（流体机械及工程专业论文）电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺研究.pdf

1 _ - 1 _ _ _ 一 嗨 囊l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：傅剑坪 日期：多一7 年，2 月多日 1 。1 一 电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺研究 r e s e a r c ho na n n e a l i n ga n db l u e i n gt e c h n i q u eo fl o w - c a r b o n s t e e lf o re l e c t r o m o t o rs t a t o ro f e l e c t r i c p u m p 2 0 0 9 年1 2 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 低碳钢是十九世纪术二十世纪初最先使用的软磁材料，与硅钢片相比，低碳 钢具有资源丰富和价格低廉等优势，在现代工业化生产中得到了广泛的采用。目 前，低碳钢经退火蓝化处理在电扇、洗衣机、冰箱等家用电器行业替代电机用硅 钢片已经有了大量的研究，而且应用的也比较成熟。但在水泵行业，微小型电泵 生产企业使用的电机定子材料为硅钢片，专门针对电泵电机定子用低碳钢的退火 蓝化工艺在国内尚未系统研究。本文正是在这一现状基础上进行了专门针对水泵 行业电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺研究，主要研究内容及成果有： 1 在分析电扇、洗衣机、冰箱等家用电器行业低碳钢退火蓝化工艺处理研 究和应用的基础上，基于对罩式退火蓝化炉加热罩和内罩传热过程的分析建立了 罩式炉的传热模型，利用c f d 软件对内罩内保护气体在不同循环风机流量下的 流场和温度场进行了数值计算，确立了罩式炉设备的结构和退火蓝化工艺。 2 通过分析电泵电机定子用低碳钢冲片批量热处理及其热处理设备的特 点，研制了一套低碳钢电机定子冲片的退火蓝化处理系统。 3 对低碳钢退火蓝化工艺进行了正交试验，分析退火蓝化处理后低碳钢的 电磁性能，确定最佳退火蓝化处理工艺。通过正交试验和极差分析得到低碳钢的 最佳退火蓝化处理工艺为：退火温度7 9 0 ，退火时间2 5 h ，蓝化温度4 8 0 ， 蓝化时间2 h 。 4 针对低碳钢退火蓝化处理i j 后的金相组织变化，分析退火蓝化处理对低 碳钢金相组织的影响，探讨了退火蓝化处理对低碳钢电磁性能产生较大影响的原 因。 5 对低碳钢定子进行了小批量试制和试验验证，分析对比了电泵用低碳钢 定子电机和硅钢片定子电机的性能，结果表明退火蓝化工艺可行，退火蓝化处理 后的低碳钢定子完全能够达到硅钢片定子的性能。 根据本文研究的内容，成功的设计了低碳钢定子的退火蓝化工艺和系统，并 已在浙江某微型电泵企业的百万台电泵电机的批量生产中成功应用，每年可为企 业降低制造成本2 3 5 万元以上。 关键词：电泵，电机定子，低碳钢，退火蓝化，电磁性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o w c a r b o ns t e e li st h eo r i g i n a l l yu s e ds o f tm a g n e t i cm a t e r i a li nt h el a t e1 9 ha n d e a r l y2 0 hc e n t u r y c o m p a r e dt os i l i c o ns t e e l ，l o w - c a r b o ns t e e la p p e a r si t sa d v a n t a g e so f r i c hr e s o u r c e sa n dl o wp r i c e s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a tp r e s e n t , m a n ys t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e do nt h ea p p l i c a t i o no fl o w - c a r b o ns t e e l ， t r e a t e db ya n n e a l i n ga n db l u e i n gt r e a t m e n t ，t or e p l a c es i l i c o ns t e e lo fe l e c t r o m o t o ri nf a n , w a s h i n gm a c h i n ea n dr e f r i g e r a t o ri n d u s t r y b u ti nt h ep u m pi n d u s t r y , t h em a t e r i a lo f e l e c t r o m o t o rs t a t o rt h a tu s e di nm i c r oe l e c t r i c - p u m pc o r p o r a t i o ni ss i l i c o ns t e e l t h e a n n e a l i n ga n db l u e i n gt e c h n i q u eo fl o w - c a r b o ns t e e le s p e c i a l l yf o rm o t o rs t a t o ro f e l e c t r i c - p u m ph a ss c a r c e l yb e e ns t u d i e d a c c o r d i n gt o t h i sc o n d i t i o n ，t h es t u d yo fi t p r o p o s e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so fd e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nt h ea n n e a l i n ga n db l u e i n go f l o w - c a r b o ns t e e li nf a n ，w a s h i n gm a c h i n ea n dr e f r i g e r a t o ri n d u s t r y , t h eh e a tt r a n s f e r p r o c e s so fi n n e rc o v e ra n dh e a tc o v e rw a sa n a l y z e d , a n dt h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo fb e l l t y p e dc o v e rw a so b t a i n e d t h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fp r o t e c t i v eg a si n s i d e i n n e rc o v e ri nd i f f e r e n tf l o wr a t ew a ss i m u l a t e d , t h er e s u l t so fw h i c hp r o v i d eap r a c t i c a l r e f e r e n c ef o rt e c h n i q u ed e s i g n i n g 2 i no r d e rt oa p p l yt h ea n n e a l i n ga n db l u e i n gt e c h n i q u et ob a t c hp r o d u c t i o no f l o w - c a r b o ns t e e ls t a t o rf o rm i c r op u m p ，a na n n e a l i n ga n db l u e i n gh e a tt r e a t m e n ts y s t e m o fl o w - c a r b o ns t e e ls t a t o rw a sd e s i g n e db a s e do i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a t c hh e a t t r e a t m e n ta n di t se q u i p m e n t 3 l o w c a r b o ns t e e li st r e a t e db ya n n e a l i n ga n db l u e i n ga c c o r d i n gt oo r t h o g o n a lt e s t s c h e m e ，a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t yo fl o w - c a r b o ns t e e la r em e a s u r e dt od e t e r m i n e o p t i m i z e dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s t h eo p t i m i z e dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s p a r a m e t e r sw h i c ha r ed e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dr a n g ea n a l y s i sa r ea s f o l l o w s ：a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e7 9 0 c ，a n n e a l i n gt i m e2 5 h ，b l u e i n gt e m p e r a t u r e4 8 0 2 ， b l u e i n g t i m e 2 h 4 i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so fa n n e a l i n ga n db l u e i n go ne l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t y o fl o w 稍栅s t e e l ，t h em i c r o s t m c t u r eo f l o w - c a r b o ns t e e lb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e n t w e r ea n a l y z e d 5 t h er e s i l l 协o ft h es m a l lb a t c hp r o d u c t i o na n dt e s to f l o w - c a r b o ns t e e ls t a r e rs h o w 也a tm e 锄e 她a n db l u e i n gt e c h n i q u ei sf e a s i b l ea n dt h ep r o p e r t i e so fp r o d u c t sr e a c h t h er e q u i r e m e n to fe l e c t r o m e t e ri nm i c r oe l e c t r i c - p u m pi n d u s t r y t h ea n n e a l i n ga n db l u e i n gt e c h n i q u eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di n e x t e n s i v e m a n u f a c 眦i nam i c r oe l e c t r i c - p u m pc o r p o r a t i o ni nz h e j i a n gp r o v i n c e ，a n dc a n s a v eb y m o r et h a n2 ，3 5 0 ，0 0 0y u a ne a c hy e a r 1 ( e yw o r d s ：e l e c t r i c - p u m p ，m o t o rs t a t o r , l o w c a r b o ns t e e l ，a n n e a l i n g a n db l u e i n g ， e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 研究背景、目的及意义。1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内外低碳钢定子研究现状2 1 2 2 国内外罩式炉研究现状2 1 2 3 罩式炉数学模型发展现状4 1 3 本文研究的主要内容5 第二章罩式退火蓝化炉的热工分析与数值模拟 6 2 1 罩式退火蓝化炉的工艺过程与热工特点。6 2 1 1 罩式退火蓝化炉的基本结构6 2 1 2 罩式退火蓝化炉的工艺操作过程6 2 1 3 罩式退火蓝化炉的传热分析7 2 1 4 罩式退火蓝化炉的热工特点9 2 2 罩式退火蓝化炉传热与内部流动数学模型。9 2 2 1 控制方程与湍流模型9 2 2 2 传热数学模型1 2 2 2 3 控制方程的离散与求解1 4 2 3 内罩内保护气体流场和温度场的数值模拟1 4 2 3 1 计算区域实体建模与网格划分。1 4 2 3 2 边界条件的确定。1 8 2 3 3 数值模拟结果与分析。1 8 第三章退火蓝化处理系统的研制 3 1 退火蓝化处理系统的要求2 2 3 2 罩式退火蓝化炉的设计。2 2 3 2 1 炉台2 2 3 2 2 内罩2 3 3 2 3 外罩2 4 3 3 控制系统的设计2 6 3 3 1 罩式炉控制方式2 6 3 3 2 罩式炉控制系统结构2 6 3 3 3 温度及压力控制系统。2 7 3 4 辅助装置的确定与设计2 8 i v 江苏大学硕士学位论文 3 4 1 保护气氛制备装置2 8 3 4 2 蓝化介质制备装置3 0 第四章退火蓝化处理工艺研究及分析3 1 4 1 试验方案3 1 4 1 1 低碳钢试样的制备3 1 4 1 2 退火蓝化处理工艺优化方案。3 1 4 1 3 电磁性能测试3 3 4 1 4 金相组织观察3 5 4 2 退火蓝化工艺的优化选择3 5 4 2 1 低碳钢电磁性能测试结果及分析3 5 4 2 2 退火蓝化工艺条件的确定3 9 4 2 3 验证实验4 0 4 4 退火蓝化处理前后低碳钢组织和性能的分析4 1 4 4 1 未经退火蓝化处理低碳钢的金相分析。4 1 4 4 2 退火蓝化处理后低碳钢的金相分析。4 2 4 4 3 退火蓝化处理后低碳钢性能提高的原因4 2 第五章试验验证与经济效益分析 5 1 低碳钢定子的试制。4 4 5 1 1 低碳钢定子冲片的制备4 4 5 1 2 低碳钢定子冲片的退火蓝化4 5 5 1 3 低碳钢定子的压装4 5 5 2 试验验证4 6 5 2 1 试验方法4 6 5 2 2 试验结果与分析4 8 5 3 经济效益分析5 0 5 3 1 成本分析5 0 5 3 2 经济效益分析5 1 第六章总结与展望 6 1 研究结果总结5 3 6 2 展望5 4 参考文献 致谢 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目 v 5 5 5 8 5 9 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 二十世纪八十年代起，随着科学技术的迅速发展，在现代工业化生产中新技 术、新材料已不同程度地在各行各业中得以广泛的研究与应用。低碳钢是电机定 子最早使用的材料，与硅钢片相比，低碳钢具有资源丰富和价格低廉等优势，经 退火蓝化处理后其电磁性能可得到明显的改善【m 】，对资源利用、有效降低生产 成本等具有极其重要的意义。目前，低碳钢电机定子的退火蓝化工艺在电扇、洗 衣机、冰箱等家用电器行业的电机生产中已经有了广泛的应用；在国外很多水泵 企业( 如美国的i ，r i 公司、意大利的l o w a m 公司、丹麦的格兰富公司、日本的 荏原公司等) 也已经有了很好的应用。但在国内水泵行业，微小型电泵生产企业 采用的电机定子材料为硅钢片，生产成本高，与国外电泵电机定子采用低碳钢的 产品相比缺乏竞争力，专门针对水泵行业电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺 在国内尚未系统研究。 随着我国现代工业化与规模化的发展和制造技术与水平的进一步提高，水泵 行业电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺必然会得到越来越广泛的应用。一是 我国是微小型电泵的主要生产和出口国家，年生产出口达2 0 0 0 多万台，仅浙江 温岭某一个企业年生产和出口达4 0 0 多万台，单生产和出口微小型电泵量居世界 第一；二是外来产品和外来企业的“中国化”产品在市场的激烈竞争，不同程度 的影响国内的内向型和外向型企业经营与生产；三是新技术、新材料等的应用， 提高生产制造技术水平，不断降低生产过程中的产品成本，增强市场竞争力，已 成为水泵行业发展的内涵。因此，电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺对提高 水泵行业电泵的专业化、规模化生产、降低生产成本具有很好的实用价值。 定子作为电泵电机的主要耗材部件，其材料的选用直接关系到产品的性能和 制造成本。因此，在保证电机性能满足要求的情况下，用低价位的低碳钢替代高 价位硅钢片用作电泵电机定子材料是许多电泵企业所期望实现的。目前在电扇、 江苏大学硕士学位论文 洗衣机、冰箱等行业，低碳钢电机定子的退火蓝化工艺及其应用已经比较成熟， 但在水泵行业，国内尚未从理论和实际应用上对此进行研究和总结。本文正是基 于这一现状，针对水泵行业电泉生产的特点，在已自的制造技术基础上对电泵电 机定子用低碳钢的退火蓝化工艺及其设备进行研究，通过本课题的研究，为水泵 行业电泵用低碳钢电机定子的生产提供一个具有实际应用价值的参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外低碳钢定子研究现状 早在上世纪5 0 年代，美国就丌始研制用于微电机的低碳钢定子材料【6 7 1 。目 前国外的电扇、洗衣机、冰箱等家用电器行业用电机，几乎全是采用低碳钢定子 【8 9 】。在国外先进的水泵生产企业( 如美国的r r r 公司、意大利的l o w a r a 公司、 丹麦的格兰富公司、日本的荏原公司等) ，低碳钢电机定子的使用也已经非常普 遍。低碳钢应用于小型电机，由于其导磁率高，使励磁电流减小，从而使占到总 损耗6 0 以上的铜耗得以下降，对提高电机的功率因素、增大转矩和减少启动电 流都有很大的好处，而磁感应强度的提高弥补了其铁损高于硅钢片的不足。此外， 低碳钢比硅钢片具有资源丰富和价格低廉的明显优势，其在各行业用电机上的应 用可以缓解硅钢片的供求矛盾，同时可以大幅降低各行业用电机的制造成本。 在国内，低碳钢定子在电扇、洗衣机、冰箱等家用电器行业已经有了广泛的 应用【1 0 1 1 1 ，这使得家用电器行业的制造成本得以降低，并且其经济效益和市场竞 争力得到提高。但在水泵行业，电泵企业采用的电机定子材料为热轧硅钢片或冷 轧硅钢片，而国内外市场对各种电泵的需求还主要集中在追求性能和价格上。因 此，如何在保证产品质量的i j 提下，应用现代工业化的制造技术改变材料、降低 生产成本、提高经济效益以适应激烈的市场竞争就成了各电泵生产企业急需解决 的问题。与国外的低碳钢电机定子的应用相比，国内专门针对水泵行业电机定子 用低碳钢材料的退火蓝化工艺尚未进行系统的研究。 1 2 2 国内外罩式炉研究现状 当前，退火蓝化处理是提高电机定子用低碳钢电磁性能的一个重要方法。退 2 江苏大学硕士学位论文 火处理是为了消除低碳钢定子冲片受机械冲压应力和应变的影响，降低碳含量， 并使晶粒粗化，从而降低残余应力、晶界和碳杂质( 渗碳体颗粒形式) 这些有害 因素对电磁性能的不利影响。蓝化处理是使低碳钢定子与蓝化介质反应在定子冲 片表面形成一层致密的氧化绝缘膜，增加定子冲片问的绝缘电阻。为了实现上述 退火蓝化处理的目的，就必须采用适合于退火蓝化工艺要求的热处理设备。目前， 国内外用于电机定子退火蓝化处理的设备普遍为罩式炉。 罩式炉是历史悠久的炉型，上世纪5 0 年代由前苏联设计、制造的传统罩式 炉处于当时的国际水平【1 2 , 1 3 1 , o 该炉采用高压喷射式烧嘴，内罩与炉台采用沙封， 用氮气作保护气体，设有炉台风机，没有冷却罩。加热结束后移走加热罩，低碳 钢定子在内罩中自然冷却。一般冷却开始阶段，由于温度较高，冷却速度较快； 到5 0 0 以下时，冷却速度减缓；到2 0 0 以下，只有5 l l 左右，其冷却时间 大约是加热时间的2 倍。由于当时罩式炉密封性不好，保护气体纯度低，低碳钢 定子表面质量较差；又因为高温区集中，内罩局部过热，造成低碳钢定子温度不。 均匀，进而造成其电磁性能不均匀，且内罩容易损坏。 上世纪7 0 年代初德国l o i 公司开发了分流冷却罩式炉【1 4 】，该炉装备冷却罩， 罩上设有循环风机，通过加快空气循环强化了内罩壁与外界的传热。炉外设有分 流冷却系统，用水冷换热器冷却炉内保护气体，强化了低碳钢定子与保护气体的 传热；与自然冷却相比，冷却速度提高近一倍，从而大大提高了炉台生产能力。 其保护气体是由氢气和氮气组成的氮氢混合气体。 上世纪7 0 年代初奥地利e b n e r 公司开发了高对流全氢( c o 舢2 ) 罩式 退火炉1 1 5 l ，最初只用于铜材退火，7 0 年代末首次用于钢铁工业，8 0 年代以来被 推广应用于电工钢退火。之后，德国l o i 公司也开发了这种以强对流和全氢气 为特色的罩式炉，称为高效能全氢( h p h ) 罩式炉，1 9 8 4 年首次使用之后被大批投 入市场。进入9 0 年代，法国s h 公司和日本中外炉公司也相继开发了罩式炉【1 6 1 7 1 。 1 9 9 1 年s h 公司的罩式炉在法国一个工厂投入运行，共1 8 个炉台，全氢气但不 是强对流。日本中外炉公司的全氢气炉子，1 9 9 1 年在日本国内两个厂家投产使 用，共有四个炉台，全氢气、强对流，但没有冷却罩，也没有强制冷却设施。 在国内，1 9 8 8 年鞍钢设计研究院在鞍钢冷轧厂热处理车间改造工程中经过 反复论证和比较，决定采用全氢罩式炉；于是从e b n e r 公司引进了第一批全氢 3 江苏大学硕士学位论文 罩式炉，共4 个炉台，于1 9 9 1 年投产，从而带动了我国罩式炉技术的一次飞跃。 之后，罩式炉在各行各业热处理中的应用越来越广泛。在风扇、洗衣机、冰箱和 压缩机等行业，一些企业纷纷消化吸收这种先进技术，用于各自行业电机定子用 低碳钢材料的退火蓝化处理，从而使我国低碳钢定子性能有了普遍的、大幅度的 提高。同时通过多年的引进消化，我国已经对罩式炉的控制技术、设备制作技术 等有了更加深入的认识。 1 2 3 罩式炉数学模型发展现状 随着生产技术水平的不断发展，原来靠经验来制定罩式炉生产工艺制度的方 式已不能完全满足生产所需。要保证罩式炉的退火蓝化质量及有效的提高生产效 率，必须根据罩式炉内工件和保护气体的实时温度对燃料和空气的给定量及混合 比等进行实时的调控。从生产实际可知对燃料及空气的实时调控比较容易做到， 只需换上两个电动比例调节阀即可实现，然而要对炉内的工件及保护气体的实时 温度分布的监测却难以做到，最多只能对其中某几个特殊点的温度进行实时采 集，所以如何获知实时的温度分布的问题日益显现出来。另一方面，工艺制定过 程中，技术人员为了能够制定出节能高质的工艺也需要依据实时的温度分布。为 了较为准确地找到各时刻、各部位温度分布的近似值提供给技术人员作为工艺制 定依据，从而对罩式炉实施较为精确的控制，国内外掀起了对罩式炉数值模拟研 究的浪潮。 从前人的研究【1 s 2 6 1 中不难看出罩式炉数值模拟的方法主要从以下两个方面 进行。 ( 1 ) 从罩式炉加热过程中各种形式热量的传递规律分析入手，进行数学、 物理推导，建立工件温度的微分方程，用数值分析方法对微分方程进行求解，得 出钢温各时刻、各部位的温度分布。这种方法完全靠理论推导，计算结果准确可 靠，但计算机求解往往较为繁锁，且随温度变化物性参数呈非线性变化，在计算 中往往只能简单的线性化处理，这使得计算值与实际值有一定的误差。 ( 2 ) 从大量的实验检测入手，对大量的实测数据进行回归得到经验公式， 再用该公式进行计算控制。这种方法计算相对简单，但它仅适用于与实验相近的 生产情况下进行计算控制，对于生产情况变化性大的罩式炉其精度难以达到要 4 江苏大学硕士学位论文 求。 综上所述，为了提高精度和适用范围，又要使计算简化，往往将上述两个方 法相结合，用数学物理方法推导出传热方程，用实验的方法测得一些难以计算的 参数，使模型简化，并用大量的实测数据对所求得的模型进行验证和必要的修正， 这种方法被广泛的采用。 1 3 本文研究的主要内容 本文在分析电扇、洗衣机、冰箱等行业比较成熟的低碳钢电机定子退火蓝化 工艺的研究基础上，结合水泵行业电泵用电机定子的具体特征，通过深入实际的 调研，对适合电泵电机定子用低碳钢的退火蓝化工艺及其设备进行研究，主要研 究的内容有： 1 分析罩式退火蓝化炉加热罩和内罩内的传热过程，利用c f d 软件对内罩 内保护气体在不同循环风机流量下的流场和温度场进行数值计算，确定退火蓝化 处理过程的循环风机流量。 2 通过分析微小型电泵电机定子批量热处理及其热处理设备的特点，研制 一套低碳钢电机定子冲片的退火蓝化处理系统。 3 对低碳钢退火蓝化处理工艺进行正交试验，测试退火蓝化处理后低碳钢 的电磁性能，通过极差分析确定最佳退火蓝化处理工艺。 4 针对低碳钢在退火蓝化处理前后的金相组织变化进行分析，研究退火蓝 化处理对低碳钢微观组织的影响，探讨退火蓝化处理对低碳钢电磁性能产生较大 影响的原因。 5 通过低碳钢定子的小批量试制和试验验证，实际验证退火蓝化工艺的可 行性。 6 从生产成本入手，对用低碳钢替代硅钢片用作电泵电机定子材料进行经 济效益分析，论证其在水泵行业微小型电泵中的实际应用价值和影响。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章罩式退火蓝化炉的热工分析与数值模拟 由于对有特殊工艺要求的功能材料的热处理，罩式炉显示出了热处理工艺可 调节范围广、生产灵活等优越性【2 7 , 2 8 】，故结合电机定子尺寸形状的特殊性以及退 火蓝化工艺的特点，退火蓝化处理系统主体设备的炉型选用罩式炉。本章在对罩 式退火蓝化炉传热分析的基础上，建立了罩式退火蓝化炉传热与内部流动的数学 模型，并对不同循环风机流量下内罩内保护气体的流场和温度场分布进行了数值 模拟。 2 1 罩式退火蓝化炉的工艺过程与热工特点 2 1 1 罩式退火蓝化炉的基本结构 罩式退火蓝化炉主要由炉台、内罩和外罩等部件构成，其炉型基本结构如图 2 1 所示。 外罩 内罩 炉台 图2 1 罩式炉炉型结构示意图 ( 1 电源2 保护气体3 燃气4 空气5 供水6 排水7 烟气) 2 1 2 罩式退火蓝化炉的工艺操作过程 罩式退火蓝化炉属特殊安全性能要求的设备，其工艺操作过程应完全按照安 6 江苏大学硕士学位论文 全操作规程进行。退火蓝化炉的操作过程可分为准备、预吹扫、退火蓝化和冷却 四个过程，其中退火蓝化过程是主要涉及热工领域的过程。具体安全生产工艺过 程如图2 2 所示。 准备阶段 加热阶段 冷却阶段 炉台装料 山 i 吊扣内罩，内罩锁紧，内罩、炉台密封检查 0 预抽真卒并通保护气 山 i 吊扣加热罩，点火，加热拿退火温度保温 0 冷却至蓝化温度保温，通水蒸汽 上 停止加热，全歼风门冷却 山 吊开加热罩，松开内罩 0 吊出料笼，空冷 图2 2 罩式退火蓝化炉操作过程分解图 2 1 3 罩式退火蓝化炉的传热分析 罩式退火蓝化炉的传热可以分为内罩内的传热和加热罩内的传热【1 9 1 ，其传热 机理如图2 3 所示。 图2 3 罩式退火监化炉传热机理示意图 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 内罩内的传热 内罩内的传热由下列传热方式组成：保护气体( n 2 + h 2 或n 2 + h 2 + 水蒸汽) 与料笼、定子冲片叠料及内罩之问的对流换热；定子冲片叠料的内部传热及其与 料笼的传热。 ( 2 ) 加热罩内的传热 加热罩内的传热方式主要为：高温烟气与内外罩的对流辐射换热；内罩导热； 内罩表面的辐射换热：加热罩内表面散热；加热罩壁的导热。 由上述罩式退火蓝化炉的传热分析，可以看出罩式炉退火蓝化过程是一个多 因素耦合的传热过程。在对罩式炉退火蓝化过程进行深入分析和研究的基础上， 形成了如图2 4 所示的温度场耦合关系。 图2 4 退火蓝化过程温度场耦合逻辑图 从图中可以看出，在罩式炉退火蓝化过程中，根据传热特点，可以将炉内传 热分解为内罩内传热和内罩外传热两个部分。与定子冲片叠料温度场存在直接换 热的是内罩温度场和保护气体流场、温度场，属于内罩内传热；而在不同的退火 蓝化处理阶段，内罩外流场、温度场是通过对内罩温度场的影响来达到改变定子 冲片叠料温度场的目的。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 4 罩式退火蓝化炉的热工特点 由罩式退火蓝化炉的结构特点及退火蓝化对象的性能要求决定了其热工过 程的特殊性，具体表现为： ( 1 ) 传热机制方面表现为对流和辐射的综合传热形式，由于退火蓝化对象 处于一个很大空间的强制循环的保护性气氛之中，所以加热过程中对流是主要的 传热方式，另一方面退火蓝化过程的温度相对较低( 一般低于8 0 0 ) ，所以通 过内罩以辐射方式的传热较少，因此本文研究时主要考虑对流换热方式。 ( 2 ) 定子冲片叠料在退火蓝化过程时堆积为具有空隙的方式，决定了其传 热计算的复杂性。定子冲片叠料在炉内堆积的不对称性，以及料笼内部存在的非 均匀分布气隙，这些给传热过程的计算带来阻碍，本文对其复杂性作了适当的理 想假设。 ( 3 ) 罩式炉内的保护气氛决定了罩式炉的密封性能要好，然而密封保护气 氛操作对工艺温度的测试和工艺标定带来不便，这导致了生产时不能按常规方式 对罩式炉进行有效控制。正是基于以上原因，本章通过数值模拟的方法对罩式炉 退火蓝化过程内罩内保护气体在不同循环风机流量下的流场和温度场进行了预 测。 2 2 罩式退火蓝化炉传热与内部流动数学模型 2 2 1 控制方程与湍流模型 ( 1 ) 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律的数学表达式，其微分方程的张量形式可以写 成： 望+ 型：o( 2 1 ) a t a x i 式中：t 为时间；u j ( j = 1 ，2 ，3 ) 代表与坐标轴叼平行的速度分量；p 为流体的 密度。 对于定常、不可压流动，连续性方程与速度的散度为零，即 9 江苏大学硕士学位论文 咖) = _ a u + 丙a v + 瓦a w o x卵彩 ( 2 2 ) 式中：d v ( t 0 为速度的散度；h ， ，w 为速度矢量u 在x ，y ，z 三个坐标上的投 影。 ( 2 ) 动量方程 动量方程，即n a v i e r - s t o k e s 方程，是动量守恒定律的数学表达式。不可压 粘性流体动量方程的微分方程用张量形式可以写成： 盟- i - a ( 1 t i u j ) ：疋一! 鱼+ y 堕 ( 2 3 ) a g x i “ p g x j瓠l x | 式中：p 为压强；1 ，为运动粘度；五为体积力。 保护气体流动和烟气流动是复杂的三维湍流。湍流是一种流动参量随时间、 空间随机变化的不规则流动状态，流场中分布着无数大小和形状不一的漩涡。随 流场几何空间的情况而定，大涡形成和存在的时间较长，作为流场特征的涡结构， 即湍流的拟序结构，而小涡则是无序的。虽然n a v i e r - s t o k e s 方程组仍然可以描 述此类流动，但是由于湍流流场中时间及空间特征尺度之间的巨大差异，使得我 们在目前仍然难以直接求解n a v i e r - s t o k e s 方程组来研究实际的流动问题。从工 程角度考虑，我们所关心的往往只是在湍流时间尺度上平均的流场，所以当前工 程上一般选用雷诺时均方程对内罩内流场进行数值模拟。雷诺时均方程是由 n a v i e r - s t o k e s 方程经过时均化处理后得到的，其张量表达式如下： 鲁善2 五一丢毒+ 毒卜等一珥j c 2 舢 式中：u ；为速度脉动量。 对于定常、不可压流动且不考虑体积力，上述方程可以写成下列形式： 玑i g u _ _ l i g x ，一吉考+ 考i g x 卜骞g x 一珥 q s ， j j pa ，c i j j_ ) ( 3 ) 能量方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表 述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元 体所做的功。 流体的能量e 通常是内能f 、动能k 和势能尸三项之和，我们可针对总能量 1 0 江苏大学硕士学位论文 e 建立能量方程。一般是从方程中扣除动能的变化，从而得到关于内能i 的守恒 方程。内能f 与温度r 之间存在一定的关系，即f = c ，其中c。是比热容。从而ot 可以得到以温度z 为变量的能量守恒方程： o ( p r ) 4 - 螋+ o ( m t ) 4 - o ( n w t ) 西苏 。 方 如 ：丢( 毒罢 + 号( 毒多 + 昙( 毒暑 + s q 石 式中：c 。是比热容；r 为温度；七为流体的传热系数；品为流体的内热源及由于 粘性作用流体机械能转换为热能的部分，简称为粘性耗散项。 ( 4 ) 湍流模型 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动，在工程上广为采用的方法是对瞬态 n s 方程做时间平均处理。时均处理后得到的雷诺时均动量方程包含了脉动量乘 积的时均值等未知量，含有6 个独立变量，而由连续性方程和时均动量方程组成 的方程组只有4 个，即未知数的个数大于方程的数目，使得方程组不再封闭。要 使方程组封闭必须引入湍流模型。大部分湍流模型都使用了b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 假设，即将湍流脉动所造成的附加应力与层流运动应力那样与时均运动的应变率 关联起来。最常见的湍流模型分类是根据附加到r e y n o l d s 时均化的n a v i e r - s t o k e s 方程组上的方程个数来进行的，主要有五种1 2 9 - 3 0 l ：零方程模型、一方程模型、 两方程模型、应力方程模型和代数应力模型，其中以反映湍动能的七方程和反映 湍动能耗散率的两方程模型应用最为普遍。两方程模型中又包含标准k - e 模型、 r n g 肛s 模型和r e a l i z a b l ek - e 模型。 标准k - e 湍流模型不能反映雷诺应力沿流向的松弛效应和各向异性的特点， 也不能反映平均涡量的影响，难以准确地模拟剪切层中时均场流动方向的改变对 湍流场的影响。重整化群k - e 湍流模型( r e n o r m a l i z a f i o ng r o u p ，r n g 肛s ) 就是 对标准舡s 湍流模型的一种改进，是由y a k h o t 及o r z a g 3 1 】在1 9 8 6 年提出的。本 文研究中应用的是r n gk - e 模型。 r n gk - e 湍流模型的核心思想是将湍流看成是受随机力驱动的输运过程，通 过频谱分析方法消去其中小尺度的涡，并把其影响归并到涡粘性中。在高雷诺数 情况下，r n gk - e 湍流模型和标准舡s 湍流模型的形式是一样的，但模型中的系 数取值则完全由理论分析得出。对于不可压、定常流动，r n g 弘s 湍流模型的数 江苏大学硕士学位论文 学表达式如下： 掣= 考卜针g 。一肛 眩7 ， 掣= 毒卜茜心伊) 眩8 ， 式中：刺讹；c ：o 0 8 4 5舻1 3 9 ；舻1 3 9 ；c i = 1 4 2 ；c 2 = 1 6 8 ； c 1 = c 1 一帮；州冯剐mi k ；= 三( 考+ 等 ；伽“3 7 7 ；伊。川2 。 2 2 2 传热数学模型 ( 1 ) 导热模型 对于微元体，按照能量守恒定律，在任一时间间隔内有以下热平衡关系【3 2 1 ： 导入微元体的总热量+ 微元体内热源的生成热= 导出微元体的总热流量+ 微 元体热力学能( 即内能) 的增量。 1 ) 导热微分方程 导热微分方程是求解一切导热问题的基础，在不同坐标系下有不同的形式。 其推导依据是能量守恒定律及傅立叶定律。方程一般由导热项、内热源生成项及 非稳态项组成【3 刎。 对于直角坐标系，坐标变量用x ，y ，z 表示，有 丑窘+ 乃窘+ 五窘= 碑署 c 2 m 对于圆柱坐标系，坐标变量用z ，r ，秒表示，则有 4 窘+ 4 吾詈+ 乃砉窘+ 五窘= 砟罢 ( 2 加， 对于球坐标系，坐标变量用r ，矽，妒表示，则有 2 0 1 a ( s i n 口+ 乃面1 万0 玉 = 要 ( 2 式中：五、以、五分别为x 、) ，z 方向的导热系数；4 为径向导热系数；t 为温 度；f 为过程的时间；p 为材料密度；c p 为材料定压比热容。 江苏大学硕士学位论文 2 ) 定解条件 由导热微分方程所给出的是导热问题的通解，要得出具体导热问题的温度分 布( 特解) ，必须辅助以定解条件。定解条件包括初始条件和边界条件。最常见 的第一类边界条件是给定边界上的温度值，第二类边界条件是给定边界上的热流 密度值，第三类边界条件是规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周 围流体的温度。为简化计算，边界条件统一用第三类边界条件( 2 1 2 ) 表达。 一无争= 限司 ( 2 1 2 ) 式中：噍为物体周围环境的对流换热系数；乏为环境介质温度，在本文中指保护 气体温度。 ( 2 ) 对流传热模型 对流换热即流体流过固体壁面时由于流体和固体表面的温度差所导致的热 量交换现象p 刎。对于二维、常物性、不可压缩牛顿型流体对流换热问题完整 的数学描述为： 盟+ 型：0( 2 1 3 ) + 一= 【z 巩砂 p ( 罢+ “罢+ v 考) = c 一罢+ 叩( 雾+ 矿a 2 u ( 2 “， p ( 妻+ 雎塞+ v 考) = c 一考+ 刀( 窘+ 矿a 2 v c 2 胚， 肛p 睁h 扣势元( 器+ 雾) 娩 肛p i 瓦枷瓦w 万j2 元l 爵+ 矿j 心j 上式对层流、湍流均适用，湍流时需用瞬时值。同导热问题一样，上式的定 解条件同样可分为初始条件和边界条件。但对流换热问题一般只有第一类给定温 度和第二类给定热流边界条件，没有第三类边界条件。 上述方程组( 式2 1 3 一式2 1 6 ) 的未知量主要有y 、p 、t ，与方程数目相 等，方程组封闭。与导热微分方程不同，动量方程中的惯性力项和能量方程中的 对流项是非线性的，并且动量微分方程和能量微分方程常常需要耦合求解。 1 3 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 控制方程的离散与求解 目前常用的离散控制方程的方法主要有：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d )