（机械设计及理论专业论文）辐射管式镁合金熔化炉系统设计与传热特性研究.pdf

d i s s e n a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f 7 i e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r d e s l g na n dt h e r m a la n a l y s i so fr a i d a n tt u b e h e a t e rm a g n e s i u ma l l o yf u r n a c es y s t e m c a n d i d a t e z h a n g s h e n g h o n g a d v i s o r p a n b a i s o n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 锣o ft e c h n o l o g y j u n e2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作 的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包含其他个人或 经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 作者签名 售盟 日期纠口年5 月弓伸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密口 请在以上相应方框内打 日期 勋 o 年芗月3 日 日期 协b 年r 月 l 日 浙江工业大学硕士学位论文 辐射管式镁合金熔化炉系统设计与传热特性研究 摘要 镁合金具有比重小 比强度高等优秀性能 被广泛应用于机动车 信息产业和航天航 空等领域 随着镁合金应用的增加 其熔炼 压铸等关键生产设备的研发也逐渐受到重视 目前只有少数发达国家具有成熟的设备生产技术 虽然国内有研究机构和企业实现了镁合 金熔炉的设计制造 但是研究深度和产品性能与国外水平仍然存在明显差距 因此对镁合 金熔炉进行研究开发具有十分重要的意义 浙江省科技厅计划项目 镁合金绿色再熔技术 及熔化保温定量喂料炉研究与开发 基于此背景提出 本文基于可维护性的设计要求 运用模块化设计方法研制了辐射管式镁合金熔化炉系 统 并对熔炉进行了传热分析 进而设计了相应的温控策略 通过对镁合金熔炉的功能模块分析 基于可维护性和可靠性的设计要求 对熔炉的加 热模块 保温模块进行设计选型 应用有限元法设计了炉架模块 结合安全生产的要求 进而开发了保护气体模块和漏镁保护模块 设计制造的熔炉样机是传热特性研究的平台和 对象 结合熔炼工艺 通过实验方法的研究建立了镁合金熔炉的稳态和瞬态传热模型 研究 确定了 稳态下炉膛温度与熔体温度 输入功率与熔体温度的关系 不同投料质量对熔体 温度的影响 最大投料质量及熔化率 升温阶段及保温阶段的系统纯滞后时间 根据熔炉的温控要求和传热研究的结论 运用计算机仿真和实验验证对比分析了两种 不同温控策略的控制效果 确定了相应的温控策略 本文设计的辐射管式镁合金熔化炉系统具有可维护性好 可靠性高 温控效果理想等 特点 实验结果表明样机的性能达到了项目要求的设计目标 关键词 镁合金熔炉 模块化设计 传热特性 实验研究 温控策略 浙江工业大学硕士学位论文 d es i g na n dt h e r m a la n a l y s i so f r a i d a n tt u b eh e a t e rm a g n e s i u m a l l o yf u r n a c es y s t e m a b s t r a c t m a 印e s i u m m g a l l o yw 鹤晰d e l yu s e di na u t o m o b i l e i ta n da e r o s p a c ei n d u s t r i e s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tm a t e r i a lp r o p e r t i e ss u c ha sl o wd e n s i t 觚dl l i g hs p e c i f i cs t r e n g t l l a sa r e s u l to ft h ei i l c 陀a s i n g 印p l i c a t i o n p r o d u c t i o nf a c i l i t i e st 0p e r f b mm e l t i n go rd i e c a s t i n ga r e a t t r a c t i n gm o r e 锄dm o r ea t t e n t i o n s h o v e r f o ri l o w 也e r ea r eo i l l yaf e wi 1 1 d u s t r i a l l y a d v a n c e dc o u l l t r i e sh a v e 如l l y d e v q l o p e d t e c h n o l o g yt 0p r o d u c em e e q u i p m e m s af e w d o m e s t i ci n s t i t u t e sa n df i n l l sa r ec 印a b l eo fp r o d u c i n gt l l e 知m a c e 也o u 曲t e c h n o l o g r 锄d p e 雨m a l l c e sa r c 栅b e h i n d u n d e r sc i r c 啪s t a l l c e t l l es c i e n c ea n dt e c l l l l o l o g rd e p a n r n e m o fz h e j i a n gp r o v i n c e sp r o j e c t r e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e mo fe c o 衔e n d l y m g 舢l o y i b m e l t i n g i e c h n i q u e q u a n t i t a t i v ep o u r i n gf 啪a c e 一 v a sp r o p o s e d t k sd i s s e r t a t i o n d e s i g n e d a i l d d e v e l o p e d am a g n e s i 啪 a l l o ym m a c es y s t e mu s i n g m o d u l 撕z a t i o nd e s i g nm e t l l o d 咄t h er e q u i r e m e n t so fm a i n t a j n a b i l i 锣锄dr o b u s n l e s s t h e n t l l e m l 出删y s i sw a u sc o n d u c t e d b a s e do n v h i c ht l l et e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt o 如n c t i o na n a l y s i sa i l dt h er e q u i r e m e n t so fm a i n t a i n a b i l i 哆a 1 1 dr o b u s t n e s s t l l e h e a t i n gm o d u l e 锄dh e a tp r e s e r v a t i o nm o d u l e v e r ed e s i g n e d a 1 1 d 劬l a c e 仔锄em o d u l ew a s d e s i g n e du s i n gf e mm e t l l o d w i t ha d d i t i o n a ls a f e 锣c o n s i d e r a t i o n g a sp r o t e c t i o nm o d u l ea l l d m gl e a kp r o t e c t i o nm o d u l e e r ed e v e l o p e d t h e nt l l e 胁l a c ew 嬲b u i l t 硒t 1 1 ep l a t f o 珊a 1 1 d o 场e c t i v eo fm e m a la i l a l y s i s b a s e do nt h et e c l l n i c a lp r o c e d u r eo fm a g n e s i 啪a j l o ym e l t i n g b o t l ls t e a d y 观l t ea i l d 位m s i e n ts t a t em o d e lw e r ed e v e l o p e dv i ae x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h er e s e a r c hs t u d i e dt l l e r e l a t i o n s h i pb e 铆e e nm m a c ec h 锄b e rt e m p 蹦l t u 锄dm e l tt e m p e 珊m e 锄db e 铆e e nh e a t i n g p o v e ra n dm e l tt e m p e r a t u r e t h ee 疗 e c tt om e l tt e m p e r a t u r eo fd i 虢r e n tf e e d i n gm a s sa l l dt h e m a x i m 啪f e e d i n gm a s sa n ds y s t e mh y s t e r e s i st i m ed u r i n gh e a t i n gu pa n dp r e s e r v a t i o ns t a g e u s i n gt 1 1 e r e s u l t sf r o mt l l e 咖a l a n a l y s i s a n du n d e rt h e p r q e c t st e m p e r a t i u ec o n t r o l i i r e s u l t st l l a t s 如m a c eh a sm e tt 1 1 ep r 巧e c t sr e q u i r e m e n t 锄dd e s i g ng o a l k e yw o r d s m a 朗e s i 啪m l o y6 肺a c e m o d u l 撕z a t i o nd e s i 鲷 h e a t 昀1 1 s f e rc h a m i c t 甜s t i c s e x p e r i m e n t a ls t u d y t e m p e r a t u r ec o m r o ls m l t e g y u i 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘昙晕 i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论 1 1 1 研究背景 l 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 镁合金熔炉整体技术研究现状 2 1 2 2 镁合金熔炉加热系统研究现状 2 1 2 3 镁合金熔炉安全保护系统的研究现状 3 1 2 4 传热模型的研究现状 4 1 2 5 温控策略的研究现状 5 1 3 本文的主要研究内容 5 1 4 本章小结 6 第二章辐射管镁合金熔化炉的结构设计 7 2 1 镁合金熔炉系统的设计路线 7 2 1 1 熔炉系统的可维护性分析 7 2 1 2 熔炉系统的功能模块分析 7 2 1 3 关键技术参数的确定 9 2 2 加热模块的设计选型 1 l 2 3 保温模块的设计选型 1 4 2 3 1 保温材料的设计选型 1 4 2 3 2 保温模块的校核 1 5 2 4 炉架模块的结构设计 1 7 2 4 1 熔炉炉架的功能要求 1 7 2 4 2 炉架模块的结构设计 18 2 4 3 炉架的有限元分析 2 0 i v 浙江工业大学硕士学位论文 2 5 本章小结 2 5 第三章镁合金熔炉的安全保护系统设计 2 6 3 1 镁合金熔炉的气体保护系统设计 2 6 3 1 1 气体保护模块的设计要求 2 6 3 1 2 气体保护模块的设计方案 2 6 3 1 3 气体保护模块的测试方案 2 7 3 2 镁合金熔炉的漏镁保护系统设计 2 8 3 2 1 漏镁保护模块的设计要求 2 8 3 2 2 漏镁保护模块的设计方案 2 9 3 3 本章小结 31 第四章镁合金熔炉的传热特性研究 3 2 4 1 镁合金熔炉传热特性研究的理论基础 3 2 4 1 1 热量传输的三种基本方式 3 2 4 1 2 直角坐标系中的传热控制方程 3 4 4 2 镁合金熔炉的稳态传热特性研究 3 6 4 2 1 实验方案的确定 3 6 4 2 2 实验结果及分析 3 7 4 3 熔炉保温阶段的瞬态传热特性研究 4 0 4 3 1 瞬态传热的控制方程 4 0 4 3 2 第一 二类边界条件下的瞬态实验 4 1 4 3 3 系统纯滞后时间的瞬态传热实验 4 4 4 4 本章小结 4 5 第五章镁合金熔炉温控系统控制策略的设计 4 6 5 1 引言 4 6 5 1 1 控制系统总体要求 4 6 5 1 2 温控系统的硬件配置 4 7 5 2 镁合金熔炉温控策略的研究基础 4 8 5 2 1 不完全微分型p i d 控制算法 4 8 5 2 2s m 汕预估计补偿控制 4 9 5 3 控制策略的仿真模拟 一5 0 v 浙江工业大学硕士学位论文 5 4 不同控制策略下的实验与计算 5 2 5 5 本章小结 5 3 第六章镁合金熔炉样机制造与性能测试 5 4 6 1 镁合金熔炉样机制造 5 4 6 2 镁合金熔炉样机性能测试 5 5 第七章结论与展望 5 6 7 1 结论 5 6 7 2 展望 5 6 参考文献 5 8 附录 6 2 附录1 新型辐射管式镁合金熔化炉炉架专利申请受理书 6 2 致 射 6 3 攻读学位期间参加的科研项目和成果 6 4 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来 能源危机与经济危机的双重冲击 引起人们对低能耗绿色工业的重 视 随着生产力和科技水平的不断提高 钢铁 铝等金属材料的消耗也与日俱增 据统计 按目前的消耗速度 全球铁 铝等资源储量只能使用1 0 0 至3 0 0 年 一 种新型的替代材料将改变这种情况 大大增加人类社会的可持续发展能力 镁是一种轻质有色金属材料 储量非常丰富 在地壳表层中 镁元素含量约 为2 3 在全球水体中的含量也十分巨大 我国是镁的资源大国 菱镁矿储量 居世界首位 约2 7 亿吨 占全球储量的2 2 5 纠5 1 作为一种新型的工业金属材 料 镁合金在各工业领域的应用增长迅速 特别是汽车 摩托车工业和信息产业 等 这是因为镁合金具有以下几点优越的性能特点 6 7 1 比重小 镁的密度是铝的2 3 钢的1 4 是目前实用金属结构材料中比 重最小的金属 2 比强度高 比刚度远高于工程塑料 与铝合金 钢铁相近 3 耐冲击 吸震及减震能力优越 阻尼性能约为铝合金的数十倍 减震效 果显著 4 机械加工性好 有良好的铸造性能可压铸构造复杂的零部件和极薄的外 壳件 最小厚度达o 4 5 m m 5 良好的电磁屏蔽能力 作为电子产品的外壳 可降低电磁波的辐射强度 6 散热性好 镁合金的导热性能约为a b s 树脂的3 5 0 至4 0 0 倍 非常适于 制作笔记本电脑和手机外壳 随着镁合金产品制造产业的发展 作为镁合金产品制造的关键设备 镁合金 熔炉的研究开发得到了国内外研究机构和企业的广泛重视 但镁合金的一系列特 性如易氧化燃烧 压铸温度高 热容量小等特点 带来了镁合金产熔炼设备的开 发和制造难度 通常的轻合金熔炉难以满足镁合金产品生产的需要 目前只有少 数几个工业发达国家可以生产 引 尽管有几家国内企业的镁合金熔炉投入生产 但是在温度控制精度等方面仍与国外产品存在较大的差距 投取料温度动态性能 浙江工业大学硕士学位论文 研究较少 浙江省科技厅计划项目 镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研究与 开发 基于此背景提出 该项目主要是对熔炉系统 安全保护系统 定量浇注系 统等进行研究与开发 本文的主要任务是对镁合金熔化保温定量喂料炉 以下简 称镁合金熔炉 的熔炉机械结构进行设计开发 并对熔炉的传热特性进行研究 开发出相应的温控策略 该项目的相关技术参数要求如表1 1 所示 表卜1 项目技术指标 参数名称 熔炉容量熔化率保温温度 温度控制精度 指标 1 5 0 k g 6 0 k g h 6 2 0 5 1 2 国内外研究现状 1 2 1 镁合金熔炉整体技术研究现状 美国 加拿大 俄罗斯 奥地利和挪威等发达国家的镁合金生产技术目前处 于世界领先水平 8 美国 加拿大 奥地利 德国等西方国家主要生产用混合气 体保护 电阻坩埚炉熔化的成套系统 或从事镁合金锭的生产 俄罗斯则主要生 产燃气反射炉和工频感应熔炼炉 现代化的镁合金专业生产厂趋向于采用大型自 动化的无溶剂熔炼系统 以确保产品质量 产品一致性及提高生产率 9 j 国内清华大学 9 j 重庆硕龙公司 1 0 1 等几家公司或研究机构已具有生产镁合金 熔化成套系统的技术 且已应用于大规模生产 但是性能与国外产品仍然存在一 定差距 多数企业技术落后 小而分散 生产设备缺乏自动化 集成化 1 2 2 镁合金熔炉加热系统研究现状 镁合金熔炉的加热方式一般有电加热和燃气加热 8 电加热方式的设备简单 可靠性较高 环境污染小 温控技术成熟 燃气加热方式运行成本较低 热流密 度较大 但对设备要求较高 结构复杂 且废气污染较大 需要经过处理 电加 热方式又可分为电阻加热和感应加热等方式 随着加热元件的性能提高 同时加 热元件的布局方式由串联线状发展到并联线状 也随之出现了新型电炉 l 现在 感应电炉得到了广泛应用 其生产效率高 加热均匀 但与电阻炉相比 在熔炉 保温性能 电耗指标及合金元素熔炼损耗控制等方面均有一定的差距 9 j 2 浙江工业大学硕士学位论文 为了满足熔炉使用的安全可靠 准确控制 维护方便等要求 压铸熔炉普遍 采用电加热方式 重庆硕龙科技有限公司熔炉均采用螺旋管式加热元件 1 0 1 奥 地利的劳和1 1 2 1 我国的天津镁特威公司 1 4 1 采用电加热辐射管作为加热元件 在 实际应用中取得了理想的效果 1 2 3 镁合金熔炉安全保护系统的研究现状 镁合金化学性质活泼 在高温下会发生剧烈氧化 从4 5 0 开始 镁的氧化 过程开始加剧 超过熔点后 镁的氧化速度激增 如果不对镁液表面进行保护 在接近8 0 0 时 会发生剧烈的氧化燃烧 放出大量热量 导致镁液燃烧损失 合金氧化夹杂 严重地甚至会燃烧爆炸 据统计 镁合金压铸件生产过程中 熔 炼引发的危险占2 5 f 1 5 因此 在镁合金熔炼铸造过程中 必须配备防止镁合 金燃烧的安全保护系统 1 气体保护系统 目前一般可采用三种方法对熔体进行保护 熔剂阻燃 添加合金元素阻燃和 气体保护阻燃 国内外镁合金及其产品的生产都倾向于采用气体保护熔炼 常用 的镁合金保护气体为s 0 2 c 0 2 和s f 6 现代镁合金生产工业中 9 0 是以六氟 化硫 s f 6 作为防护性气体f l6 采用s f 6 保护气体时 可以减少金属烧损 稀 土金属损失 电能源消耗和熔炼时间 具体如表1 2 所示 但它只能维持几分钟 故气体需要不间断地供应 表卜2 保护气体介质熔炼的技术经济指标 1 7 序号1 吨合格铸件指标熔剂熔炼保护气体熔炼效果 l 液体合金消耗 t5 0 4 5 降低l o 2 坩埚剩余量 1 5 2 05 1 0 降低l 2 1 3 3 熔炼合金烧损 2 5 3 52 o 3 o 降低l o 2 0 4 熔炼天然气消耗 m 3 1 0 0 0 08 0 0 0 降低2 0 5熔炼电消耗 l 砒5 0 0 04 0 0 0 降低2 0 2 漏镁保护系统 随着镁合金熔炉工作时间的增加 镁合金熔液本身和保护气体分解产物等都 浙江工业大学硕士学位论文 会对坩埚产生腐蚀 同时工作中的交变热应力也会另坩埚产生变形 开裂等失效 一旦坩埚发生开裂失效 熔化的镁合金便会进入炉膛 发生剧烈燃烧 甚至可能 因炉膛密闭性较好发生爆炸事故 8 10 1 故镁合金熔炉的炉膛内一般设置有漏镁保 护系统 一旦发生漏镁事故 即通知控制系统和操作人员 同时停止系统加热并 实施一定的安全保护措施 如重庆硕龙在炉墙内设有通向炉外的漏镁通道f l o 天津镁特威在炉膛底部设有漏镁检测装型1 4 l 等 1 2 4 传热模型的研究现状 传热过程是一个复杂的能量传输过程 往往伴随着传质过程 求解时需要对 多模型进行耦合 熔炉的工况各异 具有非线性 大时滞 大惯量 时变性 大 干扰 强耦合等传热学特点 对其建立精确的数学模型有一定难度 国内外学者 在此领域均有研究 取得了一定的成果 西班牙的p i b u r a j f a 巧d 1 列对差热分析仪的水平炉和样品间的传热过程建 立了热阻模型 特别研究了热惯性对仪器的灵敏度影响 对热惯性的研究具有一 定的意义 西班牙的a b e n n 们e z 掣1 9 1 建立了工业加热炉的热 电磁一流体模型 并进行 耦合计算 求解使用有限元与边界元法 单丽平等 2 们 建立辊底式热处理炉钢板温度预报模型 采用了遗传神经网 络的方法 运用大量的现场实际数据进行训练和仿真 建立了钢板温度预报模型 预报的钢板温度偏差绝对值在1 5 摄氏度之内 李清方等 2 对水套炉内火筒传热过程进行数值模拟 给出了温度分布 找出了结构的薄弱环节 为结构强化提供了理论依据 冯双杰等 勿 建立了环形加热炉管坯的三维传热数学模型 伊朗的a a b b a s s i k 1 lk h o s h m a l l e s h 将玻璃熔炉分为燃烧室 玻璃槽 配 合料层 分别的三维传热数学模型 并对三个模型进行耦合 使用g 锄b i t 和f l u e n t 进行模拟 与实际测温值误差仅7 6 此外 实验研究在传热模型研究中也有相当地位f 2 4 之7 对于工程应用 往往 仅需要获得与工程应用有关的参量间的关系式 如输入功率与研究对象某些位置 的温度关系 或研究对象内某几个温度点之间的关系等 实验研究法是一种利用 数值方法 通过分析总结大量实验数据获得系统特性的研究方法 由于传热过程 4 浙江工业大学硕士学位论文 的复杂性 实验研究法被广泛应用在获取对象传热特性的研究中 1 2 5 温控策略的研究现状 镁合金熔炉的温度控制是镁合金熔炼的一个关键技术 目前镁合金熔炉已广 泛采用电阻炉 成本低且能效较高 同时不需要水冷 随着加热元件性能的提高 同时加热元件的布局方式由串联线状发展到并联线状 也随之也出现了新型电炉 团 现在感应电炉得到了广泛应用 其生产效率高 加热均匀 但与电阻炉相 比 在熔炉保温性能 电耗指标及合金元素熔炼损耗控制等方面均有一定的差距 9 o 为了确保熔炉使用寿命长 安全可靠 准确控制 维护方便 压铸熔炉普遍 采用电热加热控温模式 加热元件按结构可分为 集束式 和 螺旋管式 两类 重庆硕龙科技有限公司熔炉均采用螺旋管式加热元件 重庆硕龙自主开发了 多 点协同智能控温技术 有效抑制了浇注室熔体温度波动 1 0 1 常用的工业炉温控方法有p i d 控制 2 8 3 1 1 模糊控制 3 2 4 1 模糊p i d 控制p 5 3 7 1 和其他一些控制方法 3 8 喇1 当前镁合金熔炉的温控方法一般采用p i d 控制 1 3 本文的主要研究内容 本课题以镁合金熔炉系统为研究对象 主要设计开发镁合金熔炉的机械结 构 基于熔炉的机械结构 研究稳态和瞬态传热过程 建立适合熔炉传热特性的 温控策略 研究内容包括熔炉系统的设计开发 熔炉传热特性的实验研究和温控 策略的设计开发三个部分 l 熔炉系统的设计开发 1 基于可维护性的设计要求 应用模块化设计方法 对镁合金熔炉系统 进行了功能模块分析 确定了熔炉的关键技术参数 2 根据可维护性要求 对比第二代熔炉的加热元件 设计了以辐射管为 加热元件的加热模块 3 根据可维护性要求 选用了合适的保温层和耐火层材料 设计了维护 性好 互换性佳的保温模块 4 根据其他各模块的可维护性要求 及项目对炉架的可靠性要求 设计 了炉架的几种方案 利用有限元法分析比较了第二代熔炉炉架和本文 浙江工业大学硕士学位论文 设计的几种炉架方案的承载能力 选用了最佳方案作为本文的炉架模 块 满足了设计要求 5 基于镁合金熔炼的安全生产要求 设计了可靠性强 调节迅速 精确 地气体保护模块 6 为彻底杜绝漏镁可能引起的进一步恶性事故 设计了漏镁保护模块 包括可靠 灵敏的漏镁检测系统和能自动处理漏镁的漏镁保护系统 2 传热学特性的实验研究 传热模型的实验研究特别注重如下传热特性 干扰 滞后 对系统的影响 1 利用镁合金熔炉样机进行实验 获得稳态传热下输入功率和熔体温度 炉膛温度和熔体温度的关系 2 用实验方法进行瞬态传热实验 研究了不同投料质量对熔化室和保温 室温度的影响 确定了单次最大投料质量和系统的熔化率 测量了系 统的纯滞后时间 3 利用稳态和瞬态传热模型获得系统的传热学特性 对温控系统提出了 控制要求 并对其参数调整做出指导 3 温控策略的研究仿真及实验 1 温控系统的研究 根据熔炉的传热特性 选用两种不同的温控策略 2 温控系统的模拟仿真 用m a t l a b 对不同温控策略进行模拟仿真 分析 比较仿真结果 3 实验研究和计算 通过实验和计算比较几种温控策略的控制效果并确 定适合本熔炉系统的温控策略 控制效果符合设计和项目要求 1 4 本章小结 本章介绍了本课题提出的背景一镁合金的广泛应用引发了对镁合金生产设 备需求 浙江省科技厅计划项目 镁合金绿色再熔技术及熔化保温定量喂料炉研 究与开发 基于此背景提出 本文的熔炉系统设计是项目实施的核心基础 传热 模型及温控策略的研究是项目的技术基础 本章进而介绍了镁合金熔炉系统整 体 传热特性和温控策略的国内外研究现状 根据项目实施需求及当前国内熔炉 系统设计研究现状的分析 确定了本文的具体研究内容 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章辐射管镁合金熔化炉的结构设计 2 1 镁合金熔炉系统的设计路线 本课题以自主开发的辐射管式镁合金熔炉为研究对象 在深入研究国内外镁 合金熔炉产品的基础之上i l o 1 2 1 4 2 引 自主开发了两代熔炉样机并成功试运行 在 此基础上对本文描述的镁合金熔炉系统进行设计 2 1 1 熔炉系统的可维护性分析 在镁合金熔炉的使用过程中 为确保安全生产 必须对熔炉的坩埚 加热元 件 保温层 漏镁保护系统等进行定期检查和维护 另一方面 在熔炉发生安全 事故以后 需要对损坏的零部件进行维修或更换 这都要求在设计阶段就保证熔 炉具有较好的可维护性 由于保护气体和镁液对坩埚的腐蚀和高温下坩埚自身的氧化 每一个月就必 须对坩埚壁厚度进行检查 每六个月至一年 镁合金熔炉的坩埚就需要进行更换 因此坩埚对系统的可维护性要求体现在两个方面 一是便于周期性地检查 二是 便于定期更换坩埚 加热元件也是熔炉的易耗件之一 如对水平放置的辐射管加热器 连续工作 一定时间后要将其旋转1 8 0 以抵消高温下重力造成的变形 如果加热元件发生 故障 就要求在不停炉或很短时间内能对其进行更换 将停炉损失最小化 保温层长时间处于高温之下 会发生变脆 变形从而导致保温性能下降 另 一方面为了方便地检查坩埚和炉膛内的漏镁盘 这要求保温模块具有方便装卸的 可维护性 漏镁保护系统必须有很高的可靠性 需要定期测试检查漏镁检测装置和漏镁 气体保护系统是否工作正常 同时漏镁事故发生后必须对漏镁盘进行处理 这都 要求系统具有便于定期检查和事故后处理的可维护性 2 1 2 熔炉系统的功能模块分析 所谓模块化 就是为了获得最佳利益 从系统观点出发 研究产品 或系统 的构成形式 用分解和组合的方法 加立模块体系 并运用模块组合成产品 或 7 浙江工业大学硕士学位论文 系统 的全过程 4 5 1 模块化设计有两种属性m j 第一 模块化设计通过制定模 块间的标准界面将模块之间的相互依赖关系减到最小 产品结构的变化对模块的 开发的影响很小 第二 模块化设计通过模块间的标准界面创造一个弹性的产品 结构 为每个部分创造冗余 不同的模块替换到产品结构中不需要重新设计其他 的模块 因此模块化设计不仅能满足熔炉系统的可维护性要求 也增加了熔炉系 统模块的可互换性 根据镁合金熔炉系统各组件的功能 基于提高熔炉系统可维护性的设计要 求 一个自动化的辐射管镁合金熔炉系统一般由以下几个功能模块构成 如图 2 1 所示 图2 1 熔炉的功能模块 系统包括坩埚模块 加热模块 保温模块 炉架模块 自动投料模块 定量 浇注模块 气体保护模块 漏镁保护模块和熔炉控制模块 对各模块的功能分析 如下 1 坩埚模块 它是熔炉熔炼镁合金的重要组件 是其他模块服务的主要对 象 也是镁合金熔炉系统中最核心的模块 2 加热模块 是熔炉的能量来源 也是温控系统对熔炉进行控制的执行机 构 加热元件是熔炉的易耗品 它的设计选型也对系统的可维护性有较大影响 3 保温模块 保温模块的性能决定了镁合金熔炉的节能性能 同时保温模 块包围炉膛及其内部的坩埚和加热元件 它的结构设计也需要为熔炉的可维护性 8 浙江工业大学硕士学位论文 服务 4 炉架模块 该模块是镁合金熔炉主体结构的主要组成部分 是承载坩埚 模块 加热模块 保温模块等其他模块的基础 它的结构设计直接决定了镁合金 熔炉的可维护性能 在设计时必须考虑尽量减小其他各模块的依赖关系 同时为 经常更换的模块创造足够的冗余 5 自动投料模块 根据镁合金安全生产的需要 投入熔炉的镁合金锭必须 干燥无水份 否则会引起镁和水的剧烈反应 8 9 1 该模块对欲进入熔炉的镁合金 锭进行预热 干燥 使用液位探针探测液面高度 可根据工况需要进行自动投料 6 定量浇注模块 是与压铸机配套使用的接口 为压铸机提供温度稳定的 镁合金熔液 其工作原理和制造质量直接关系到熔炉的稳定可靠性 镁合金熔液 利用率 生产维护难易和使用成本等诸多问题 因此是保障镁合金压铸生产连续 稳定的关键之一 7 漏镁保护模块 镁合金熔炼的危险性决定了该模块的重要性 漏镁保护 模块分为漏镁检测和漏镁保护两部分炉架的设计必须考虑到漏镁事故后此模块 维护的便利性 8 气体保护模块 与漏镁保护模块共同组成熔炉的安全保护系统 本熔炉 使用n 2 和s f 6 混合的保护气体 坩埚表面气体保护的启动和关闭以及流量大小 与镁合金温度及工况密切相关 9 熔炉控制模块 熔炉的控制模块在硬件上基于p c 上位机和p l c 下位机 实现 由热电偶 液位探针等传感器对熔炉工作情况进行采集 通过温控策略对 熔炉温度进行控制 控制模块是熔炉系统的灵魂 本文描述的熔炉系统沿用第二代熔炉的坩埚模块 定量浇注模块和熔炉控制 模块 主要对加热模块 保温模块 炉架模块 气体保护模块和漏镁保护模块进 行了基于可维护性的模块化设计 2 1 3 关键技术参数的确定 根据本课题的技术要求 辐射管式镁合金熔炉的主要技术参数见表2 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 镁合金熔炉的主要技术参数 1 输入功率的确定 通过经验公式和前两代镁合金熔炉的实验结果 根据项目规定的最大熔化率 和坩埚容量 即可估算出熔炉所需的最大输入功率 熔炉的最大功率由以下热平衡方程来确定 尺 r j 尺2 尺3 2 1 其中 r 为 熔化率 规定量镁锭所需要的热量 r 为由将规定量镁锭从预热温度加热到熔点所需的热量 温差为4 0 0 k 恐为熔化所需热量 凡为从熔化温度加热到浇注温度所需的热量 温差为8 0 k 以上各部分热量可用以下公式确定0 4 7 4 9 r 质量 温差 平均热容 6 0 8 0 0 0 灯 2 2 凡 质量 镁合金熔化潜热 2 9 8 4 0 彬 2 3 尼 质量 温差 平均热容 8 3 2 0 2 4 故 无热损失的熔炉功率尺为 天 6 0 8 0 0 2 9 8 4 0 8 3 2 0 3 6 0 0 2 7 5 后形 2 5 根据前两代熔炉的实验结果 实际最大热损失约为4 0 熔炉的输入功率p 为 l o 浙江工业大学硕士学位论文 p 朋 6 2 7 5 o 6 4 5 8 七 2 6 熔炉的加热方式为坩埚两侧各排布三根辐射加热管 故熔炉最大功率一般取 为6 的倍数 最终将熔炉的输入功率设计成4 8 k w 2 保护气体流量的确定 在熔炉正常工作是 参考保护气体的流量为每平方米2 0 3 0 l m i n 其中s f 6 的浓度控制在o 2 5 左右 16 1 7 5 0 1 坩埚保温室和熔化室的熔液面积分别为o 0 8 5 m 和0 1 7 m 2 即可计算出所需的保护气体流量分别约为1 5 3 l m i n 和3 5 l 觚n 2 2 加热模块的设计选型 镁合金熔炉的加热方式一般有电加热 燃气加热和燃料加热等 其中电加热 方式较其他两种加热方式具有高效节能 易于维护 结构简单等优点 已被广泛 地应用于镁合金熔炉 1 2 1 4 5 本课题设计过程中曾采用电阻丝加热板作为第一代镁合金熔炉实验平台的 加热元件 电阻丝加热板是一种平板式加热元件 由电阻丝镶嵌在耐火板上构成 如图2 2 所示 在实际操作和实验中发现 电阻丝加热板有以下缺点 1 可靠性较差 电阻丝直接裸露在炉膛空间中 如意外接触到金属件或因 过热变形而相互触碰 便会引起短路 2 可维护性差 电阻丝加热板体积较大 必须拆除保温层和炉墙后才能进 行定期检查或者更换元件 大大增加了施工时间和难度 3 单位面积发热量低 为避免电阻丝相互接触造成的短路 在排布电阻丝 时必须留出一定的间隔 导致有效发热面积仅占电阻丝加热板一部分 从而限制 了熔炉的最大输出功率 在相同的炉膛空间内 输出功率小于电加热辐射管 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 电阻丝加热板 电加热辐射管由套管和内部加热器构成 是一种集束型电加热器 一般由以 下三种 5 2 1 1 线装螺旋环绕电热辐射管 这种电热辐射管由耐热合金钢套管和加热器 组成 加热器一般由 p 3 5n u n 电热丝绕在开有螺旋沟槽的耐热绝缘陶瓷管芯上 工作电压1 1 0 v 或2 2 0 v 功率一般5 7 k w 2 带状螺旋环绕电热辐射管 这种加热器的结构基本上与第一种结构相同 只是加热元件采用电阻带绕制 电阻带一般厚度为1 3m m 宽度l o 2 0m m 管 芯也多为多个分组式管芯组成 在同样表面负荷下 热辐射面大 材料可节省 一般大功率点加热辐射管采用此种形式 3 轴向波折形笼柜式电热辐射管 俗称鼠笼式 如图2 3 所示 其结构是 将加热元件的电阻丝 带 弯成 u 形串入多块绝缘耐高温的陶瓷支撑盘中 中间用一根耐热棒固定 其功率可达5 1 6 5 k w 这种辐射管寿命较长 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3 电加热辐射管 相对一般加热方式 电加热辐射管有以下优点 l 采用高品质大直径电阻丝 最高可耐受l o o o 以上的高温 加热部分有 金属套管保护 可直接接触被加热对象而不会引起电阻丝短路 2 核心材料采用直流氩弧焊接 使表面负荷 电阻差等各项技术指标得到 保证 3 耐热绝缘材料采用陶瓷件 热震性好 耐高温 寿命长 表面质量好 根据本课题的工作要求 镁合金熔炉采用鼠笼式电加热辐射管作为加热元 件 其技术参数见表2 2 表2 2 辐射管主要技术参数 序号 项目名称技术参数 1 辐射管类型 鼠笼式 2 辐射管尺寸 外径 9 5 m m 总长1 3 0 0 姗 3 套管材料 3 1 5 不锈钢 4 单根功率8 k w 5 工作电压1 1 0 v 6 发热区域9 5 0 咖 7 最高工作温度1 0 0 0 浙江工业大学硕士学位论文 与电阻丝加热板相比 电加热辐射管具有 较高的可维护性 无需拆卸保温 层即可方便检查或更换 较好的可互换性 在炉架允许的直径范围内可更换不同 功率的辐射管 电加热辐射管与电阻丝加热板的性能对比如表2 3 表2 3 辐射管与电阻丝加热板性能对比表 电阻丝加热板电加热辐射管 总功率 2 2 l w4 8 k w 可维护性须拆除保温层等无需拆除其他结构 可互换性必须与加热板形状配合允许直径范围内均可 可靠性易发生短路 熔断 可靠性高 可直接接触物料 安装难度安装点多 施工难度大插入安装位即可 较方便 2 3 保温模块的设计选型 2 3 1 保温材料的设计选型 l 保温材料的选型 镁合金熔炉的保温模块由耐火层和保温层组成 两者的厚度与炉膛温度的关 系参见表2 4 一般炉膛温度不超过9 0 0 时 耐火层可选取容重小于1 的轻质 耐火材料 但由于镁合金熔液在燃烧时可能与硅元素反应 故耐火层不能选用一 般的含硅量很高的耐火材料 而应选用含硅量很低的耐火材料 所以在设计本熔 化炉耐火层时 采用s i 0 2 含量小于1 0 的耐火预制板材 选择板材形式的耐火 材料是由于其整体性好 密封性能佳 施工方便 易于维护等特点 保温层可选用硅藻土砖 蛭石和石棉板等 但采用耐火纤维作隔热层时 不 但可以降低热损耗 减少热容 而且在相同的隔热条件下可以减薄炉墙厚度 减 轻炉墙重量 5 3 1 保温层采用容重为o 16 c m 的硅酸铝耐火纤维毡 厚度选为 2 0 0 n u n 保温模块的结构如表2 4 所示 耐火层和保温层的物理性质如表2 5 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 材料耐火预制板材 容重p 0 6硅酸铝纤维毡 容重p 0 1 6 厚度 5 0 m m2 0 0 m m 耐火预制板材 硅酸铝耐火纤维毡 1 5 0 0 1 2 6 0 6 0 0 1 6 0 o 18 o 0 0 0 3 7 t 主0 1 4 9 0 0 2 保温模块的可维护性模块化设计 耐火层选用耐火预制板材 按照炉架的尺寸切割成块 固定在炉架上 保温 层的耐火纤维毡经过一定工艺压实 填入定型架 形成整块的保温块 保温块尺 寸与炉架上预留的保温层空间一致 安装时以保温块为单位装入即可 耐火预制 板和保温块的设计提高了保温模块的可维护性 在需要拆卸保温模块进行熔炉维 护时 可方便地将保温块和耐火预制板拆下 同时若需要更换保温层材料 只需 将耐火纤维毡从定型架中取出 更换新的保温材料即可 2 3 2 保温模块的校核 保温模块结构如图2 6 所示 环境温度氏 2 0 空气对流系数 2 聊伽2 訇 4 9 1 炉膛温度为7 5 0 按经验公式嘲取f 产炉温 1 5 0 7 5 0 1 5 0 9 0 0 d d z 分别为耐火层和保温层的厚度 f j f 2 f 3 分别为耐火层内壁 耐火层外 壁及保温层外壁的温度 炉墙总的表面积彳 2 1 6 所2 由表2 5 可知 耐火层的 导热系数为后 0 4 3 9f 似訇 保温层的导热系数妨 0 1 4 助伽訇 浙江工业大学硕士学位论文 6 l 6 2 图2 4 保温模块结构图 由一维稳态平壁传热公式f 4 9 可求得在熔炉保温状态下 单位面积炉墙的热 损失小耐火层外壁温度幻及保温层外壁温度幻为 驴赫一 8 刚舻 协7 尼l七2 办 电阻炉的热损失可分为 炉墙的热损耗g 炉墙缝隙漏气的热损耗q 2 炉 墙孔口的热损耗q 3 炉底的热损耗q 4 坩埚盖的热损耗q 5 忽略炉墙缝隙漏气和炉墙孑l 口较小的热损耗 所以总的热损耗为 q q 翻 珐 2 8 炉墙的热损耗翻 g 彳 9 3 0 5 渺 炉底的热损失幺可通过经验估算式 2 9 吲求得 g 觑庄 2 3 3 0 o 8 3 1 9 3 3 9 2 9 其中彳席为炉底面积 k 为经验系数 本镁合金熔化炉直接建于地基上 取 k r 2 3 3 0 坩埚盖上也采用硅酸铝耐火纤维毡保温 单位面积的热损失与炉墙单 位面积的热损失相当 粗略估算坩埚盖的热损失 珐 g 彳盖 4 3 0 8 0 6 2 7 2 7 0 1 形 2 1 0 则用式 2 8 计算 镁合金熔化炉总的热损失为 q 9 3 0 5 1 9 3 3 9 2 7 0 1 3 1 3 4 5 形 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 前面已经计算得到有效功率为2 7 5 k 职则本文设计的镁合金熔化炉热损失 7 乓 1 0 0 型坐一 1 0 2 2 1 1 p q 3 1 3 4 5 2 7 5 0 0 本文所设计镁合金熔化炉保温模块总的热损失为l o 2 小于项目要求 故 本文所设计的保温模块可行 2 4 炉架模块的结构设计 2 4 1 熔炉炉架的功能要求 目前的镁合金熔炉多采用单炉多室或双炉双室的结构形式1 5 1 本文研究的 镁合金熔炉沿用项目自主开发的第二代熔炉的坩埚模块 采用两室结构 加热元 件为电加热辐射管 镁合金熔炉的整体布局和沿用的坩埚结构如图2 5 所示 l 保温层 2 耐火层 3 辐射管支架 4 辐射 管 5 坩埚 6 镁液 7 漏镁盘 8 坩埚隔板 图2 5 镁合金熔炉的整体结构 坩埚放置在炉架上 是盛放镁合金熔液的容器 内有隔板将保温室和熔化室 分开以减小投料对出料的温度影响 炉膛内坩埚的两侧分布有辐射管 辐射管从 熔炉的一端插入 放置在炉膛内的辐射管支架上 炉膛内坩埚的下方放置带漏镁 监测装置和保护气体分布器的漏镁盘 当发生漏镁时 可及时通知控制系统发出 报警并通入保护气体阻止镁合金的燃烧 从而有效防止重大事故的发生 炉膛由 耐火层包围而成 构成相对封闭的空间 在耐火层外安装有低导热系数的保温层 炉架的功能分析如图2 6 所示 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 炉架功能 上上上上 支撑坩埚承载保温层 安装升降台安装熔炉外壳 图2 6 镁合金炉架功能分析图 2 4 2 炉架模块的结构设计 熔炉的炉架模块采用框架结构 目前镁合金熔炉产品多采用多块耐热钢板制 成的壳体式炉架 1 2 舶 相对壳体式炉架结构 本文选用的框架结构的优势为 l 项目第一 二代镁合金实验样