用于adc鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法
【專利摘要】用于ADC6鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法，包括：設計加熱爐的結構，預設噴嘴高度，噴嘴的位置居中，設計方形爐膛，其長L，寬W，高H，預設穹頂為圓弧面，其半徑R0取2×W；穹頂圓弧面向下投影得到的平面內，把爐膛分為n個相等面積，每個面積中心點記為Pi，i=1,2,…,n；通過計算調整Pi點的位置，運用擬合方法過調整后的Pi點連同周界點，作蒙皮面得到穹頂曲面設計。本發明的穹頂曲面把反射的熱能和傳遞到鋁熔液表面的熱能進行功率疊加，實現表面各點的溫度基本相同，實現基本均勻加熱，保障鋁熔體的壓鑄成型性能一致。
【專利說明】用于ADC鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法
【【技術領域】】
[0001]本發明屬于金屬零部件的成形加工設備【技術領域】，具體是指一種用于ADC鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法。
【【背景技術】】
[0002]ADC6為日本牌號的鋁合金，與我國國標鋁合金ZL303性能相當，它的鎂元素成分約占4%，與常規鋁合金相比含量較高。壓鑄成型流動性能較差，在熔煉時，如果采用常規的電加熱方式和加熱爐設備，則會產生如下問題:(I)由于鎂元素成分約占4%，故在熔煉時常規的加熱方式極易產生“鎂燒”現象；(2)電阻絲易被腐蝕，經常產生“斷絲”現象。因此，ADC6在熔煉時多采用燃氣加熱的方式。
[0003]但是，燃氣加熱也會帶來新的問題:(1)受到氣嘴結構限制，多從側面吹入燃氣，靠近氣嘴處溫度高，遠處則靠推導方式升溫，導致加熱不均勻；(2)平面爐頂結構限制了熱能的傳遞方向，使得熱傳遞效率無法得到較大的發揮。
[0004]中國發明專利ZL200810048288.4公開了一種采用高溫惰性氣體直吹薄鋼板方式給薄鋼板加熱的方法，可保證薄鋼板在無氧化的條件下均勻加熱。中國發明專利ZL201010133364.9公開了一種真空玻璃連續生產設備，包括可以對玻璃進行均勻加熱封邊的封邊爐體。這兩個專 利的技術方案基本思路是改進加熱爐的結構，改進熱傳遞路徑，實現不同部位的溫度控制。但是，這樣的方法效果是有限的，并未對熱能傳遞密度進行控制，故一定程度上依賴經驗性。
[0005]ADC6本身的成型性能差，如果熔煉時加熱不均勻，則使得壓鑄成型填充不飽滿的可能性大大增加，是導致出現裂紋或其他缺陷的主要原因。
[0006]有鑒于此，本發明人針對現有技術的缺陷深入研究，遂有本案產生。
【
【發明內容】
】
[0007]本發明要解決的技術問題，在于提供一種用于ADC鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法，該穹頂曲面把反射的熱能和傳遞到鋁熔液表面的熱能進行功率疊加，實現表面各點的溫度基本相同，實現基本均勻加熱，保障鋁熔體的壓鑄成型性能一致。
[0008]本發明是這樣實現的:
[0009]用于ADC6鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1:設計加熱爐的結構，預設噴嘴高度，噴嘴的位置居中，設計方形爐膛，其長L，寬W，高H，預設穹頂為圓弧面，其半徑Rtl取2 X W ;
[0011]步驟2:穹頂圓弧面向下投影得到的平面內，把爐膛分為η個相等面積，每個面積中心點記為Pi, i=l, 2，..., η ；
[0012]步驟3:計算單位時間天然氣燃燒產生的熱能:Q=v P q Π，其中V為氣流流速，P為密度，q為燃燒值，Η為燃燒效率；
[0013]步驟4:設噴嘴處為O點，O點與某一點Pi點之間的距離為ri;計算在Pi點處穩態傳熱下直接輻射的熱流密度8/=0/(4 311^2);
[0014]步驟5:當達到熔體設定溫度且達到熱平衡狀態后，ε /的實際效果應為Ci ε /，其中Ci為聚集系數，其確定方法為:以噴嘴在液面上的投影點O’為圓心做同心圓，設同心圓的半徑為 R，當 R ≤ 300mm，Ci=0.3 ~0.35 ;當 300 < R ≤ 600，Ci=0.35 ~0.75 ;當 R >600時，Ci = 0.75~0.85 ;具體取Ci值時，按半徑由小到大分別選取Ci由小到大；
[0015]步驟6:過Pi點作穹頂的法線與穹頂線相交于Mi點，設噴嘴O距Mi點處的距離為r i；計算在交點處穩態傳熱下直接福射的熱流密度ε / =Q/ (4 r' i2)；
[0016]步驟7:取％處附近半徑為δ的鄰域，由于面積小，認為此處為平面，計算此處單位時間的熱能約為QMi= ζ j Ji δ 2 ；
[0017]步驟8:設Mi點距離Pi為！'，以Mi點為作為熱源，計算其在Pi點處的熱流密度
d/ (Wi2);
[0018]步驟9:計算Mi點的總熱流密度，ε ,=Ci ε / + ε i〃，得到每個點處的總熱流密度
ε 1、 ￡ 2> “*、 ￡ η ；
[0019]步驟10:把得到的ει、ε2、…、％作為數列，并計算其數學期望Ε(ε)和方差D( ε )；
[0020]步驟11:若D( ε )1/2 < Ε( ε )/8，則表明液面各部位的熱流密度偏差不大，能夠保障其溫度基本均等，判斷D ( ε )1/2是否小于E ( ε )/8，如果是，則轉入步驟15 ;如果否，則轉入步驟12 ；
[0021]步驟12:求出ερε2、…、ε η中，找出與E ( ε )偏差絕對值超過E ( ε )/6的元素ε j, j=l, 2，…，m (其中m〈n),以及對應的點P」，j=l, 2，…，m (其中m〈n)；
[0022]步驟13:判斷:若ε j ^ E ( ε ),則把Pj點對應的Mj沿法線向下移IOmm ;若ε j >E ( ε )，則把Pj點對應的Mj沿法線向上移10mm。
[0023]步驟14:重復步驟4至步驟13，若ε ^ > E ( ε )，反復重復步驟4至步驟13，直到D( ε )1/2小于Ε( ε )/8，轉入步驟步驟15:運用擬合方法過調整后的％點連同周界點，作蒙皮面得到穹頂曲面設計。
[0024]15 ；
[0025]本發明的優點:
[0026]I)根據ADC6鋁合金的物理特性，利用壓鑄熔體加熱時的能量聚集效應，引入熱密度平衡的方法，實現加熱過程中各部分的液面各部位的熱流密度和溫度基本均等，有利于有效提高ADC6鋁合金的壓鑄成型性能。
[0027]2)突破常規的側邊加熱的方法，采用穹頂結構，并在頂部中央噴嘴的結構，改變了加熱過程中熱能的傳遞方式。通過控制穹頂的幾何形狀，能夠控制計算熔體某部位的熱流密度，從而控制加熱效果。
[0028]3)本發明采用零維傳熱模型，通過計算主熱流密度和附加熱流密度的方法，得到爐內任意點的熱分布。經過生產實踐證明，該方法能夠保證加熱平均溫度約710°C，爐膛內鋁合金熔體局部溫度控制在±10°C以內。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0029]下面參照附圖結合實施例對本發明作進一步的描述。[0030]圖1是本發明的用于ADC鋁合金熔液的加熱爐結構示意圖。
[0031]圖2是本發明初步設計加熱爐長、寬、高和預設穹頂半徑示意圖。
[0032]圖3是本發明中把穹頂的平面投影劃分為若干個相等區域示意圖。
[0033]圖4是本發明中噴嘴對液面某區域中心點之間的輻射傳熱示意圖。
[0034]圖5是本發明中液面某區域中心點得到的疊加熱流密度示意圖。
[0035]圖6是本發明具體實施例的用于最終設計的穹頂曲面邊界點和投影點。
[0036]圖7是本發明具體實施例中的P1點處的輻射傳熱示意圖。
[0037]圖8是本發明具體實施例中的用于最終設計的穹頂曲面邊界點和型值點。
【【具體實施方式】】
[0038]用于ADC6鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法，包括如下步驟:
[0039]步驟1:利用加熱爐設計的知識，設計加熱爐的結構，如圖1所示，包括爐膛1，及與所述爐膛I相連通的存液池2 ;所述爐膛I側邊具有投料口 3 ;所述爐膛I及所述存液池2外圍為保溫爐墻4 ;所述爐膛I為方形，其穹頂5為圓弧面；所述爐膛I頂部具有可供燃氣進入的噴嘴6，所述噴嘴6位置居中；所述爐膛I頂部還具有廢氣出口 7 ;所述存液池2上方開口，為取液口 8。
[0040]預設噴嘴高度，其位置居中，設計方形爐膛，其長L，寬W，高H，預設穹頂為圓弧面，半徑Rtl取2XW，如圖2所示；
[0041]步驟2:穹頂圓弧面向下投影得到的平面內，把爐膛分為η個相等面積，每個面積中心點記為Pi, i=l, 2，..., η ;如圖3所示；
[0042]步驟3:計算單位時間天然氣燃燒產生的熱能:Q=VP q η，其中V為氣流流速，P為密度，q為燃燒值，Η為燃燒效率。
[0043]步驟4:設噴嘴處為O點，O點與某一點Pi點之間的距離為ri;如圖4所示，計算在Pi點處穩態傳熱下直接輻射的熱流密度8/=0/(4 311^2);
[0044]步驟5:根據測溫試驗得知，穹頂結構且頂吹方式爐內加熱時，由于中央位置距離噴嘴最近，故此處的ADC6鋁合金熔體熱能吸收最大，迅速產生熱能聚集，而向周邊傳遞。該傳遞過程是與距中央位置的距離增大而增大，形成動態的熱平衡。因而，當達到熔體設定溫度且達到熱平衡狀態后，ε /的實際效果應為Cj/，其中Ci為聚集系數，其確定方法為:以噴嘴在液面上的投影點O’為圓心做同心圓(圖4)，設同心圓的半徑為R，當R≤300mm,Ci=0.3 ~0.35 ;當 300 < R ≤ 600,^=0.35 ~0.75 ;當 R > 600 時，Ci = 0.75 ~0.85。具體取Ci值時，按半徑由小到大分別選取Ci由小到大；
[0045]步驟6:過Pi點作穹頂的法線與穹頂線相交與Mi點，設噴嘴O距Mi點處的距離為r i；計算在交點處穩態傳熱下直接福射的熱流密度ζ i=Q/ (4 3i r' i2)；
[0046]步驟7:如圖5所示，取Mi處附近半徑為δ的鄰域，由于面積小，認為此處為平面。計算此處單位時間的熱能約為Qm = ζ i ^ δ 2 ；
[0047]步驟8:設Mi點距離Pi為I.'，以Mi點為作為熱源，計算其在Pi點處的熱流密度
d/ (Wi2);
[0048]步驟9:計算Mi點的總熱流密度，ε ,=Ci ε / + ε i〃，得到每個點處的總熱流密度ε 1、 ￡ 2> “*、 ￡ n ；[0049]步驟10:把得到的ει、ε2、…、％作為數列，并計算其數學期望Ε(ε)和方差D( ε )；
[0050]步驟11:根據試驗得知，若D( ε )1/2 < Ε( ε )/8，則表明液面各部位的熱流密度偏差不大(即大致相當)，能夠保障其溫度基本均等。判斷D( ε )1/2是否小于Ε( ε )/8，如果是，則轉入步驟15 ;如果否，則轉入步驟12 ；
[0051]步驟12:求出ερε2、…、ε η中，找出與E ( ε )偏差絕對值超過E ( ε )/6的元素ε j, j=l, 2，…，m (其中m〈n),以及對應的點P」，j=l, 2，…，m (其中m〈n)； [0052]步驟13:判斷:若ε j ^ E ( ε ),則把Pj點對應的Mj沿法線向下移IOmm ;若ε j >E ( ε )，則把Pj點對應的Mj沿法線向上移IOmm ；
[0053]步驟14:重復步驟4至步驟13,若ε」> E ( ε )，反復重復步驟4至步驟13,直到D ( ε )1/2小于E ( ε ) /8，轉入步驟15 ；
[0054]步驟15:運用擬合方法過調整后的Mi點連同周界點，作蒙皮面得到穹頂曲面設計。
[0055]下面為一具體實施例:
[0056]某ADC6壓鑄件材料加熱爐設計，要求平均溫度約710°C，爐膛內鋁合金熔體局部溫度控制在±10°c。生產節拍要求為:每約4分鐘生產I件質量約2.5kg的壓鑄件。
[0057]步驟1、利用加熱爐設計的知識，預設噴嘴高度、居中位置；設計方形爐膛，其長L=2.2m,寬W = 1.6m,直線部分高H=L 2m,穹頂圓弧面半徑Rtl = 2W = 3.2m。
[0058]步驟2、把球面向下投影得到的平面內，把爐膛分為9個相等面積，每個面積中心點記為Pi, i=l, 2，…，9,如圖6所示。
[0059]步驟3、設工業天然氣氣流流速v=0.132m3/s,助燃空氣流速V’=1.3m3/s,常溫常壓下天然氣密度P=0.7174kg/m3，燃燒值q=7.5X107J/kg，燃燒效率 η=88%。則單位時間燃燒產生的熱能:Q=v P q n=0.132X0.7174X7.5X 107X88%=6.25X 106J/s=6250kJ/s。
[0060]步驟4、設噴嘴處為0點，O點與P1~P9點之間的距離為分別為T1=Tz=T7=Trl=] 084mm, r2=r8=798.3mm, r4=r6=943.7mm, r5=594.0mm, 圖 7 中顯不了P1點為例，計算在Pi點處穩態傳熱下直接輻射的熱流密度ε/=0/(4πΟ，得到
ε / = ε 3' = ε 7' = ε 9' =4232.63kJ/m2.s, ε 2’ = ε 8’ =7804.36kJ/m2.s, ε 4’ = ε 6’ =5584.72kJ/m2.s, ε 5’ =14096.02kJ/m2.S。
[0061]步驟5、根據P1~P9點與O’之間的距離分別900mm、533mm和733mm,熱能聚焦系數取 C1=C3=C7=C9=0.85，C2=C8=0.65，C4=C6=0.80，C5=0.35。
[0062]步驟6、過P” P2,…、P9點(除P5點外)作穹頂的法線與穹頂線相交與M1' M2、M3'皿彳為為為為點“噴嘴^巨這些交點的距離為！./ =r3’ =r7’ =T9' =1066.5mm,r2’ =r8’ =644.9mm,r4’ =r6’ =875.0mm,計算在交點處穩態傳熱下直接福射的熱流密度ζ / =Q/ (4 n r’ J),得到ζ != ζ 3= ζ 7= ζ 9=4372.68kJ/m2.s, ζ 2= ζ g=11958.72kJ/m2.s, ζ 4= ζ e=6496.llkj/m2.S。
[0063]步驟7、取交點處附近半徑為δ = 0.1m的鄰域，此處單位時間的熱能約為Qm =Q13 = Qm7 = Qm9 = ζ i ^ δ 2=137.37kJ/s, Qm2 = Qm8 = 375.69kJ/s, Qm4 = Qm6 = 204.08kJ/s ；
[0064]步驟8、設 Mi 點距離 Pi 為！T1 "=1^=1^=1^=440.8mm, r2//=r8//=540.0mm,r4"=r6"=492.8mm,以Mi點為作為熱源，計算其在Pi點處的熱流密度ε ^=Qm/ (4 π r'2)，得至Ij ε ,= ε 3"= ε 7"= ε 9"=562.61kJ/m2.s, ε 2"= ε 8〃=1025.27kJ/m2.s, ε 4"= ε 6"=668.73kJ/2
m.S0
[0065]步驟9、計算Mi點的總熱流密度ε ,=Ci ε / + ε i〃，得到ε i~ε 9分別為4160.35、
6098.10,4160.35,5136.51,4933.61,5136.51,4160.35,6098.10,4160.35。單位均為 kj/
2
m.S0
[0066]步驟10、把得到的ε η ε 2、…、ε η作為數列，并計算其平均值E ( ε ) = 4893.8kJ/m2.s 和方差 D( ε )=758.1。
[0067]步驟11、判斷 D ( ε ) 1/2 = 758.1 > E ( ε ) /8 = 611.7 ；
[0068]步驟12、求出Spq、…、89中，找出與Ε(ε)偏差絕對值超過Ε(ε)/6的元素ε 2和ε 8，對應的點P2和點P8，以及對應的點M2和點M8。
[0069]步驟13、判定得到ε 2= ε g=6098.10 > E ( ε ) =4893.8，則把M2和M8點沿法向上移IOmm0
[0070]步驟14、重復步驟4至步驟13，得到D ( ε)1/2=714.55，再重復3次，得到等到直到D( ε )1/2 = 601.29 < Ε( ε )/8。此時，M2 和 M8 點向上移動了 30mm。
[0071]步驟15、如圖6和圖8所示，以點S1~S12為邊界點，以M1~M9 (其中M2和M8均為步驟13、步驟14移動后的位置)，運用現有的孔斯曲面擬合方法作出蒙皮面，得到穹頂曲面。
[0072]本發明具有以下有益效果:
[0073]I)根據ADC6鋁合金的物理特性，利用壓鑄熔體加熱時的能量聚集效應，引入熱密度平衡的方法，實現加熱過程中各部分的液面各部位的熱流密度和溫度基本均等，有利于有效提高ADC6鋁合金的壓鑄成型性能。
[0074]2)突破常規的側邊加熱的方法，采用穹頂結構，并在頂部中央噴嘴的結構，改變了加熱過程中熱能的傳遞方式。通過控制穹頂的幾何形狀，能夠控制計算熔體某部位的熱流密度，從而控制加熱效果。
[0075]3)本發明采用零維傳熱模型，通過計算主熱流密度和附加熱流密度的方法，得到爐內任意點的熱分布。經過生產實踐證明，該方法能夠保證加熱平均溫度約710°C，爐膛內鋁合金熔體局部溫度控制在±10°C以內。
[0076]本發明采用直噴方式加熱，ADC6熔液表面產生氧化層保護熔體；根據直噴的熱傳遞規律，改變平底設計為穹頂設計；根據預設的加熱爐穹頂幾何曲線，利用迭代的方法，計算熔體表面采樣點處的熱能功率，在各點功率基本相等的情況下，優化得出穹頂的方向，利用包絡曲面設計最終的穹頂曲面。該穹頂曲面把反射的熱能和傳遞到鋁熔液表面的熱能進行功率疊加，實現表面各點的溫度基本相同，實現基本均勻加熱，保障鋁熔體的壓鑄成型性能一致。
[0077]以上所述僅為本發明的較佳實施用例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、 等同替換以及改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.用于ADC6鋁合金熔液的加熱爐穹頂曲面設計方法，其特征在于:包括如下步驟:步驟1:設計加熱爐的結構，預設噴嘴高度，噴嘴的位置居中，設計方形爐膛，其長L，寬W，高H，預設穹頂為圓弧面，其半徑R0取2 X W ; 步驟2:穹頂圓弧面向下投影得到的平面內，把爐膛分為n個相等面積，每個面積中心點記為 Pi, i=l, 2，...,n ； 步驟3:計算單位時間天然氣燃燒產生的熱能:Q=v P q η，其中V為氣流流速，P為密度，q為燃燒值，η為燃燒效率； 步驟4:設噴嘴處為O點，O點與某一點Pi點之間的距離為ri;計算在Pi點處穩態傳熱下直接輻射的熱流密度εi'=Q/(4 πri2)； 步驟5:當達到熔體設定溫度且達到熱平衡狀態后，εi'的實際效果應為Ciεi'，其中Ci為聚集系數，其確定方法為:以噴嘴在液面上的投影點O’為圓心做同心圓，設同心圓的半徑為 R，當 R ≤ 300mm，Ci=0.3 ~0.35 ;當 300 < R ≤ 600，Ci=0.35 ~0.75 ;當 R > 600時，Ci = 0.75~0.85 ;具體取Ci值時，按半徑由小到大分別選取Ci由小到大； 步驟6:過Pi點作穹頂的法線與穹頂線相交于Mi點，設噴嘴O距Mi點處的距離為r’i;計算在交點處穩態傳熱下直接福射的熱流密度εi' =Q/ (4 π r' i2)； 步驟7:取Mi處附近半徑為δ的鄰域，由于面積小，認為此處為平面，計算此處單位時間的熱能約為Qm= ζ i π δ 2 ； 步驟8:設Mi點距離Pi為r''i，以Mi點為作為熱源，計算其在Pi點處的熱流密度εi'=QMi/(4 π r' i2); 步驟9:計算Mi點的總熱流密度，εi ,=Ci εi' + ε i"，得到每個點處的總熱流密度ε1、ε 2、...εn ； 步驟10:把得到的ε1、 ε 2、…、εn ?作為數列，并計算其數學期望E ( ε )和方差D( ε )；步驟11:若D( ε )1/2 < Ε( ε )/8，則表明液面各部位的熱流密度偏差不大，能夠保障其溫度基本均等，判斷D( ε )1/2是否小于E( ε )/8，如果是，則轉入步驟15 ;如果否，則轉入步驟12 ； 步驟12:求出ε1、ε2、…、εn中，找出與Ε( ε )偏差絕對值超過Ε( ε )/6的元素εj，j=l, 2，…，m (其中m〈n),以及對應的點Pj，j=l, 2，…，m (其中m〈n)； 步驟13:判斷:若εj≤E(ε)，則把PjA對應的Mj沿法線向下移IOmm ;若εj>Ε(ε)，則把Pj點對應的Mj沿法線向上移10mm。 步驟14:重復步驟4至步驟13，若εj>E(ε)，反復重復步驟4至步驟13，直到D(ε)1/2小于Ε( ε )/8，轉入步驟15 ； 步驟15:運用擬合方法過調整后的Mi點連同周界點，作蒙皮面得到穹頂曲面設計。
【文檔編號】F27D1/02GK103615894SQ201310587208
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】吳玉榮, 戴建華, 翁飛龍, 林忠峰, 吳艷艷 申請人:莆田市榮興機械有限公司