（材料加工工程专业论文）mnzn铁氧体烧结过程中温度场模拟.pdf

硕士论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 摘要 本文对2 9 m 氮气保护隧道窑中m n z n 铁氧体的烧结过程进行模拟。在专业c f d 前 处理器g a m b i t 中建立简化的三维窑腔模型并进行有限网格的划分。判断气体在窑腔 内的流动状态，选择雷诺应力模型作为温度场模拟的数学基础。利用专业c f d 软件 f l u e n t 进行求解计算，得到窑腔内温度场分布的情况。分析了窑腔内温度场分布的特 征以及流场对温度场分布的影响；对比了实际气流流场、无气流流场、减小进气速度、 增大进气速度、改变气孔位置、圆环透气六种情况下温度场分布的不同。 模拟结果表明：窑腔内温度场的分布是不均匀的。冷空气的流动吸收并带走热量， 中间位置的铁氧体由于受到四周铁氧体的包围保护热量损失小，温度偏高，而四周的温 度偏低；另外由于铁氧体区域的上表面接触冷空气，温度低于下表面。 降低进气速度可以改善窑腔内温度场的均匀性，反之提高进气速度会加剧窑腔内温 度场的不均匀性。进气速度慢，冷空气吸收并带走热量的速度慢，传热更加充分；反之 传热不充分，温度场分布不均匀。改变进气孔和出气孔位置在相应面的中心位置改变了 温度场分布的特征，但是不会改善窑腔内温度场的均匀性。气孔设在中i 日j 位置时，冷空 气对称地扩散开来，向四周的绕流慢，远离进气孔的铁氧体受到冷空气影响的速度慢， 传热充分。改变进气孔为圆坏透气，冷气流能在四周快速分散丌来，可以使窑腔内温度 场变得均匀。 关键词：m n z n 铁氧体，烧结，传热，温度场，计算机模拟 a b s t r a c t 硕一二论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fs i n t e r i n go fi v n z nf e r r i t ei nt u n n e lk i l np r o t e c t i n gb y2 9 mn i t r o g e nw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r 3 - dm o d e lo fk i l nc h a m b e rw a $ s e tu pa n dm e s h e di nt h ep r o f e s s i o n a l p r e p r o c e s s o rg a m b i to fc f d a n dt h e nr e y n o l d ss t r e s sm o d e l w a ss e l e c t e d 嬲t h e m a t h e m a t i c a lb a s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l dj u d g i n gf r o mt h em o t i o no fg a si nt h ek i l n c h a m b e r t h e nf l u e n t ，t h ep r o f e s s i o n a lc f ds o f t w a r e ，w a su s e dt oc o m p u t et h ep r o b l e m ，t h e 3 一dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h ek i l nc h a m b e rw a so b t a i n e df i n a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ei n f l u e n c eo ff l o wt ot h ed i s t r i b u t i o no f t h et e m p e r a t u r ef i e l dw e r e a n a l y z e d ；t h ed i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ef i e l da m o n g a c t u a lg a sf l o w , n og a sf l o w , v a r i a t i o n so f i n l e ts p e e d ，i n l e tp o r e so fd i f f e r e n tp o s i t i o n sa n dr i n gi n l e tp o r e sw a sc o m p a r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nk i l nc h a m b e ri s n o n u n i f o r m t h ef l o w i n gc o l da i ra b s o r b sa n dr e m o v e sh e a t ，t h et e m p e r a t u r eo fm i d d l e f e r r i t ei sh i g h e rt h a nt h a to fs u r r o u n d i n gf e r r i t e ，b e c a u s et h eh e a tl o s so fm i d d l ef e r r i t ew h i c h i su n d e rt h ep r o t e c t i o no fs u r r o u n d i n gf e r r i t ei ss m a l l ；i na d d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo fl o w e r s u r f a c eo ff e r r i t er e g i o ni sh i g h e rt h a nt h a to fu p p e rs u r f a c ew h i c hc o n t a c tw i t ht h ec o l da i r r e d u c i n go fi n l e ts p e e dc a ni m p r o v et h eu n i f o r m i t yo ft h et e m p e r a t u r ef i e l do fk i l n c h a m b e r , o nt h ec o n t r a r y , i n c r e a s i n go fi n l e ts p e e dw i l lm a k et h eu n i f o r m i t yw o r s e t h ec o l d g a sw i l lt a k el e s sh e a t ，a n dt h eh e a tt r a n s p o r tc a nb em o r ef u l l yw h i l et h e i n l e ts p e e di ss m a l l ， o t h e r w i s e ，t h eh e a tt r a n s p o r tw i l lb ei n a d e q u a t ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dw i l l b en o n u n i f o r m c h a n g i n gt h ep o s i t i o no fi n l e tp o r e sw i l lc h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e t e m p e r a t u r ef i e l do fk i l nc h a m b e r , b u tw o n tc h a n g e i t su n i f o r m i t y w h e np o r e sl o c a t e di nt h e m i d d l ep o s i t i o n ，t h ec o l dg a ss p r e a ds y m m e t r i c a l l y , t h ec i r c u m f e r e n t i a lm o t i o no fi ti ss l o w t h eh e a tt r a n s p o r to ft h ef e r r i t ew h i c hi sa w a yf r o mt h ep o r e si sf u l l y , b e c a u s et h ee f f e c t st o t h o s ef e r r i t eb yt h ec o l dg a si ss m a l l w h e nt h ep o r ei sr i n g , t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i l lb e c o m e m o r eu n i f o r mf o rt h ec o l dg a ss p r e a d i n g q u i c k l y k e yw o r d s ：m i i z df e r r i t e ，s i n t e r i n g , h e a tt r a n s p o r t ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论 文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说 明。 研究生签名：矽解月幻 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保 存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保 密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加幻年石月砺 硕士论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 1 绪论 1 1 软磁铁氧体材料 软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁， 广泛用于电工设备和电子设备中。其中铁硅合金( 硅钢片) 以及各种软磁铁氧体等应用的 最多【l 】。软磁铁氧体主要有m n z n 、n i z n 两大系列。软磁铁氧体材料用途广、产量大 且成本低，是电子工业及机电工业和工厂工业的基础材料。软磁铁氧体材料的应用直接 影响电子信息、家电工业、计算机与通讯、环保及节能技术的发展，也是衡量一个国家 经济发达程序的重要标志【2 1 。 软磁铁氧体材料具有高磁导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性，广泛用于通信、 计算机、电磁兼容等各个领域，如收音机扼流圈、滤波器、电感器、电子镇流器、开关 电源、电视机的电子束偏转线圈、电磁干扰抑制器、调制器等【3 4 l 。 随着电子信息技术的飞速发展，通讯、计算机等i t 产业和电子整机对各种器件提 出了小型化及微型化的要求，传统的普通软磁铁氧体已经不能满足新兴的信息网络技术 的发展要求，高磁导率材料应运而生。具有高磁导率的软磁锰锌铁氧体材料的发展满足 了低频宽带变压器、小型环形脉冲变压器和电感器、电源滤波器等电子元件的小型化及 微型化的要求。材料的起始磁导率越高，在相同电感量要求下，有利于实现器件的小型 化【5 1 。 1 1 1m n z n 铁氧体材料 m n z n 铁氧体又称磁性陶瓷，它具有电阻率高，涡流损耗小等特点，并且产量大， 用途广，适用于低频1 m h z 以下，其优异的磁性能使其广泛用于开关电源、信息存储系 统、变压器磁芯、噪声滤波器、录音和录像的各种记录磁头、医疗诊断、军工和民用的 抗电磁干扰等【6 。9 】。 m n z n 铁氧体元件的主要参数有电感量l 、品质因素q 及频宽等。电感量也称作自 感系数，是表示电感元件自感应能力的一种物理量，它表示线圈本身固有的特性，与电 流大小无关【1 0 】。品质因素是表示线圈质量的一个物理量，线圈的q 值越高，回路的损 耗越小【l l 】。频宽是指在固定的时间内可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数 据的能力。在数字设备中，频宽通常以b p s 表示，即每秒可传输之位数。在模拟设备中， 频宽通常以每秒传送周期或赫兹h z 来表示。频宽对基本输入输出系统( b i o s ) 设备尤 其重要，如快速磁盘驱动器会受低频宽的总线所阻碍【l 引。 而磁导率是m n z n 铁氧体的重要参数之一。一方面，高的磁导率可以获得大的电感 量l ，在获得电感量的同时，高磁导率材料可以减少线圈的砸数，这样也就较少了线圈 硕 论文 的直流电阻及其引起的损耗，o 值变大线圈质量提高了。另一方面，频宽与漏感系数 成反比，而漏感系数又与材料的磁导率成反比，即频宽与磁导率成正比，高磁导率材料 能在较宽的频带内工作1 3 - is i 。 磁导率受材料制各条件和显微结构的影响。大量文献表明：对于m n z n 铁氧体，晶 粒大小均匀、气孔率低、致密性高是获得高磁导率的必要条件【】q 。 m n z n 铁氧体属于尖晶石型结晶结构，选定其配方后，在烧结过程中如果发生严重 的氧化或还原，就会有另相出现。即使不出现另外的相，也会使m n z n 铁氧体的电、磁 性能变糟。因此，商性能的m r i z n 铁氧体必须采用平衡气氛烧结1 7 j 8 1 。与此同时，m n z n 铁氧体的磁化强度和磁导率随着烧结体密度的增加而提高，而烧结体的密度取决于烧结 温度和合成眦n 铁氧体所用的原料6 , 1 9 , 2 0 ? “。所趴在m n z n 铁氧体配方选定时，研究产 品性能均匀性的关键问题就落在了烧结温度场均匀与否的问题上，这也即是本课题主要 研究的内容。 1 1 2m n z n 铁氧体材料的应用 m n z n 铁氧体属于功率铁氧体主要的应用领域是外关电源的主变压器。日前用高 磁导率m n z n 铁氧体制成的磁芯包括e e 、e f 、e l 、e p 、e t 、g 、h 、r t v l 、u f 型等系 列的1 0 0 多个菌种广泛用于现代通信、计算机、开关电源、c r t 彩电、液晶显示器( l c d ) 、 等离子彩电( p d p ) 、办公自动化、自动控制、绿色照明、抗电磁干扰、汽车电子等新 兴电子信息领域，主要的磁芯如i 耋 1i 所示。常熟皮爱尔奇磁性科技有限公司即是专业 生产高磁导率软磁铁氧体磁芯的企业之一。 田 目畸 _ ，9 9 9 1 2m n z n 铁氧体烧结工艺 幽1 】m n z n 铁氧体l 畦芯 软磁铁氧体的生产工艺流程周期眭、环节多、设备繁杂，涉及物理学、化学、电子 工程学、热力学及机械学等众多学科。其典型的工艺流程如图l2 所示。 硕上论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 圈一囵一圈一匡亘二圜一团囵一匦至垂至垂鲴一目匦 习一医垂二二习 l 囫一圜一圃一匿圈 图1 2m n z n 铁氧体生产工艺流程 其中，在烧结工艺之前，均可以采取有效的控制手段回收以重复使用。但是，一旦 烧结后，其外观、尺寸及电磁性能都无法再改变，因此，烧结工艺成为整个工艺流程的 关键控制点【2 2 1 。 1 2 1 烧结特性 由于加热，使成型坯件收缩和微密化的现象及其过程称为烧结【2 3 1 。烧结后的产品为 磁芯。铁氧体的烧结，除了坯件的收缩和致密化以外，还伴有固相反应，它是在熔融温 度以下，通过煅烧使毛坯致密和结晶长大，最后得到具有一定物理性能的多晶铁氧体。 铁氧体固相反应是一个复杂的过程，往往不是单一的反应，还伴有气相或液相的参与， 如氧化、还原( 吸氧、放氧) 、分解( 如m n 3 0 4 等) 、挥发( 水或粘合剂) 、升华( z n o ) 1 8 , z 4 o 1 2 2 烧结过程 烧结过程大致分为三个阶段，即升温阶段、保温阶段和降温阶段。在推板隧道窑中 可以理解为五个区域：排胶区、升温区、保温区、降温区和冷却区f 2 5 1 。m n z n 铁氧体典 型的烧结温度曲线与气氛曲线如图1 3 所示，烧结后刚出炉的产品外貌如图1 4 所示。 1 、升温阶段( 排胶区、升温区) 在升温阶段的低温区( 排胶区，室温至5 0 0 ) ，主要是坯件内的水份蒸发和粘合剂 的挥发过程，需缓缓升温，以避免水份和粘合剂的急剧挥发引起坯件开裂，空气气氛。 从4 0 0 c 至烧结温度( 升温区，4 0 01 4 5 0 c ) ，坯件逐渐收缩，坯件颗粒间发生固 相反应，形成晶粒。此时升温速度可快些，一般来说可升达1 3 0 0 - - 1 4 5 0 之间，空气气 j j 氛o 2 、保温阶段( 保温区，t + 1 0 ) 烧结温度保持一定的时间，其对铁氧体电磁性能影响较大，其问坯件收缩至最终尺 寸，晶粒逐步增大，必须根据粉料特性及坯件的状况合理地选择烧结温度和保温时间。 烧结温度太高或保温时间过长会使铁氧体内金属离子脱氧，增加晶粒的不均匀性，晶界 变得模糊或消失，使产品的电磁性能下降；而烧结温度太低或保温时间太短，则固相反 应不完全，晶粒生长不好，气孔多，产品性能下降。所以不同粉料、不同密度的坯件应 有不同的烧结温度。一般说来，各类m n z n f e 2 0 4 烧结温度均在1 2 8 0 - 1 4 5 0 之间，保 温时间约为2 - 6 小时左右。氧含量控制在百分之几的水平，也有用空气烧结的，甚至 有用氧气烧结的。 1 颂l ，论文 3 、降温阶段( 降温区、冷却区) 降温初期( 降温区) 的降温速度应增加，此时对电磁性能影响极大。降温中后期的 冷却速度和冷却方式要详细考虑，并兼顾一定的气氛条件，否则产品的外观( 氧化) 、 内应力、表面龟裂及内部炸裂等问题均会引发出来。在降温后期，氧古量应降至0 叭 以下。降温段的温度与气氛决定了被烧结产品的最终性能。 图l3 典型烧结1 ：艺曲线 圈i4 刚出炉的产品外貌 对丁铁氧体工艺来讲，配方是基础，成型是条件，烧结则是关键 1 目。叉因为铁、锰 离子会随着周隔气氛的变化变价非常敏感，所以控制m n z n 铁氧体的烧结工艺就更为关 键。到目前为止，人们对于各种类型m n z n 铁氧体的配方研究的比较深入。在成型方面， 由于采用了先进的造粒工艺，引用了优质模具，成型质量也可得到保证，只有烧结工艺 还是复杂难以控制，尤其是整个烧结过程中的平衡气氛问题。 1 , 3 烧结工艺的计算机模拟 随着计算机技术的飞速发展、数值计算方法的日益成熟以及热处理相关基础研究的 进展，计算机模拟已被广泛地运用在热处理领域【2 ”。其中热处理过程中流体力学的模拟 尤其值得关注【2 】。 烧结过程中温度对材料的性能有重要的影响。通过对温度场的模拟计算，既可以指 导烧结炉的结构设讣，以获得均匀的温度场，又能够为深入研究烧结温度、平衡气氛打 下基础。 1 3 1 计算流体力学的引入 研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。如果采用实验方法测 量氨气保护隧道窑内部温度场分布的情况，难度和工作量都很大。而数值模拟将根据自 身的特点和独特的功能，配合理论分析和实验研究，逐渐成为研究流体流动的重要手段， 形成了- - i q 新的学科计算流体力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 。c f d 通 过计算机数值计算和图形显示的方法，在时问和空间上定量描述流场的数值解，从而细 致研究某些物理问题l ”j 。c f d 兼有理论性和实践性的双重特点为许多复杂流动和传 硕士论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 热计算问题提供了有效的计算技术，这使得它的应用遍及所有与流动现象相关的学科及 工业领域。 近些年来，随着高速、大容量及低价格计算机的相继出现，以及对c f d 方法的研 究逐渐深入，数值模拟的可靠性、准确性及计算效率大大的提高。c f d 方法具有预测初 步性能和内部流动、数值试验及流动诊断等作用。c f d 方法将在一定程度上取代实验， 可以降低成本、缩短研制周期并且可以提供丰富的流场信息，为设计和改进流体机械提 供依据【2 9 1 。 1 3 2 计算流体力学的方法 任何流体运动的规律都遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，并且可 以用e u l e r 方程、n s 方程等数学方程组来描述【3 0 1 。计算流体力学是采用数值计算的方 法，通过计算机来求解这些数学方程，从而研究流体运动的特性，同时给出流体运动空 间定常或非定常流动规律。曾在6 0 年代，c f d 技术就已经被应用在航空工业中飞机和 发动机的设计和生产中。自8 0 年代中期至今，随着计算机和商业c f d 软件的发展，操 作平台愈加简单，用户界面愈加友好，这使得c f d 不只应用于高技术工业，也不是只 有经过特殊训练的专业人员才能使用，其应用范围越来越广泛【2 7 1 。 1 4c f d 软件 1 4 1c f d 软件简介 c f d 软件基本上都由三部分组成：前处理、解算器和后处理【2 7 ，3 。 前处理的过程就是为解算器定义需要解决的问题的参数。该过程的工作内容包括： 定义计算区域；定义流体的属性；确定边界条件的类型。网格的质量和数量直接影响计 算结果的准确性，因为对流体问题的求解是在每一个网格上进行的。通常情况下，网格 数量越多，计算结果越准确，但同时计算量增大，对计算机的性能要求也越高。所以现 在的商业软件中有了比较好的方法就是非结构性网格和自适应网格技术，在计算机中自 动对梯度变化大和重点研究区域进行网格加密。 解算器就是对一系列的方程进行求解。到目前为止基本上有三种求解方法：有限差 分、有限元和谱方法。三种方法对流体变量的近似和离散过程不同。有限差分法用网格 上的节点做样点来定义流动变量，一般采用截断泰勒展开式的方法近似网格节点和相邻 点上变量的微分得到差分近似。然后将差分代替微分得到变量在每个点上的代数式。有 限元法用分段函数定义流体变量。谱方法用傅里叶展开式或切比雪夫多项式来近似整个 计算域的变量。 后处理是对计算结果进行查看和输出数据，包括显示计算域和网格；矢量图；等值 线；图形流动可视化和动画功能等。 5 1 绪论硕士论文 常见的通用c f d 软件有：f l u e n t 、s t a r c d 、c f x 等。除此之外，还有一些专 用c f d 软件。而f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包【3 2 3 3 1 。 1 4 2f l u e n t 软件特点及构成 f l u e n t 软件是基于有限容积法的软件，是美国f l u e n t 公司在1 9 8 3 年推出的， 是目前市场上最流行的c f d 软件，在中国c f d 领域也得到了最广泛的应用。该软件主 要用于热传导模型和那些具有复杂的几何形状的流体流动。它提供的无结构网格生成程 序，把计算相对复杂的几何结构问题变得简单。它可以生成的网格包括三角形和四边形 二维结构网格；四面体、六面体及混合三维网格，网格形状如图1 5 所示。除此之外， 它还可以根据计算结果调整网格。也就是说它具有很强的网格自适应能力【3 1 3 4 】。 - 二维网格： 三维网格： 边形 六面体 图1 5f l u e n t 基本控制体形状 1 9 9 8 年f l u e n t 公司又推出了自己研制的新的前处理器g a m b i t ，用来生成网格 和定义边界。g a m b i t 能够对复杂形状的几何体灵活划分网格。f l u e n t 的另一种划分 网格的途径是由其它c a d 软件造型，再倒入g a m b i t 中生成网格。还可以用其它网格 生成软件生成与f l u e n t 兼容的网格用于f l u e n t 计算。可以用于造型的c a d 软件有 p r o e 、s o l i d w o r k s 等，可以生成f l u e n t 网格的软件有i c e m c f d 、g r i d g e n 等等。 利用f l u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图1 6 所示，它主要包括 【3 0 3 5 1 ： ( 1 ) f l u e n t 求解器，这是软件的核心所在，完成所有的计算。 ( 2 ) p r e p d f ，这是f l u e n t 用p d f 模型计算燃烧过程时的预处理软件。 6 口锣n今今 硕士论文 m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 ( 3 ) g a m b i t ，这是f l u e n t 自带的网格生成软件。 ( 4 ) t g r i d ，f l u e n t 用表面网格生成空间网格时要用的软件。 ( 5 ) 过滤器或翻译器，可以识别转化其它类别的网格文件。 图1 6f l u e n t 软件各组件之间的关系 f l u e n t 以其强大的功能和丰富的物理模型，使其能够精确地模拟无粘流、层流、 湍流、传热和传质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流及相变流等复杂的流动 现象。 1 4 3f l u e n t 数值模拟步骤简介 下面简要说明f l u e n t 数值模拟的主要步骤 3 0 , 3 6 , 3 7 】： ( 1 ) 制定计划做好准备工作。明确计算的内容及需要的精度；考虑如何划分流场， 边界条件如何定义，采用二维还是三维计算；明确流动是无粘流、层流还是湍流，是否 可压，是否要考虑传热问题；最后简单确定求解流程，考虑计算机内存是否够用等。 ( 2 ) 建立几何模型，定义流场的几何参数并进行网格划分。 ( 3 ) 根据模拟的内容选择2 d 或3 df l u e n t 求解器。 ( 4 ) 导入网格，用f l u e n t 求解器进行数值模拟。 ( 5 ) 检查网格。如果网格最小体积为负数，就需要重新划分网格。 ( 6 ) 选择计算模型，如果计算传热问题还必须激活能量方程。 ( 7 ) 确定材料的物理性质，如密度、比热容、导热系数等。 ( 8 ) 指定边界条件。 ( 9 ) 确定计算控制参数。 o 回初始化流场。 ( 1 d 迭代计算。 7 l 绪论硕士论文 检查结果、保存结果及后处理等。 1 5 本课题的研究意义和主要内容 1 5 1 研究意义 在m n z n 铁氧体的实际生产中出现了产品性能不均匀的问题。每一块推板上密集堆 放的产品在烧结后总是中间的性能优于四周，上面的性能优于底部的。优质产品的生产 率得不到提高，此问题一直困扰着大家。 经过多方面分析，烧结温度对m n z n 铁氧体性能的影响很大，正是由于窑腔内温度 场的分布不均匀，导致了产品性能的不均匀。而影响温度场分布不均匀的即是其中气体 的流场。为了保证平衡气氛烧结，窑腔内通入的冷气流吸收并带走热量，使传热不均匀， 最终导致温度场分布的不均匀。 f l u e n t 是用来计算和模拟流体力学的应用软件，它具有强大的网络支持能力、独 一无二的动网格技术、先进的数值解法、博采众长的物理模型、高效率的并行计算以及 强有力的图形后处理等功能，是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。本文拟 采用f l u e n t 软件模拟烧结炉中温度场分布的情况，分析产品性能不均匀的原因，并 为烧结炉的设计与应用提供参考。 目前国内外对于m n z n 铁氧体的烧结工艺的研究越来越多，也取得了很大的进展， 最难实现的平衡气氛现在也不再是难题。但是采用f l u e n t 软件模拟研究其气流流场 对于温度场的影响，从而分析产品性能与温度场分布的关系的研究目前并没有出现。 基于这种思路，本文研究了氮气保护隧道窑内气流的流场，模拟了实际气流流场、 无气流流场、减小进气速度、增大进气速度、改变气孔位置及改变进气孔形状六种情况 下窑腔内温度场的分布情况，并对六种情况下的模拟结果进行了对比和分析。这为分析 产品性能不均匀的原因提供了参考，并为改善均匀性及改进窑腔结构打下了良好的基 础。这一方法的提出和问题的解决，将会建立起一个烧结工艺、烧结设备与组织、性能 之间相互关系的有效研究和新的研究渠道。 1 5 2 主要内容 本文的主要研究内容如下： 1 氮气保护隧道窑窑腔的几何物理模型的建立 以常熟皮爱尔奇磁性科技有限公司的“2 9 m 氮气保护隧道窑”作为模拟的基础，利 用g a m b i t 软件建立窑腔的几何物理模型，并在此基础上建立无气孔模型，气孔在相 应面的中间位置及改变进气孔为圆环透气三种对比模型。首先直接在g a m b i t 软件的 绘图环境下设计出简化的窑腔结构。再对模型设置边界条件，如进口边界、出口边界以 及壁面等。最后对窑腔的三维几何物理模型进行网格划分，之后将其输入到f l u e n t 硕士论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 软件的模拟计算环境中，作为数值计算离散的基础。 2 窑腔温度场计算 考虑到氮气保护隧道窑窑体总长2 9 米，结构及工艺过程都很复杂，所以采用了简 化模型，模拟一般的稳定的情况下的一块推板上料区及窑腔内的温度场。在f l u e n t 中定义流体及固体料区( m n z n 铁氧体) 的物理性质，以及各个具体的边界条件。选择 合适的计算模型并设置各种计算控制参数，从而模拟其中的温度场分布。 3 窑腔温度场的对比和分析 根据六种情况下窑腔内温度场的模拟结果，对比和分析温度场分布的特点，研究窑 腔内流场对于温度场的影响。分析烧结产品性能不均匀的原因，并对隧道窑的结构设计 及m n z n 铁氧体的烧结工艺的改进提出合理化建议，从而改善产品性能的不均匀性。 9 2m n z n 铁氧体的烧结设备及烧结气氛 2 1 烧结设备 烧结m n z n 铁氧体所用的“2 9 m 氮气保护隧道窑”的外貌结构如图2 1 所示。该设 备由炉体、气路系统、全自动液压回转系统、温度控制系统等四大部分组成。炉体选用 优质耐火材料，循环搅拌系统采用娈频调速，全自动液压循环送料系统采用可编程控制 器p l c 为中心，温控系统则采用工业控制计算机与智能仪表双路控制。在烧结过程中， 均可以调节炉内的烧结气氛、压力、烧结温度和烧结时间，整体控温精度高，运行安全 可靠。 根据生产工艺条件的要求，2 9 m 氮气保护隧道窑主要的技术参数如下： 窑体总长：2 9 m 窑腔截面：4 0 0 2 0 0 m m ( w x h ) 窑腔有效使用高度：2 1 0 m m ( 肯推板) 推板尺寸：3 4 0 3 4 0 3 0 m m 晟高炉温：1 4 5 0 高温区截面均匀温度差：_ 4 - 3 炉温稳定性：2 c 主推进速度：5 0 0 2 5 0 0 m m h 装机容量：约2 0 0 k w 氮气耗量：1 8 m 氮气纯度：9 99 9 酗2 12 9 m 氮气保护隧道窑 氮气保护隧道窑是连续作业的设备，用气量较多。氯窑烧结的工艺特点决定了供气 的连续性，且要求氨气纯度、流量和压力的稳定性。具体来说，氮气保护隧道窑的烧结 特点如下： ( 1 ) 需一年3 6 5 天每天2 4 小时连续供气。 ( 2 ) 氮气纯度在9 9 9 9 9 以上。 ( 3 ) 一定结构( 产量) 的氮窑需要相应的供氮量，这样才能保证烧结所需的气氛。 如果供气不足就会导致产品氧化。 ( 4 ) 氯气流量、纯度和压力的稳定性是烧结曲线调节的前提，也是烧结工艺稳定 的保证。 窑炉内部结构如图2 2 所示。其中( a ) 图为窑炉两删壁及上下壁内表面示意图，从 中可以清楚地看到导轨及其它结构的形貌：( b ) 图为上壁内表面示意酗。图2 3 是窑炉 1 0 十论im r z n 链氧体烧结过程中温度场模拟 截面图，图上清晰地展示了窑炉的基本结构，并标出了基本几何尺寸。但是常熟皮爱尔 奇磁性科技有限公司现在使用的“2 9 m 氯气保护隧道窑”是单孔窑，即一边通气。而图 23 所示是取孔窑，两边通气。在此做出特别说明。但是该图仍然是本课题建立几何模 型的重要参考。 斓 ( a ) 蕻；= j 图2 2 窑炉内部示意图 ( b ) 图2 3 窑炉截面( 双孔) 实际生产中，窑炉采用分区分段加热控制，推扳步进式移动，每块板推进时间为1 0 分钟，每2 0 分钟窑炉循环一次。圈2 4 所示为窑炉长度方向的详细结构( 由于长度太长， 分段显示) ，从开始进窑炉的顶出机构到排胶区，再进入升温阶段排除杂质，之后到 高温区控制结晶粗细，发生固化反应，最后进入拐点区发生还原反应。整个长度方向上 布置了很多热电偶测试窑腔温度，并设有5 4 个进气口，且设置了气氛测试点以便控制 平衡氮气氛。 2m n z n 铁氧体的烧结设备及烧结气氛硕：卜论文 1 2 。r-2 r辛中 s r 二二 嘲 日嘞 圃 冒 嘲 日冒 围 r1 rr9r中 阿 l 二题) 巴a 【两 6 6 2 曰嘲 留 哺固两 厂囝 照，旦，曰， 世h 一 基萝卜一 基豪叶一一盛基卜一 离醢 n a t _ l 卜中午叩甲甲个 舀衄晶衄晶嘲晶舀田嘲嘲 徊一酗 瓯国 画瓯 贰吨轴 圆圆嘲圆圆鹋 晶晶冒占晶晶晶透 协- 1 i叩2 1 - 嘲固圄 疵五连珏 瓠魄5 鼍 固嘲躏 曰曰 口 四宣曰宣 蝴匿词圈贰趟翮避翮 硕士论文m n z n 铁氧体烧结过程中温度场模拟 叩中叩午午 圄固嘲圄 删矾赫强国圆 口口口，7 目 口固固嘲 曼鱼曾宫 曾 管。臂。垒曹 曲豳 。“。 盛盐目 靛：嗣嚣：嚣 2 1 - 2 1 i叩叩卜 霹印圈翮困豳 【j 澡 一一 h 【弼幽 6 n 玉6 。 五。白 6 。 b6 。 l 。；k lf ! h 圈刚 一】 同圈圈 凿盏 两匿瓣矗阍醚翻肖匿羽 9竹钳 曰诌舀翰 卿 f 1 睢、- 州 虹u ! ! d 删_ l 虹一虹l l “一“”； y。 ， ， _，_午3 6 _ n 习 n 百 蠡缸凶 曲用埘 国 匿涸鏖固 图2 4 窑炉长度方向结构图 r 热电偶测温点位置s 窑腔温度测试点位置 e 气氛测试点位置e 混合气体进气点 排胶区( 6 - - 8 m )2 5 0 , - - 6 0 0 控制产品开裂 升温区( 8 1 3 m ) 高温区( 1 3 1 8 m ) 高温区( 1 8 2 5 m ) 拐点区( 2 5 2 9 m ) 8 0 0 11 0 0 8 0 0 1 1 0 0 8 0 1 1 0 0 8 0 0 1 1 0 0 产品氧化铁排除杂质 控制产品结晶粗细 固化反应 还原反应 1 3 2m n z n 铁氧体的烧结设备及烧结气氛硕士论文 2 2 烧结气氛 m n z n 铁氧体是由三种金属( f e 、m n 、z n ) 氧化物在高温烧结时产生固相反应生成 的，而铁、锰离子随着周围气氛的变化存在着一个极敏感的变价问题，在不同的温度和 气氛下( 氧分压) 条件下，铁、锰的离子价是不同的，而要使m n z n 铁氧体的磁性符合 规定的要求，则其中的各种金属离子必须保证在特定价态且符合尖晶石单相晶体结构。 所以除了合适的配方外，关键是严格控制烧结条件，即温度和气氛，采用平衡气氛烧结， 防止氧化或还原反应的发生，否则产品性能会下降，甚至不能生成m n z n 铁氧体，即产 品不再有磁性【3 8 , 3 9 , 4 0 。因此，平衡气氛对制备高质量的m n z n 铁氧体是十分重要的。 2 2 1 平衡气氛烧结的基本原理 本文前面已经论述过m n z n 铁氧体的烧结工序大致可分为升温、保温和降温三个过 程。在升温阶段，由于没有形成单一的尖晶石相，对周围的气氛要求不高，真空、空气 或氮气环境中都可以。但在保温阶段，一方面要使晶粒长大并完善，另一方面还要保证 材料烧结为化学成分固定的单一尖晶石型铁氧体，这就需要保证正确的气氛 1 8 , 4 1 j 。 一般的尖晶石结构的m n z n 铁氧体的化学式可写成：z n 2 + 。m n 2 + 。f j + ， 2 r f e 3 + 2 + 2 r 0 2 - 4 + ，式中的r 即是氧化度，表示吸氧的程度。铁氧体周围气氛中氧气的压强 被称为氧分压。同时，具有一定r 值的m n z n 铁氧体本身即具有放出氧气的能力，它能 放出的氧气压强被称为氧分解压。已经有理论和实验证明出铁氧体的氧分解压与温度成 正比。当温度一定，铁氧体的氧分解压与气氛中的氧分压正好相等，即铁氧体的吸氧和 放氧的速率相等时，也就达到了动态平衡。这就是所谓的平衡气氛烧结【3 8 ，3 9 4 0 1 。 2 2 2 平衡气氛烧结的方法 要保证平衡气氛，首先在配方选定后，需要找出最佳的氧化度r ，r 与f e 2 + 的含量有 羊 1 8 ，3 8 ，3 9 ，4 0 、 o 其次，还要根据平衡气氛曲线的要求保温和降温。铁氧体的成分确定后，其氧分解 压随着温度的降低而减小【1 8 】。在保温阶段，一般使用通氮气的方法调节氧分压。因此， 国内外烧结m n z n 铁氧体都采用了一种名为“氮气保护隧道窑 的设备。 2 3 窑腔模型设计 为了模拟计算的需要，首先需要建立窑腔的几何模型。考虑到在实际生产中，m n z n 铁氧体的烧结过程以及“2 9 m 氮气保护隧道窑 的结构都极为复杂，是一个动态的变化 的过程。因为本课题主要研究窑腔内的温度场以及流场对于温度场的影响，所以采用便 于分析问题的简化模型。简化模型只模拟一块推板长度的窑腔，随机布置两个进气孔在 窑腔一侧，出气孔随机布置在窑腔上壁面，推板也省略不研究，固体料区只象征性地表 1 4 顷士论文 m n t n 铁氧体斑结过程中温度蛹横扭 征9 列( 平均分布在9 个特征位置) 。几何模型的外形参数如表21 所示。 表2 1 氪窑窑腔模型外形尺寸 单位( m m ) 长 宽 高 3 4 0 3 5 0 l 蚰 在f l u e n t 自带的前处理软件g a m b i t 中建立氮窑窑腔的几何模型，如图25 所 示。从图中可以清晰地看到侧壁上两个进气孔和上壁面的一个出气孔以及窑腔内固体料 区的结构，零件形状为“回”字形。 图2 5 氮窑窑腔的几何模型 赣 3f l u e n t 模拟窑腔内温度场 硕上论文 3f l u e n t 模拟窑腔内温度场 3 1f l u e n t 数学模型 无论是可压、还是不可压流动，无论是层流还是湍流问题，f l u e n t 都具有很强的 模拟能力。f l u e n t 提供了很多数学模型用于模拟复杂几何结构下的输运现象( 如传热、 化学反应等) ，它能解决很多的工程实际问题。本课题主要是运用该软件模拟窑腔内的 传热现象。 气体属于牛顿流体，所以它在窑腔内的流动符合一般流体的运动规律，属于牛顿不 可压缩流体运动【3 0 1 。如果要对窑腔内的流体流动进行数值模拟，那么就需要首先建立腔 内流体流动的数学模型。 所谓数学模型就是描写一些需要研究的物理问题的各个量之间的数学关系。数学模 型一般用微分方程或积分方程表示，有时还需要配带一些代数方程，然后再给出边界条 件，这样才能得到完整的封闭方程，计算机才能解出方程，得到所需要的结果。 描述流体流动的物理量主要有速度u 、压强p 、密度p 、温度t 、比热容c p 、导热 系数入等。所有流体都遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律以及热力学第 一、第二定律【3 0 4 2 】。对于所有的流动，f l u e n t 都求解质量和动量守恒方程，对于传热 问题，还需要增加能量守恒方程。 3 1 1 湍流模型 流体运动基本上可以分为层流和湍流【4 3 舯，4 5 】两种情况。本文中，窑腔内气体的流动 属于湍流流动。所以在此重点论述f l u e n t 软件所提供的湍流模型，介绍各种模型的 特点以及选用的原则。 f l u e n t 软件提供的湍流模型 4 6 - 5 1 】包括：单方程( s p a l a r t a l l m a r a s ) 模型、双方程 模型( 标准，c 模型、r n gk 模型、可实现( r e a l i z a b l e ) k 模型) 及雷诺应力模型 和大涡模拟。但是没有一个湍流模型对于所有的问题通用，实际求解中，要根据求解的 具体问题的特点来决定选用什么模型。选择的一般原则是精度要高，应用简单，节省计 算时间，同时还具有通用性。 f l u e n t 软件中湍流模型的设置命令是：d e f i n e - - * m o d e l - - - v i s c o u s ，其对话框如图 3 1 所示： 1 6 硕论文m n z n 铁氧体烧鲒过程中温度场模拟 无粘层流# 揣诹 湍墟模型进项 近壁处理方珐进择 阜方程模型 一。横型 禽诺应力楗型 标准e p r n ( 3e r 可实现e r c m ；：= ! = ：；。1 阿 一d 二自 c “p s i l o n p # c q ql i j ：= 苗”s l m u 愁9 1 o 啪e d “s 肚q 1 2 e “ l 一 、r i 。m _ l b l e o b $ t 。2 女女! ! ， n j h - 吨 n d 一! ! ! ! ! ! ! ! 一m # t i d u r 7 “。o 。“”i 一一_ l n u m b c ； o k lc i ih e l p 恻3if l u e n t 软什巾湍流模型没置命令 ( 1 ) 单方程( s p a l a r t - a l l m a r a s ) 模型 s p a l a r t a i i m a r a s 模型求解变量矿，表征出了近壁( 粘性影响) 区域以