
TgydF4y2Ba动力床的绝对温度gydF4y2Ba
σgydF4y2Ba=斯特凡-玻尔兹曼常数gydF4y2Ba
dgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba=粒径gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba=动力床的有效导热系数gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba=气相的导热系数gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}=固相的导热系数gydF4y2Ba
εgydF4y2Ba=动力床的孔隙率gydF4y2Ba

实验程序gydF4y2Ba

N990 -钨金属粉和碳粉-混合成6.10%的碳目标。研磨过程在一个330 mm的球磨机中进行，该球磨机装载了45公斤直径为6mm的WC-Co研磨介质和25公斤样品粉末。然后将粉末在辊磨机上以60hz的频率进行2小时的加工，所得的粉末混合物被转移到一个合金圆柱形罐中，该罐中有一个直径为15.9 mm的5英尺延长管。两个热电偶被安置在延伸管中，它将工艺气体运送到罐中。在床层材料内部，插入了5个铬镍铁合金护套的k型热电偶，在筒体外部也放置了相同类型的热电偶。在每次测试中，氮气从罐体外部流出，并且炉膛保持正压。氦或氮被用作工艺气体。使用焊枪，在容器外部涂上一层碳烟灰，以辅助传热。图1显示了测试装置的原理图。gydF4y2Ba

图1所示。gydF4y2Ba粉末加热试验用粉末罐的设计。gydF4y2Ba

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粉加热实验gydF4y2Ba

在开始之前，每个测试都需要设置和加热炉。设置开始时，称重罐和添加材料的最高高度3英寸从罐的开口端顶部。如果需要包装材料，则添加额外的材料以达到罐内的首选高度。绝缘被放置在裸露的材料上，然后是一个金属端盖。端盖被钉焊在四周四个等距的位置。接下来，将圆筒螺纹连接在延长管上，然后通过绝缘和圆筒上的开口将热电偶插入到材料床中。连接工艺气体，并用工艺气体清洗容器至少15分钟。在此期间，炉内也用氮气进行了净化。gydF4y2Ba

每次试验都把炉子加热到相同的条件。第1区和第3区都被加热到1050°C。第二区——放置毒气罐的热区——被加热到1150°C。一旦炉膛区域达到温度，并且罐和管都被吹扫，罐被插入第2区开始测试。图2展示了测试结构，显示了胶囊在炉内的位置。gydF4y2Ba

采用DAQ数据，利用测井程序记录温度。在所有热电偶温度与炉内热区温度达到平衡后，罐被拉回冷却区。为了防止氧化，滤罐在吹扫时留在冷却区，直到料床温度降至400°C以下。随后将罐从炉中取出，并在处理前冷却至低于100°C。gydF4y2Ba

图2。gydF4y2Ba炉膛试验设置。gydF4y2Ba

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钨+ C粉末床的电导率gydF4y2Ba

粉末床的热导率通过两种方式计算：gydF4y2Ba

1.使用Sih&Barlow模型（方程式1）gydF4y2Ba

2.模拟罐加热试验，调整热扩散系数gydF4y2Baα（T）gydF4y2Ba在模型和实验之间获得最佳拟合的温度历史在筒体中心。电导率的测定方法如下:gydF4y2Ba

k (T) =αρC (T)gydF4y2BapgydF4y2Ba

(2）gydF4y2Ba

ρ和gydF4y2BaCgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba分别为粉末床的密度和比热gydF4y2Ba

Sih & Barlow模型的准确性是通过比较每一种方法计算的热导率值来评估的。gydF4y2Ba

在实验中，两种类型的钨加碳样品在不同的处理气氛和填充密度下进行了评估。试验结果列于表一。每次试验前，记录粉床密度。用混合物规则计算比热(表II)。gydF4y2Ba

表我。gydF4y2Ba测试矩阵。gydF4y2Ba

测试#gydF4y2Ba	温度gydF4y2Ba °CgydF4y2Ba	材料gydF4y2Ba	平均粒径LM-FSSS μmgydF4y2Ba	填充类型gydF4y2Ba	密度gydF4y2Ba 克/厘米gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba	过程气体gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba	1150年gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	15.2gydF4y2Ba	Semi-loosegydF4y2Ba	5．1gydF4y2Ba	氦gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba	1150年gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	15.2gydF4y2Ba	夯实gydF4y2Ba	6．2gydF4y2Ba	氦gydF4y2Ba
3.gydF4y2Ba	1150年gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	2.5gydF4y2Ba	3．6gydF4y2Ba	氮gydF4y2Ba	氦gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba	1150年gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	2.5gydF4y2Ba	4．7gydF4y2Ba	氮gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba	1150年gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	15.2gydF4y2Ba	振实gydF4y2Ba

表二。gydF4y2BaW+C粉的比热。gydF4y2Ba

温度gydF4y2Ba °CgydF4y2Ba	W + C CpgydF4y2Ba J /公斤°CgydF4y2Ba
0gydF4y2Ba	170gydF4y2Ba
One hundred.gydF4y2Ba	204gydF4y2Ba
500gydF4y2Ba	245gydF4y2Ba
1000gydF4y2Ba	267gydF4y2Ba
1500gydF4y2Ba	285gydF4y2Ba
2000gydF4y2Ba	302gydF4y2Ba

粉末加热实验建模gydF4y2Ba

采用轴对称有限元模型对筒体加热试验进行模拟，并对导热方程进行数值求解。在该模型中，工艺气体流动被忽略为系统上的一个小散热片。利用位于圆筒外表面的热电偶TC1所测得的温度历史，建立了圆筒边界条件的模型。gydF4y2Ba

在图3中，计算的温度历史在每个热电偶位置被绘制。粉床的热扩散系数gydF4y2Baα（T）gydF4y2Ba调整，以达到模型和实验之间的最佳拟合，在筒中心的温度历史。gydF4y2Ba

图3。gydF4y2Ba测试1时间温度曲线:SC75，半松5.1 g/cc，氦。gydF4y2Ba

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测量了粉层密度、粒度和覆盖气体对电导率的影响gydF4y2Ba

不同测试评估的平均导热系数如图4所示。通常，随着密度的增加，电导率也增加。两种不同的粉末粒度对电导率的影响似乎不大。当热导率在NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba气体的导电性比贺氏气体低，贺氏气体下的所有测试都使用更高的粉末床密度，这一事实使它混淆了。gydF4y2Ba

图4。gydF4y2Ba通过模拟粉末加热试验计算平均导热系数。gydF4y2Ba

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热导率预测的准确性评估gydF4y2Ba

因为文献中报道的碳的电导率值范围很广gydF4y2Ba^{(4、5)gydF4y2Ba}，高低边界值用于形成一个比较范围。钨的导热系数取自gydF4y2Ba^{［6］gydF4y2Ba}．关于W粒子的电导率也有一些模棱两可的地方，因为粒子可能不是完全致密的，这将影响它们的电导率。欧洲杯猜球平台用于分析碳和W颗粒的热导率随温度的函数如表III所示。欧洲杯猜球平台碳的热导率的大范围导致了平均粒子热导率的“高”和“低”范围。gydF4y2Ba

使用Sigh和Barlow模型评估的电导率与图5和图6中罐加热试验1和5的FEM建模计算的值进行了比较。图中的“高”和“低”标签表示使用的高值和低值gydF4y2BakgydF4y2Ba为了碳。gydF4y2Ba

表三。gydF4y2Ba粒子热导率随温度变化的总结欧洲杯猜球平台gydF4y2Ba

温度gydF4y2Ba	——低碳gydF4y2Ba	石墨(高碳值)gydF4y2Ba	钨gydF4y2Ba	碳和W的平均值gydF4y2Ba	石墨和钨的平均值gydF4y2Ba
°CgydF4y2Ba	W / m°CgydF4y2Ba	W / m°CgydF4y2Ba	W / m°CgydF4y2Ba	W / m°CgydF4y2Ba	W / m°CgydF4y2Ba
One hundred.gydF4y2Ba	3.gydF4y2Ba	110gydF4y2Ba	160gydF4y2Ba	81gydF4y2Ba	135gydF4y2Ba
500gydF4y2Ba	6gydF4y2Ba	64gydF4y2Ba	126gydF4y2Ba	66gydF4y2Ba	95gydF4y2Ba
1000gydF4y2Ba	8gydF4y2Ba	40gydF4y2Ba	112gydF4y2Ba	60gydF4y2Ba	76gydF4y2Ba
1500gydF4y2Ba	8gydF4y2Ba	33gydF4y2Ba	104gydF4y2Ba	56gydF4y2Ba	69gydF4y2Ba

试验1是在He气体下进行的。在这以及在何盖瓦斯下进行的试验中gydF4y2Ba热导率gydF4y2Ba(图5)另一方面，在比较数据与模型的情况下，NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba用该模型预测了床层的热导率。使用一个简单的混合规则，数据等于预测的导热系数，如果NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba%从零增加到40%到65%。这不仅降低了高导电性He对模型的影响，而且降低了预测值。在测试中，NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba可能不会从粉末中完全去除，因此可能是NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba他可能存在于物质的床上。gydF4y2Ba

测试5的结果，其中NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba作为工艺气体，如图6所示。在这里，以及在测试6(未显示)，模型和实验之间的最佳一致性是与“低”预测的导热系数。当数据处于高预测值和低预测值之间时，更接近低预测值。gydF4y2Ba

根据这些结果，使用Sih&Barlow模型进行额外计算，并进行以下调整：gydF4y2Ba

• 必须始终使用低值的C电导率gydF4y2Ba
• 在He下，大气成分为60% N的模型gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba40%必须使用gydF4y2Ba

热扩散率gydF4y2Baα（T）gydF4y2Ba利用这些调整和公式2计算了不同的粉床组成和密度。选择的密度是基于实验室中振动(较低的堆积密度)和夯实(较高的堆积密度)处理的密度。计算gydF4y2Baα（T）gydF4y2Ba值列于表四。gydF4y2Ba

图5。gydF4y2BaHe试验1、W75与预测导热系数的比较。gydF4y2Ba

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图6。gydF4y2Ba试验5，W75在N中的比较gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba与预测的导热系数。gydF4y2Ba

图片来源：哈珀gydF4y2Ba

表四。gydF4y2Ba根据调整后的Sih&Barlow模型计算的热扩散率汇总gydF4y2Ba

材料gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	W37gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba	W75gydF4y2Ba
AtmpgydF4y2Ba	NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba	他gydF4y2Ba	NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba	他gydF4y2Ba	NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba	他gydF4y2Ba	NgydF4y2Ba2gydF4y2Ba	他gydF4y2Ba
密度gydF4y2Ba	3.6 g / ccgydF4y2Ba	3.6 g / ccgydF4y2Ba	5.6 g / ccgydF4y2Ba	5.6 g / ccgydF4y2Ba	4.7克/毫升gydF4y2Ba	4.7克/毫升gydF4y2Ba	6.2 g / ccgydF4y2Ba	6.2 g / ccgydF4y2Ba
临时(°C)gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba	α（mm²/秒）gydF4y2Ba
One hundred.gydF4y2Ba	0.123gydF4y2Ba	0.320gydF4y2Ba	0.092gydF4y2Ba	0.235gydF4y2Ba	0.103gydF4y2Ba	0.265gydF4y2Ba	0.086gydF4y2Ba	0.219gydF4y2Ba
500gydF4y2Ba	0.161gydF4y2Ba	0.405gydF4y2Ba	0.120gydF4y2Ba	0.294gydF4y2Ba	0.136gydF4y2Ba	0.335gydF4y2Ba	0.113gydF4y2Ba	0.275gydF4y2Ba
1000gydF4y2Ba	0.199gydF4y2Ba	0.508gydF4y2Ba	0.147gydF4y2Ba	0.366gydF4y2Ba	0.172gydF4y2Ba	0.422gydF4y2Ba	0.142gydF4y2Ba	0.345gydF4y2Ba
1500gydF4y2Ba	0.235gydF4y2Ba	0.634gydF4y2Ba	0.173gydF4y2Ba	0.452gydF4y2Ba	0.211gydF4y2Ba	0.532gydF4y2Ba	0.173gydF4y2Ba	0.431gydF4y2Ba
2000gydF4y2Ba	0.290gydF4y2Ba	0.835gydF4y2Ba	0.212gydF4y2Ba	0.586gydF4y2Ba	0.271gydF4y2Ba	0.705gydF4y2Ba	0.221gydF4y2Ba	0.565gydF4y2Ba
2200gydF4y2Ba	0.319gydF4y2Ba	0.939gydF4y2Ba	0.232gydF4y2Ba	0.654gydF4y2Ba	0.303gydF4y2Ba	0.793gydF4y2Ba	0.246gydF4y2Ba	0.632gydF4y2Ba
2500gydF4y2Ba	0.372gydF4y2Ba	1.121gydF4y2Ba	0.269gydF4y2Ba	0.771gydF4y2Ba	0.360gydF4y2Ba	0.947gydF4y2Ba	0.291gydF4y2Ba	0.749gydF4y2Ba

1D睡眠时间到温度预测gydF4y2Ba

对一维矩形床层在一定深度范围内进行了有限元分析。这是对具有扩散系数、对流系数和常对流系数等平面壁面精确解的经典问题的推广。在这里，一维问题是相同的，除了所有的变量(比热、导热系数和辐射边界条件)依赖于温度，因此没有精确的解。在矩形床身的边缘设置辐射边界条件，在合适的材料特性下进行有限元分析。模型采用了总厚度的一半，边界条件只适用于床的一侧。模型假设床的中心对称。在此基础上，建立了在2200°C下加工的时间温度关系模型gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba过程气体。如图7所示，用不同的线表示整个地层的深度。gydF4y2Ba

图7。gydF4y2BaSC75材料时温，NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba, 4.7 g / cc。gydF4y2Ba

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建模各种推炉配置gydF4y2Ba

准备了许多模型（图8），以研究粉末床深度、船和马弗几何结构的影响。考虑到辐射和传导传热，模型为二维热模型。在这些模型中，对流传热被忽略，因为在应用温度下对流传热的贡献很小。石墨马弗炉外表面具有随时间变化的辐射边界条件，该边界条件表示推钢炉的时间-温度分布。石墨马弗是固定的，石墨舟和产品通过马弗移动，因此只有石墨舟和产品能够吸收能量。为了在二维模型中模拟这种情况，通过将比热和密度值降低比实际值低3个数量级来改变马弗炉的石墨材料特性。导热系数仍然是实际值。比热和密度的降低导致马弗处于不稳定的稳态，吸收的热量可以忽略不计。这种改进特性的方法使二维模型能够捕捉静止马弗内移动船的有效传热，而无需三维模型的计算代价。估计的比热和密度由石墨船和产品使用。使用的工艺气体为NgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba，加工温度设为2200℃。gydF4y2Ba

图8总结了计算的温度分布。一个结果是显而易见的——随着床层深度的加深，粉末床核心和石墨容器外部之间的温度梯度增加。通过将容器分离成堆叠单元，减小了相邻的粉床，也减小了梯度。然而，由于石墨质量的增加，仍在一定程度上观察到相当大的温度扩散。与低纵横比形状相比，宽而浅的床层导致床层材料的时间到温度的降低(图7)。gydF4y2Ba

图8。gydF4y2Ba各种船和马弗几何形状的粉末床建模。gydF4y2Ba

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结论gydF4y2Ba

适用于本项目的Sih&Barlow模型gydF4y2Ba热导率gydF4y2Ba将一种粉末的电导率应用于WC + C粉末床的电导率计算。通过对粉末在罐内加热的一系列实验进行建模，对模型的准确性进行了评价。最好的结果是通过对模型进行两次调整获得的:1)C的电导率报告值，使用表III中报告的低热导率值，2)使用He气氛时，将气氛建模为40% H的混合物gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和60%氮gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

采用Sih&Barlow模型计算了W在推钢炉中渗碳的导热系数。研究了一些几何结构和粉末床深度，并报告了由此产生的温度场。gydF4y2Ba

实例表明，该模型是指导粉床、粉船、粉炉几何形状优化的重要工具。显然，最终的设计必须考虑其他实际因素，如炉的结构、材料的处理和吞吐量。gydF4y2Ba

该模型未来的改进将包括计算与渗碳反应相关的热量。与渗碳反应过程相关的变化是另一个需要解决的方面。随着反应的进行，粉末床的性质发生了变化，C颗粒被消耗，W颗粒被转化为WC，颗粒尺寸发生了变化，床的密度也发生了变化。欧洲杯猜球平台有效电导率受这些因素的影响。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

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本信息来源、审查和改编自Harper International提供的材料。欧洲杯足球竞彩gydF4y2Ba

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