压力烧结炉温度场均匀性优化及热区结构设计研究

　　1 绪论
 

　　1.1 研究背景与意义
 

　　压力烧结是在惰性气体(Ar、N₂)介质中，于数兆帕压力与一千余摄氏度高温协同作用下实现粉末致密化的关键工艺，广泛应用于硬质合金、氮化硅与碳化硅陶瓷、粉末冶金高速钢等材料的制备。与常压烧结相比，高压气氛能够有效抑制低熔点组元的挥发、闭孔中气体的迁移阻力显著降低，因而制品可获得接近理论密度的显微组织。
 

　　对于硬质合金这类对组织极度敏感的材料而言，烧结温度即便存在十余摄氏度的偏差，也足以引起 WC 晶粒长大速率、Co 相分布状态的显著差异，进而表现为硬度、矫顽磁力与抗弯强度的批次波动。换言之，炉膛温度场的均匀性直接决定了同一炉次内不同位置制品性能的离散程度，是制品良率控制的核心变量。
 

　　然而，压力烧结炉的热区结构远比常规真空炉复杂：一方面，高压气氛使炉内气体密度大幅上升，自然对流换热在总传热中的占比显著提高，温度场由纯辐射主导转变为辐射—对流耦合主导；另一方面，炉体两端的水冷电极、水冷炉盖与观察孔、热电偶引出孔等结构持续带走热量，形成难以消除的端部"冷阱"效应。加之装料舟皿与石墨料架对辐射路径的遮挡，炉内温度场的不均匀性成为长期困扰行业的工程难题。因此，开展压力烧结炉温度场均匀性优化及热区结构设计研究，兼具明确的理论价值与直接的工程经济意义。
 

　　1.2 国内外研究现状
 

　　炉温均匀性问题的研究大致沿着两条路径展开。其一是数值模拟路径，即通过计算流体动力学方法求解炉内耦合传热问题。早期研究多将炉膛简化为二维轴对称模型，并采用表面辐射(S2S)模型处理辐射换热，其计算成本较低，但难以刻画端部电极、非对称装料等三维效应。随着计算能力提升，三维模型配合离散坐标(DO)辐射模型、多孔介质模型描述石墨毡隔热层与料垛的做法逐渐成为主流，研究者开始将加热元件表面热流、气体参与性辐射、气氛压力对自然对流强度的影响统一纳入求解框架。
 

　　其二是结构优化与控制路径。学术界与工业界普遍采用的技术手段包括：加热元件沿轴向分区独立供电并实施端部功率补偿、隔热屏分层设计与端部加厚、增设端墙反射屏、引入循环风机与导流罩组织受控气流、在控温策略上由单点控温升级为多点热电偶加权控温或模型预测控制。
 

　　总体来看，现有研究仍存在两点不足：一是多数工作将结构参数与控温策略割裂讨论，缺少在统一框架下对"结构—流场—温度场"耦合机制的定量刻画；二是优化过程多依赖单因素试验或工程经验，缺乏以均温性与能耗为共同目标的系统寻优，导致"均温性达标但能耗显著上升"的现象时有发生。本文正是针对上述不足展开。
 

　　1.3 本文研究内容与技术路线
 

　　本文以一台卧式单室低压烧结炉为对象，按照"机理分析—建模验证—参数规律—优化设计—试验验证"的技术路线展开：首先剖析热区结构与温度场不均匀性的形成机理；其次建立并验证三维耦合传热数值模型；进而通过参数化扫描获得各结构因素对均温性的影响规律与敏感度排序；随后构建多目标优化模型并给出优选方案；最后通过炉温均匀性测试与烧结工艺试验对优化效果进行实证。

 

　　2 压力烧结炉热区结构与温度场形成机理
 

　　2.1 热区结构组成
 

　　压力烧结炉的热区(hot zone)是指由加热元件、隔热系统、承载结构及气氛循环通道共同围成的有限空间，其典型构成为以下几部分：
 

　　加热元件：低压大电流供电的等静压石墨发热体，沿炉膛圆周均匀布置，通过水冷铜电极穿过炉壳引入电流。石墨在高温下具有良好的抗蠕变性与电阻稳定性，是 1600 ℃ 以上工况的材料。
 

　　隔热系统：通常由内层石墨硬毡、中层石墨软毡、外层不锈钢反射屏构成的多层复合结构，其作用是将高温区与承压水冷炉壳隔离，同时抑制径向热损失。
 

　　承载与装料系统：包括石墨料架、舟皿、垫块及可能的石墨均热盘，制品以料垛形式分层摆放。
 

　　气氛循环系统：由循环风机、导流筒与炉内风道构成，用于在高压段组织受控气流，均化温度并促进脱蜡气氛的排出。
 

　　炉壳与冷却系统：双层水冷承压炉壳，内壁通冷却水，是炉内最大的热汇(heat sink)。
 

　　2.2 炉内传热路径分析
 

　　炉内传热由三种机制耦合构成，不同工况下其相对重要性差异显著：
 

　　辐射换热。​ 在 1000 ℃ 以上，辐射是主导的传热方式，其热流密度与温度的四次方成正比。加热元件、石墨料架、制品表面与隔热屏内壁之间构成复杂的封闭辐射系统，各表面的发射率、角系数决定了辐射能的分配。石墨材料的发射率约为 0.7～0.85，且随表面氧化程度与温度略有变化。
 

　　对流换热。​ 常压真空状态下气体稀薄，对流贡献几乎可以忽略；但在 6 MPa 的惰性气氛中，气体密度较常压提高数十倍，自然对流强度显著上升，炉膛上方易形成热气体滞留区，造成上下温差。此时若在循环风机驱动下形成强制对流，则可反过来成为均化温度的有力手段。
 

　　导热。​ 主要包括隔热层内的传导(石墨毡导热系数随温度升高而增大，1000 ℃ 时约为 0.2～0.5 W/(m·K)，且呈各向异性)、料架与制品内部的传导，以及经由水冷电极引出端的"热桥"导热损失。
 

　　2.3 温度场不均匀性的成因
 

　　综合上述传热机制，可将温度场不均匀性的成因归纳为以下六类：
 

　　端部散热效应。​ 炉膛两端的水冷电极、炉盖与隔热层的端墙直接接触冷却水回路，形成持续的热汇，端部区域温度明显低于中段。这是炉温不均匀最主要、也是最难消除的成因。
 

　　结构漏热。​ 测温孔、观察孔、气氛进出口等开孔处隔热层连续性被破坏，形成局部低温点。
 

　　自然对流分层。​ 高压下浮升力驱动的上升气流在炉膛顶部聚集，形成上高下低的温度梯度。
 

　　辐射遮挡。​ 料垛、舟皿与料架对加热元件的辐射形成遮挡，在背向元件一侧产生"阴影区"，且靠近元件区域存在局部过热风险。
 

　　隔热材料性能退化。​ 石墨毡在高温与气流冲刷下逐渐粉化、密度下降，且各部位老化程度不均，导致热损失分布随时间漂移。
 

　　控温策略滞后。​ 单点热电偶控温无法反映全炉温度场信息，当装料量、气氛压力改变时，原控温参数即失去适配性。
 

　　3 温度场数值模型的建立与验证
 

　　3.1 物理模型与简化假设
 

　　依据实际炉型建立全尺寸三维模型，计算域包括炉膛气体空间、加热元件、隔热屏、石墨料架与料垛、水冷炉壳内壁。为控制计算规模并保证物理合理性，引入如下假设：
 

　　炉内气氛为纯氩气，视为不参与辐射的透明介质，忽略气体辐射吸收与散射；
 

　　石墨毡隔热层按等效多孔介质处理，采用各向异性等效导热系数；
 

　　料垛区域按多孔介质处理，其孔隙率由实际装料方式折算；
 

　　加热元件以体积热源形式加载，其发热功率由焦耳热计算给定；
 

　　炉内流动按可压缩理想气体处理，重力项保留以刻画自然对流。
 

　　3.2 数学模型
 

　　控制方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程(N-S 方程，含重力源项)、能量守恒方程，以及描述辐射传递的离散坐标(DO)辐射方程。湍流模型经对比后选用 RNG k-ε 模型配合标准壁面函数——计算表明，在 6 MPa 工况下炉内特征雷诺数仍处于中等水平，该模型对浮升流与受控回流的预测精度优于标准 k-ε 模型，且与层流假设相比更能反映风机驱动下的掺混效果。
 

　　辐射计算采用 DO 模型，角向离散为 4×4、共计 64 个方向；固体表面按漫灰表面处理，石墨件发射率取 0.80，不锈钢屏取 0.35。所有固体材料的热物性(比热容、导热系数)均按温度分段函数输入。
 

　　3.3 网格划分与边界条件
 

　　采用多面体网格对计算域离散，对加热元件表面、隔热屏界面与料垛区域进行局部加密，最终网格总数约 380 万。进行了网格无关性验证：分别采用 280 万、380 万、520 万三套网格计算同一工况，有效加热区最大温差的变化幅度小于 0.4 ℃，认为 380 万网格已满足精度要求。
 

　　边界条件设置如下：水冷炉壳内壁取恒定壁温 45 ℃(由循环水温与流量折算)；加热元件按分区给定体积热源；循环风机按实测转速折算为动量源项；对称面按对称性处理；时间上采用瞬态求解以覆盖升温—保温全过程，时间步长取 10 s。
 

　　3.4 模型验证
 

　　在炉膛有效加热区内按九点法布置 K 型铠装热电偶，实测 1450 ℃ 保温阶段的稳态温度值。对比结果表明，15 个对比测点中，模拟值与实测值的最大偏差为 7.2 ℃，平均偏差为 3.1 ℃，相对误差均在 0.5% 以内；温度场的分布形态(端部低、中上部高)与实测结果一致。据此判定模型具备工程可用的预测精度，可用于后续参数化分析与优化。
 

　　4 热区结构参数对温度场均匀性的影响规律
 

　　4.1 加热元件分区与端部功率补偿
 

　　将原单一回路的加热元件改造为轴向三分区(两端为端部区、中间为中段区)独立供电，并定义端部补偿功率比 α 为端部区单位长度功率相对中段区的增量百分比。参数扫描结果显示：α 由 0 增至 18% 时，有效加热区最大温差由 18.6 ℃ 单调下降至 7.3 ℃；继续增大至 30% 时，温差反而回升至 9.8 ℃，且炉膛两端出现局部过热的反转现象。这表明端部补偿存在区间，过度补偿会将温度场的"两端低"翻转为"两端高"，本质上并未改善均匀性。
 

　　4.2 隔热屏结构
 

　　隔热系统的影响体现在两个维度。其一是层数与总厚度：在径向总热阻达到某一临界值之前，增加层数对均温性改善显著，但超过临界值后继续增厚，均温性收益迅速衰减而能耗与成本持续上升，呈现典型的边际递减特征。其二是端部与径向的差异配置：由于端部热损失路径更短、热汇更强，将端墙隔热层加厚 30% 所带来的均温性改善(温差降低约 3.5 ℃)，明显优于将径向隔热层整体加厚同等比例的效果(温差降低约 1.2 ℃)。在端墙内侧增设双层石墨反射屏后，端部热损失进一步降低约 14%。
 

　　4.3 加热元件排布间距
 

　　保持元件总数不变，将端部区元件的轴向间距相对中段区加密 15%，等效于提部区的发热体面密度。该措施与端部功率补偿形成互补：功率补偿改变的是能量输入总量，间距加密改变的是能量输入的空间分布。二者协同作用时，端部低温区的温度提升更为平滑，避免了单纯提高功率造成的局部温度尖峰。参数扫描表明，加密 15% 与 α=18% 组合时，最大温差可进一步降至 6.1 ℃。