电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器受力特性有限元模拟

第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.3March,2024
电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器
受力特性有限元模拟
赵㊀晴1,潘江如2,毛㊀昀2,徐媛媛2,郭鸿鑫1
(1.新疆农业大学交通与物流工程学院,乌鲁木齐㊀830052;2.新疆工程学院控制工程学院,乌鲁木齐㊀830023)摘要:为研究高温情况下力学性能对氮化硅陶瓷穿透器形变量的影响,本文对电石取料现场所用穿透器使用SolidWorks 软件进行建模,在Ansys 软件的Workbench 模块进行耦合和仿真模拟,分析氮化硅陶瓷穿透器在不同力学性能下的变形情况㊂结果表明,25ħ时氮化硅陶瓷穿透器最高形变量为3.12mm,变化率为0.7%㊂随着温度升高,氮化硅陶瓷穿透器形变量呈降低趋势,1800ħ时最高形变量为2.95mm,变化率为0.6%㊂数值模拟结果表明使用氮化硅陶瓷作为穿透器是可行的,可完成电石炉取料作业㊂
关键词:氮化硅陶瓷;熔融态电石;力学性能;SolidWorks 建模;嵌入式分析
中图分类号:TQ161;TG174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-1078-09
Finite Element Simulation of Stress Characteristics of Silicon Nitride Ceramic Penetrator under Calcium Carbide Furnace Sampling Conditions
ZHAO Qing 1,PAN Jiangru 2,MAO Yun 2,XU Yuanyuan 2,GUO Hongxin 1
(1.College of Transportation and Logistics Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Department of Control Engineering,Xinjiang Institute of Technology,Urumqi 830023,China)Abstract :In order to study the influences of mechanical properties on deformation of silicon nitride ceramic penetrator at high temperature,this paper modeled the penetrator which served as calcium carbide reclaiming by using SolidWorks software,coupled and simulated it in Workbench module of Ansys software to analyze the deformation condition of silicon nitride material under different mechanical properties.The results show that the maximum deformation variable of silicon nitride ceramic penetrator at 25ħis 3.12mm,and the change rate is 0.7%.With the increase of temperature,the deformation of silicon ceramic nitride penetrator decreases.At 1800ħ,the maximum deformation is 2.95mm,and the change rate is 0.6%.The numerical simulation results show that it is feasible to use silicon nitride ceramics as penetrator,which can complete the reclaiming operation of calcium carbide furnace.
Key words :silicon nitride ceramics;molten calcium carbide;mechanical property;SolidWorks modeling;embedded analysis 收稿日期:2023-09-04;修订日期:2023-11-03
作者简介:赵㊀晴(1999 ),女,硕士研究生㊂主要从事高性能陶瓷力学特性的研究㊂E-mail:q2570212990@
通信作者:潘江如,博士,教授㊂E-mail:pjr1978@ 0㊀引㊀言
电石作为制作乙炔气体的主要原材料,在有机化合物合成方面具有较强应用价值㊂电石出炉指高温熔融态电石(1700~2100ħ)经电石炉眼流出的过程[1]㊂电石生产制造环境复杂,电石炉内温度高达1800ħ,取料时穿透器会暴露在高温环境中㊂现行穿透器以石墨㊁合金钢以及高纯铜材料为主㊂石墨高温稳定性较好,能够在高温环境下长时间使用,但相对脆弱,易受到机械应力的破坏,消耗量较大;合金钢具有较高的强度和硬度,能够承受较大的机械应力,但高温稳定性较差,易出现脆化现象,不能长时间用于高温环
㊀第3期赵㊀晴等:电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器受力特性有限元模拟1079境;高纯铜能够高效地传导电流,但易受氧化和腐蚀㊂穿透器对材料的耐高温性㊁抗腐蚀性㊁导热性以及机械强度要求较高㊂穿透器在操作过程中易受高温影响,并需承受操作过程中的压力和负荷以防止在使用过程中裂变,因此需要选择高温稳定性好㊁机械强度高㊁导热性良好的材料,以保证穿透器在服役过程中可以抵抗化学物质腐蚀和介质侵蚀㊂
β相氮化硅的本征热导率为200~320W/(m㊃K),β-Si3N4沿a轴的热导率为170W/(m㊃K),沿c轴的热导率为450W/(m㊃K)㊂王文雪等[2]以α-Si3N4粉为原料㊁纳米级Y2O3和Al2O3为烧结助剂,采用气压烧结工艺制备氮化硅陶瓷,当烧结温度为1750ħ㊁烧结助剂含量为8%(质量分数)时,能够得到相对密度大于98%㊁维氏硬度为1540kg/mm2㊁断裂韧性为6.3MPa㊃m1/2㊁压缩强度为288MPa的氮化硅陶瓷㊂武振飞等[3]以Y2O3和MgAl2O4为烧结助剂制备氮化硅陶瓷,当烧结温度为1600ħ㊁保温时间为4h㊁烧结助剂含量为12.5%(质量分数)㊁Y2O3和MgAl2O4质量比为1ʒ1时,生产的氮化硅陶瓷综合性能最好,显气孔率为0.21%,相对密度为98.10%,抗弯强度为598MPa,维氏硬度为15.55GPa㊂研究[4]表明氮化硅陶瓷具有较强的共价键,抵抗冷热冲击能力较强,在空气中加热到1000ħ以上后,经急冷再快速加热,也不会碎裂㊂α-Si3N4较β-Si3N4具有更高的自由能(在25ħ下约为30kJ/mol),1300ħ时Si3N4会发生αңβ相变㊂
本试验在电石取料时使用直径为180mm㊁长为450mm的氮化硅陶瓷棒作为穿透电石炉的穿透器,采用数值模拟的方法研究穿透器在穿透高温密封用电石时的形变量,探究陶瓷棒能否穿透电石炉密封用电石并使炉内高温电石液顺利流出㊂
1㊀仿真计算模型
本次仿真过程分为:1)模型建造及有限元划分;2)流固耦合分析,熔融态电石对氮化硅陶瓷穿透器温度的影响;3)热固耦合分析,研究氮化硅陶瓷在高温情况下的形变量并输出数值㊂实际生产模型如图1所示,氮化硅陶瓷穿透器相关参数见表1,密封用电石相关参数见表2㊂生产整体架构由电石炉体㊁炉体保护圈㊁氮化硅陶瓷穿透器㊁引流槽㊁电石炉底座㊁电石锅组成,总称为电石生产源㊂高温熔融态电石液烧制成功后在电石炉体内暂存,炉内温度为1800ħ㊂取液前期由氮化硅陶瓷穿透器击穿密封所用电石,熔融态电石经引流槽流入电石锅内㊂
图1㊀电石生产示意图
Fig.1㊀Schematic diagram of calcium carbide production
随着温度升高,氮化硅陶瓷的密度㊁弹性模量㊁泊松比㊁各向异性热导率等减小,其中,各向异性热导率变化直接影响穿透器形变量㊂查阅文献[5-10]可知,氮化硅热导率沿a轴与c轴呈递减趋势,如图2所示㊂本文所用材料借鉴文献[5]所给出的具体表征数据,对氮化硅穿透器施加700N,即2.8ˑ10-3MPa压力,分析不同温度下热导率㊁密度㊁弹性模量㊁泊松比㊁压缩屈服强度以及形变量的变化规律㊂
1080㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷
表1㊀25ħ时氮化硅陶瓷穿透器参数
Table1㊀Parameters of silicon nitride ceramic penetrator at25ħ
Testing item Data Test equipment Test criteria Average bending strength/MPa917INSTRON-5566GB/T6569 2006 Weibull modulus14.9INSTRON-5566GB/T6569 2006 Vickers hardness/GPa1446INSTRON-2100B GB/T16534 2006 Fracture toughness/(MPa㊃m1/2) 6.13INSTRON-2100B GB/T16534 2006 Compressive strength/MPa3777INSTRON-5592GB/T8489 2006 Elastic modulus/MPa306Crindo Sonic MK7JC/T2172 2013 Poisson ratio0.291Crindo Sonic MK7JC/T2172 2013 Average coefficient of linear expansion(25~500ħ)/(10-6ħ-1) 2.62NETZSCH TMA403F3GB/T16535 2008 Temperature transfer coefficient(25ħ)/(mm2㊃s-1)9.658Laser-flash apparatus LFA467GJB1201.1 91
图2㊀热导率非线性变化曲线[5-10]
Fig.2㊀Nonlinear variation curves of thermal conductivity[5-10]
表2㊀密封用电石参数
Table2㊀Calcium carbide parameters for sealing
Testing item Data
Density/(g㊃cm-3) 2.22
Elastic modulus/MPa 3.5
Poisson ratio0.35
Bulk modulus/Pa 3.89ˑ106
Shear modulus/Pa 1.3ˑ106
Thermal conductivity/(W㊃m-1㊃K-1) 2.2
2㊀耦合分析
2.1㊀嵌入式分析
在力学分析中,稳态热源优于瞬态热源的主要原因是稳态热源具备持续且恒定的热能输出能力,能够提供持久的热量;瞬态热源产生的热量会出现强烈的波动,连续性差,导致其难以被精确地预测和控制㊂瞬态结构优于稳态结构的主要原因在于其能够承受更大的动力荷载㊂静态结构主要受到静止负载的影响,而瞬态结构则需要考虑动态荷载的影响,这包括来自外部力量的瞬时冲击和振动㊂随着温度升高,氮化硅陶瓷性能下降,同时试验中所施加的负载是动力载荷,因此使用稳态热源与瞬态结构分析的结果更符合实际情况㊂
利用SolidWorks绘图软件进行三维模型绘制,导入Workbench耦合分析场,将稳态热源的结论嵌入到瞬态结构中,利用嵌入式分析方法对氮化硅陶瓷穿透器在不同力学性能下的形变量进行数值模拟㊂图3为嵌入式分析过程㊂在热源分布不明确的情况下,嵌入式分析方法可以精确地得出氮化硅陶瓷穿透器的形变结果㊂考虑到氮化硅陶瓷对温度的依赖性和动载荷的影响,此方法能够模拟密封用电石被击穿的情况,并提供较为准确和专业的分析㊂
第3期赵㊀晴等:电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器受力特性有限元模拟1081
㊀图3㊀嵌入式分析过程
Fig.3㊀Embedded analysis process 2.2㊀流固耦合
流固耦合方式以双向流固耦合和单向流固耦合为主㊂图4为双向流固耦合示意图,主要利用对偶迭代的时间步长与结构场对应压力数据传递进行计算㊂图5为单向流固耦合示意图㊂首先,执行流场的计算,其次将不同时刻的空气流场及其对应的结构场荷载直接传递至结构场,进行精确的受力分析[11]㊂此方法的优势在于能够有效节约计算时间,提高计算速度㊂熔融态电石流出过程中没有回流现象,结构场并不会因流场变化而发生改变,因此本文使用单向流固耦合
㊂
图4㊀双向流固耦合示意图Fig.4㊀Schematic diagram of two-way fluid-solid
coupling 图5㊀单向流固耦合示意图
Fig.5㊀Schematic diagram of unidirectional fluid-solid coupling 为研究超高温对氮化硅陶瓷本身的腐蚀性,需研究氮化硅陶瓷穿透器将高温熔融态电石引出后的流速大小㊂液体流速通过K-Omega 湍流模型计算,湍流动能k 见式(1),湍流耗散率ω见式(2)㊂∂(ρ-㊃k )∂t +∂(ρ-㊃k ㊃u i )∂x i =∂∂x j
Γk ∂k ∂x j ()+G k -Y k (1)∂(ρ-㊃ω)∂t +∂(ρ-㊃ω㊃u i )∂x i =∂∂x j Γk ∂ω∂x j ()+G ω-Y ω
(2)其中Γk =μ+μt σk Γω=μ+μt σω
ìîíïïïï(3)μt =α㊃ρk ω(4)
1082㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷
G k =μt ㊃S 2G ω=α㊃ωk ㊃G k {
(5)式中:Гk 为湍流扩散项,Γω为ω的扩散率,Y k 和Y ω为可压缩修正项,σk 和σω为常数,S 为表面张力系数,α为修正系数,μ为黏滞性系数,μt 为涡黏性系数,ρ-为流体体积分布的平均密度,G k 为平均速度梯度所造成的紊动能项,G ω为电湍流耗散率,t 为时间,i ㊁j 分别代表不同方向,u i 为速度分量㊂计算结果如图6㊁7所示,由图6迭代可看出,约90步迭代后计算结果收敛㊂图7为流出速度二维图㊂由图7可以看出,液体流速变化不大,液体中心流速较周围快,约为4m /s,熔融态电石与氮化硅陶瓷穿透器
没有相互影响
㊂图6㊀流出速度迭代示意图Fig.6㊀Iyeration diagram of outflow
velocity 图7㊀流出速度二维图
Fig.7㊀Two-dimensional display of outflow velocity 2.3㊀热固耦合
热传递可分为热传导㊁热对流㊁热辐射三种基本方式,本文根据有限元基本理论给出稳态发热-导热问题的微分方程,根据氮化硅陶瓷穿透器物理特性建立相应模型后赋值,并根据现场环境进行了载荷添加,在数次迭代过程中输出结果㊂
在稳态分析理论中,认为任意节点的温度保持恒定,其对应的平衡方程如式(6)所示㊂([K ]+[S ]+[R ]){T }=[P ]+[N ](6)式中:{T }为节点温度向量,[K ]为导热系数矩阵,[S ]为对流系数矩阵,[R ]为辐射率矩阵,[P ]为所加的线性热载荷,[N ]为与温度有关的非线性热载荷[12]㊂钻孔过程中,由于材料紧密结合,故本仿真过程中忽略材料接触热阻,根据傅里叶定律和能量守恒定律,
结构体内部某点处的温度变化规律可用式(7)所示㊂
ρC p ∂T ∂t =σ∂2T ∂t 2+σ∂2T ∂y 2+σ∂2T ∂z 2(7)式中:T 为传热体某一点的温度,t 为时间,ρ为材料的密度,C p 为材料的等压热容,σ为材料的导热系数,y ㊁z
分别代表不同方向㊂
2.3.1㊀对流换热对流换热问题的数学描述主要包含对流换热微分方程及定解的条件,对流换热微分方程包含质量守恒㊁
动量守恒及能量守恒三大守恒定律表达式[13]㊂质量守恒方程如式(8)所示㊂∂u ∂x +∂u ∂y =0(8)动量守恒方程如式(9)㊁(10)所示㊂ρ∂u ∂τ+∂u ∂x +∂u ∂y ()=F x -∂p ∂x +v ∂2u ∂x 2+∂2u ∂y 2()(9)
第3期赵㊀晴等:电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器受力特性有限元模拟
1083㊀ρ∂v ∂τ+∂v ∂x +∂v ∂y ()
=F y -∂p ∂x +v ∂2v ∂x 2+∂2v ∂y 2()(10)能量守恒方程如式(11)所示㊂∂t ∂τ+u ∂t ∂x +v ∂t ∂y =σρC p ∂2t ∂x 2+∂2t ∂y 2()(11)
式中:F x ㊁F y 分别为体积力在x ㊁y 方向的分量,v 为流体的动力黏度[13],τ为液体表面应力,u 为流速,C p 为恒压热容,ρ为密度,x ㊁y 分别代表不同方向㊂3㊀结果与讨论3.1㊀耦合结果
设置炉体内部温度为1800ħ,外部温度为25ħ,对流换热系数为1ˑ10-4W /(mm 2㊃ħ)㊂炉内温度分布如图8所示㊂温度分布由内至外逐层递减,最高温度为1800ħ,最低温度为27.851ħ㊂
对炉内温度分布进行数值分析,从炉内开始,以炉体厚度为横坐标,温度为纵坐标,使用非线性曲线拟
合,拟合结果如图9所示
㊂图8㊀电石炉内壁温度分布Fig.8㊀Temperature distribution on inner wall of calcium carbide
furnace 图9㊀炉体温度拟合曲线
Fig.9㊀Furnace body temperature fitting curve 从图9中可以看出,随着电石炉厚度增加,温度下降,厚度每增加30mm,平均温度降低约200ħ㊂下降梯度拟合曲线近似为一次函数,可表达为
y =y 0+A ˑsin(pi ˑ(x -x c )/c )(12)
式中:y 0㊁A ㊁x c ㊁c 均为函数拟合过程中所产生的参数,y 0=-2924.404ʃ20791.18,x c =-15263.03ʃ
38555.12,c =16009.82ʃ41679.02,A =33696.69ʃ88929.44㊂所流出熔融态电石温度对氮化硅穿透器温度的影响如图10所示㊂由图10可看出,随着熔融态电石流出时间的增加,氮化硅穿透器温度随x 轴正方向温度逐步增加,并于18s 后趋于稳定㊂该稳定时间有利于对氮化硅穿透器受热时间进行准确定义并通过进一步计算得出受热与受力状态下氮化硅穿透器的形变量㊂
3.2㊀形变量仿真结果
氮化硅与氧气反应生成二氧化硅能够阻止氮化硅的进一步氧化,氮化硅在1400ħ高温环境中依然可以保持原本的硬度㊁强度,且受热后不会融化,1900ħ高温环境中才会分解,因此氮化硅在高温情况下受力后形变量近似相等㊂仿真结果中氮化硅陶瓷穿透器整体未出现裂痕,氮化硅陶瓷可作为高温环境下的可靠材料㊂
结合图2可知下降曲线图像为非线性递减凹函数,仿真过程中采取图2曲线取点方式进行模拟㊂图11为氮化硅陶瓷穿透器各参数随温度的变化曲线㊂由图11可以看出,氮化硅的密度㊁弹性模量㊁泊松比㊁各向异性㊁热导率等性质随着温度上升而下降,下降趋势趋近于线性递减曲线㊂最高形变量㊁最低形变量及平均形变量均随温度增高而降低,下降趋势平缓㊂其中25ħ时最高形变量为3.12mm,最低形变量为2.88mm;
1084㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷925ħ时最高形变量为3.02mm,最低形变量为1.6mm;1800ħ时最高形变量为2.95mm占穿透器整体长度的0.6%,最低形变量为0.64mm占穿透器整体长度的0.15%㊂
图10㊀熔融态电石温度对氮化硅陶瓷穿透器温度分布的影响
Fig.10㊀Effect of molten calcium carbide temperature on temperature distribution of silicon nitride ceramic penetrator
㊀第3期赵㊀晴等:电石炉取样条件下氮化硅陶瓷穿透器受力特性有限元模拟1085
图11㊀氮化硅陶瓷穿透器各参数随温度的变化曲线
Fig.11㊀Curves of various parameters of silicon nitride ceramic penetrator changing with temperature 图12为不同温度下氮化硅陶瓷穿透器形变量㊂由图12可以看出,1800ħ时受力面形变量相对于接触面要更大,形变量沿x轴正方向逐渐减小㊂25ħ时整体形变量沿z轴正方向递增㊂
图12㊀不同温度下氮化硅陶瓷穿透器形变量(单位:mm)
Fig.12㊀Deformation of silicon nitride ceramic penetrator at different temperatures(unit:mm)
4㊀结㊀论
1)当炉内温度为1800ħ㊁外部温度为25ħ㊁对流换热系数为1ˑ10-4W/(mm2㊃ħ)时,对穿透器施以700N,即2.8ˑ10-3MPa压力后,氮化硅陶瓷穿透器可以抵御电石取料过程中的高温,最高形变量为2.95mm,变化率为0.6%㊂
2)熔融态电石流速变化可以判定其是否会对氮化硅陶瓷穿透器造成影响㊂当电石炉眼被穿透器击穿,熔融态电石以4m/s的速度流出㊂熔融态电石与氮化硅陶瓷穿透器之间不会相互作用,氮化硅穿透器性能在该条件下趋于稳定㊂
3)随着炉体厚度增加,电石炉体内部至炉体外部温度逐渐降低,厚度每增加30mm,平均温度降低约200ħ㊂
4)氮化硅陶瓷穿透器自身温度受熔融态电石流出的影响,随着时间增加,穿透器温度上升,上升过程约为18s,18s后穿透器温度趋于稳定㊂
5)在温度为25~1800ħ时,穿透器形变量不会发生改性,因此,高温条件下氮化硅陶瓷可作为电石炉取料的穿透器㊂
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