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多层材料内衬真空坩埚热损失模型

谷东伟 张学文 郭锐 姜振海 郭训微

谷东伟, 张学文, 郭锐, 姜振海, 郭训微. 多层材料内衬真空坩埚热损失模型[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(10): 1606-1611. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190011
引用本文: 谷东伟, 张学文, 郭锐, 姜振海, 郭训微. 多层材料内衬真空坩埚热损失模型[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(10): 1606-1611. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190011
Gu Dongwei, Zhang Xuewen, Guo Rui, Jiang Zhenhai, Guo Xunwei. A Heat Loss Model of Crucible with Multi-layer Material and Vacuum Lining[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(10): 1606-1611. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190011
Citation: Gu Dongwei, Zhang Xuewen, Guo Rui, Jiang Zhenhai, Guo Xunwei. A Heat Loss Model of Crucible with Multi-layer Material and Vacuum Lining[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(10): 1606-1611. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190011

多层材料内衬真空坩埚热损失模型

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190011
基金项目: 工信部智能制造新模式项目资助
详细信息
    作者简介:

    谷东伟(1983-), 讲师, 硕士生导师, 研究方向为系统可靠性与维修性分析, 智能装备开发, gdw2000@163.com

  • 中图分类号: TH122

A Heat Loss Model of Crucible with Multi-layer Material and Vacuum Lining

  • 摘要: 目前运载铝液的工业坩埚,在浇铸铝合金零件前需要再次进行加热,从而导致能源浪费、成本增加及铝液改性等问题,为提高铝液热量贮存能力,设计了一种多层材料内衬真空的新型倒锥形坩埚,并进行了数值模拟试验,根据数值计算结果推导出坩埚热损失函数方程。计算结果表明:真空层厚度为29.49 cm时,坩埚热损失率为20%。为了验证坩埚热损失函数的正确性,搭建了坩埚实物模型,试验结果表明,数值模拟计算结果与温度传感器现场采集温度值误差在5%以内,说明数值模拟结果具有较高的可信度。相对于传统坩埚结构,该结构能减少坩埚热量损失达10%以上,满足坩埚无需再次加热的需求。
  • 图  1  坩埚模型

    图  2  多层材料内衬真空坩埚传热示意图

    图  3  监测点1与监测点2的温度差曲线图

    图  4  热损失率拟合曲线

    图  5  坩埚各层结构等温分布云图

    图  6  坩埚实物模型

    图  7  坩埚各层温度传感器分布示意图

    表  1  坩埚各层材料及厚度

    层编号 材料 厚度/mm
    1 耐热浇注料层 50
    2 铸铁层 30
    3 纳米微孔材料内层 20
    4 真空层 L
    5 纳米微孔材料外层 20
    6 铸钢层 30
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    表  2  各层材料热通量

    真空层
    厚度/cm
    各层材料热通量q/(W·m-2)
    耐热浇注料层 铸铁层 纳米微孔材料内层 纳米微孔材料外层 铸钢层 结构钢
    1 2 803.39 5 586.44 1 056.96 88.23 986.35 3 380.33
    10 2 845.31 5 592.29 1 075.51 45.32 706.68 2 247.59
    20 2 794.09 5 318.06 1 085.80 26.56 597.29 1 940.01
    30 2 742.57 5 078.45 1 090.58 16.58 532.29 1 773.28
    40 2 694.05 4 866.77 1 092.66 10.71 488.38 1 662.77
    50 2 696.42 4 865.31 1 090.42 7.59 441.48 1 565.62
    60 2 650.53 4 676.75 1 090.49 5.47 417.11 1 604.33
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    表  3  坩埚内衬各层结构最大温差

    坩埚内衬结构 温差/K
    耐热浇注料层 429.64
    铸铁层 192.58
    纳米微孔隔热内层 516.33
    纳米微孔隔热外层 19.30
    铸钢层 11.87
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    表  4  坩埚各层热通量试验与仿真值对比

    热通量/(W·m-2) 试验值 仿真值
    qA 2 650 2 742
    qB 4 600 5 078
    qC 1 035 1 090
    qD 10 16
    qE 600 532
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  • [1] 卜伟.铸铁熔铝坩埚水基涂料性能的研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学材料工程学院, 2016 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D01101888

    Bu W. Study on the properties of cast iron crucible water-based coating for molten aluminum[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology School of Materials Engineering, 2016(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D01101888
    [2] 林育炼, 刘盛秋.耐火材料与能源[M].北京:冶金工业出版社, 1993

    Lin Y L, Liu S Q. Refractories and energy[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press, 1993(in Chinese)
    [3] 刘杰坤, 陆华忠, 李君, 等.嵌套真空板冷藏箱体保温性能的建模分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版), 2016, 44(8):276-234 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xbnydxxb201608033

    Liu J K, Lu H Z, Li J, et al. Thermal insulation model for refrigerated box with embedded vacuum insulation panels[J]. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition), 2016, 44(8):276-234(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xbnydxxb201608033
    [4] Brischetto S, Carrera E. Coupled thermo-mechanical analysis of one-layered and multilayered plates[J]. Composite Structures, 2010, 92(8):1793-1812 doi: 10.1016/j.compstruct.2010.01.020
    [5] Papathanasiou T K, Markolefas S I, Filopoulos S P, et al. Heat transfer in thin multilayered plates-part I:a new approach[J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(2):021302 doi: 10.1115/1.4002630
    [6] Kumar S, Mahulikar S P. Selection of materials and design of multilayer lightweight passive thermal protection system[J]. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2015, 8(2):021003 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=3598ba4638f8f044ddfdd7e45705ab86
    [7] Wang Q, Xie G N, Xiao M Y, et al. Sizing optimization of lightweight multilayer thermal protection structures for hypersonic aircraft[C]//Proceedings of the ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Houston, Texas, USA: ASME, 2012: 73-80
    [8] 刘佳.具有纳米保温内衬的新型钢包结构的CAE研究[D].武汉: 武汉科技大学, 2015

    Liu J. CAE of new structure ladle with the nanometer adiabatic material[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2015(in Chinese)
    [9] 周建安, 谢剑波, 王宝, 等.新型真空壳钢包研发[J].炼钢, 2017, 33(2):38-42 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lg201702007

    Zhou J A, Xie J B, Wang B, et al. Investigation and development of a new type ladle with vacuum wall[J]. Steelmaking, 2017, 33(2):38-42(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lg201702007
    [10] Gruber D, Andreev K, Harmuth H. FEM simulation of the thermomechanical behaviour of the refractory lining of a blast furnace[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 155-156:1539-1543 doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.249
    [11] 王计敏, 闫红杰, 周孑民, 等.铝熔炼炉炉衬组合的优化模拟[J].中南大学学报, 2012, 43(4):1523-1531 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201204051

    Wang J M, Yan H J, Zhou J M, et al. Numerical simulation and optimizing combination of aluminum melting furnace linings[J]. Journal of Central South University, 2012, 43(4):1523-1531(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201204051
    [12] 胡亚才, 姜周曙, 沈杏云, 等.平壁导热传递函数研究[J].浙江大学学报, 1998, 32(6):761-768 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800967319

    Hu Y C, Jiang Z S, Shen X Y, et al. The study of the transfer function of heat conduction in flat plate[J]. Journal of Zhejiang University, 1998, 32(6):761-768(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800967319
    [13] 王秉铨.工业炉设计手册[M].2版.北京:机械工业出版社, 1996

    Wang B S. Gongyelu sheji shouce[M]. 2nd ed. Beijing:China Machine Press, 1996(in Chinese)
    [14] 黄厚诚, 王秋良.热传导问题的有限元分析[M].北京:科学出版社, 2011

    Huang H C, Wang Q L. Heat transfer finite element analysis[M]. Beijing:Science Press, 2011(in Chinese)
    [15] 饶森林.多晶硅铸锭炉热场设计及计算机模拟[D].南昌: 南昌大学机电工程学院, 2014.

    Rao S L. Design and numerical simulation of thermal field for polysilicon ingot furnace[D]. Nanchang: Mechanical and Electronic Engineerig School, Nanchang University, 2014(in Chinese)
    [16] 王小路, 黄晋, 张友寿, 等.耐火保温材料现状及发展[J].耐火材料, 2016, 50(1):75-80 doi: 10.3969/j.issn.1001-1935.2016.01.020

    Wang X L, Huang J, Zhang Y S, et al. Current situation and development of thermal insulation refractories[J]. Naihuo Cailiao, 2016, 50(1):75-80(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-1935.2016.01.020
    [17] Ražnjeviĉ K. Handbook of thermodynamic tables[M]. 2nd ed. New York:Begell House, 1995
    [18] Nieckele A O, Naccache M F, Gomes M S P. Numerical modeling of an industrial aluminum melting furnace[J]. Journal of Energy Resources Technology, 2004, 126(1):72-81 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=9df22246d7e1a7ee4b32e82a22291793
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-13
  • 刊出日期:  2019-10-05

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