摘 要

本文借助于ANSYS数值计算软件对某材质的陶瓷保温砖分别用恒定风以及阶梯递减风温冷却条件下高温冷却过程中砖内三维温度场进行了数值模拟计算，而且还选定了几个典型计算结果用可以获得的解析解结果进行验证。结果表明，所得到的数值计算结果可靠、合理，然后对于阶梯风冷却的情况进行了一些讨论。所得到结果对于该材质保温陶瓷砖的实际冷却过程具有一定的指导意义。

本论文主要研究了使用ANSYS软件对于烧成后陶瓷保温砖在冷却过程中的温度场分布规律进行了温度场模拟计算。通过建立几何模型、生成有限元模型、施加约束条件、数值求解与数值解后处理等一系列程序后完成有关温度场计算，从而得到了烧成后的陶瓷保温砖在冷却过程中的温度场变化规律。

计算结果表明。制品冷却时内部温度始终是高于表面温度的，如果想在保证产品质量的前提下尽可能加快冷却，只有通过加快散热，具体的方法有增加风速、而且要选用适当的风温等。

本文的特色。模拟不同数据以寻求较为优化的冷却条件，加快冷却以及保证产品质量。

关键字。陶瓷，保温材料，数值计算，有限元法，温度场

Abstract

This thesis simulates 3D temperature field of a ceramic insulation brick in cooling process, which is taken under both constant air temperature and decreasing-by-step air temperature, by using the ANSYS numerical computation software. Then some typical computation results are chosen in order to verify their reliability with calculation results from analytical solution. This verification shows that the computation results obtained by the above software are reliable and reasonable. After then, further discussion about computation results, under decreasing-by-step air temperature, is taken. These results and their discussion may provide important guidance in actual cooling process for the ceramic insulation brick, as mentioned above.

This thesis mainly studies temperature field of the ceramic insulation brick in cooling process, which can be simulated by using the ANSYS software. The detail computation results of above temperature field process are taken based on related mathematical model, including generating their finite element model as well as applying constraint conditions, numerical solution and post-processing of numerical solution, so that to obtain the temperature distribution of the ceramic insulation brick in cooling process.

The computation results show that internal temperature of the products fired is always higher than that of their surface when they are cooled. If it is desired to speed up their cooling under the condition of the quality of the products, to accelerate heat dissipation is the only way to solve the problem, in more details, i.e. to increase flow velocity of cooling air, to choose appropriate temperature of cooling air etc.

Characteristics of this thesis are on simulating several circumstances to find optimized cooling condition, in order to speed up cooling process and to ensure quality of products.

Keywords: Ceramic, Insulation materials, Numerical computation, FEM, Temperature field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 隧道窑内陶瓷冷却过程的概述 1

1.1.1 液相中的再结晶 2

1.1.2 液相的过冷凝固 2

1.1.3 晶型转变 2

1.2 制品冷却速度 3

1.3 制品在冷却过程中可能产生的缺陷 3

1.4 本文主要研究内容 4

第2章 数学模型的建立与有限元法计算的一般步骤 5

2.1 数学模型的介绍 5

2.1.1 基本概念 5

2.1.2 数学模型的分类 5

2.1.3 建立数学模型 5

2.1.3.1 建立数学模型的一般步骤 5

2.1.3.2 建立数学模型的基本原则 6

2.2 材料研究中常用的数值分析方法——有限元法 6

2.2.1 有限元法的基本思想 6

2.2.2 有限元法的基本理论 7

2.2.2.1 加权余量法 7

2.2.2.2 变分原理和Ritz方法 8

第3章 ANSYS有限元分析软件简介 10

3.1 ANSYS软件的可分析类型 10

3.2 ANSYS软件的组成部分 10

3.2.1 前处理 10

3.2.2 加载和求解 11

3.2.3 后处理 11

第4章 温度场的数值模拟计算 12

4.1 传热学基础 12

4.2 坯体导热模型的建立 12

4.3 初始条件和边界条件 13

4.3.1 初始条件 13

4.3.2 边界条件 13

4.3.3 温度场的有限元法求解 14

第5章 利用ANSYS软件进行温度场模拟计算 17

5.1建立几何模型 17

5.2施加载荷 23

5.3数值计算结果的展示 25

5.4数值计算结果的可靠性验证 38

5.5 采取依次降低风温的方案来模拟实际情形 41

结 论 44

致 谢 46

第1章 绪论

传统上的陶瓷产品指以黏土为主要原料，并且与其他矿物经过混合、练泥、成型、烧成等多道工序以后制得的普通陶瓷产品，包括。日用陶瓷、建筑陶瓷、工业陶瓷^[1]。随着对节能减排要求的不断提高，新型保温陶瓷材料也发挥着越来越重要的作用，人们对其质量和性能的要求也越来越高。在本文中所研究的新型保温陶瓷材料是在大约1200℃的高温下烧成。而且，需要在配料中掺入特殊的发泡剂，然后，再自然发泡便生长而成。在它的内部，气孔之间相互不贯通而且不吸水，气孔的尺寸仅为毫米级，这就使得材料内部具有极高的孔隙率，在保温、隔声、隔热等方面性能突出。

1.1 隧道窑内陶瓷冷却过程的概述

如表1.1所示的是本次所研究产品的化学组成。

表1.1 本次所研究产品的化学组成

烧好的产品在进入冷却带后，冷却过程分为三个阶段。急冷、缓冷和快冷。在急冷过程中采用急冷气幕通过急冷喷嘴通入高速冷却风造成强烈的横向循环气流来均匀地冷却烧好的制品，这一过程有利于保留玻璃体以及防止Fe² 重新被氧化，也能够阻隔烧成带与冷却带之间气流交换，防止烧成带内烟气流至冷却带熏黑烧好的制品或防止冷却风进入烧成带降低窑温。缓冷段的窑内热空气从窑顶分散抽出，窑内冷却气流流动方式主要是横向循环，纵向气流较少。快冷是指在400℃以下，靠近隧道窑出口端的地方，鼓入一定量的冷空气，使产品快速冷却，从而提高生产速度^[2]。由此可见，三个冷却阶段温度不同，应当使采取依次降低风温的方案尽可能加快对流以达到最大冷却速度。

冷却过程中制品主要发生液相中的再结晶、液相的过冷凝固和冷却过程中的晶型转变。

如图1.1所示的是常温冷却制度曲线。

图1.1 产品冷却曲线

1.1.1 液相中的再结晶

在冷却过程的开始阶段，即产品从烧成带出来时候的温度1200℃冷却至850℃左右，此时陶瓷坯体中处于黏滞状态的液相随着温度不断地降低，液相的黏度不断增大。这时如果减缓坯体的冷却速度，则液相黏度变化不太明显。原因如下。一方面，在冷却初期，液相黏度较小，原子所受阻力小从而迁移较冷却后期容易，液相中不断重复着溶解与析晶这两个过程。另一方面，坯体表面的釉层也会因为冷却速度过于缓慢而引起析晶失透。因为，在冷却开始阶段，冷却速度不能太过于缓慢。

1.1.2 液相的过冷凝固

冷却过程中坯体从1200℃冷却至850℃左右时，在这期间如果冷却速度适当加快，则可以使得坯体中的液相由于快速冷却来不及析晶依旧处于黏滞的塑态，当坯体处于黏滞态时，不仅可以对快速冷却引起的应力起缓冲作用，同时还能够克服坯釉析晶的产生。当温度降至850℃以下后，坯体中的液相黏度逐渐增大，原子迁移需克服更大的阻力，直至不能迁移，而液相坯体也将随着温度的下降而由塑态逐渐转变为固态最终形成玻璃相。

1.1.3 晶型转变

坯体冷却过程中不仅发生再结晶和过冷凝固，同时也存在着晶型转变。其中从850℃到500℃这一阶段则是坯体冷却的危险时期。在573℃时，α-石英转变为β-石英往往伴有较大的体积变化，并且这一转化速度非常快。如果此时坯体的冷却速度也恰好非常快，极易造成坯体内部温度分布不够均匀，这不仅会形成较大的结构应力，而且坯体内部和表面也会因为温差过大将出现较大的热应力，从而会导致瓷坯出现炸裂缺陷^[3]。这种情况是绝对不能允许发生的。综上所述，当制品从1200℃冷却至850℃左右时，冷却速度可以尽量加快，不仅对产品质量有好处，而且还可以缩短冷却时间，提高生产效率。在850℃冷却至500℃时，冷却速度必须缓慢，以防止制品炸裂。从500℃冷却至150℃的过程中，坯体中的玻璃相随着温度降低而逐渐固化，其内部结构也开始定型，此时可以慢慢加快冷却速度至室温。

1.2 制品冷却速度

陶瓷制品在冷却带中冷却时，刚从烧成带出来的高温液相随着温度降低逐渐凝固成固相，在冷却初期制品处于塑性阶段，制品所处的塑性态可以抵消一部分因为急冷带来的热应力，因此在这个阶段可以加快坯体冷却速率。但是，在冷却到573℃左右时，制品中的石英正处于晶型转变时期，如果此时冷却不当，制品会发生体积收缩，所以在此阶段必须适当控制外界风温，尽可能地使坯体均匀地冷却，保证坯体内部温度分布均匀，否则会因为坯体收缩不均匀引起坯体各部分内应力相差过大从而导致制品开裂，冷却速度固然重要，但保证产品质量是首要前提。确定冷却速度主要取决于坯体厚度大小以及坯体内液相的凝固速度，所以在给出具体的冷却曲线时，必须要考虑这些因素，保证产品不会因为冷却不当而导致失败。陶瓷制品在冷却过程中，内外温度并不均匀，甚至内部温度分布也会有比较大的差异，另外，坯体冷却过程中往往还伴随石英晶型转变，这都是坯体冷却不均匀的原因。如果一味追求冷却速度而不考虑坯体的实际情况，坯体内部不仅会形成较大的结构应力，而且坯体内部和表面也会因为温差过大将出现较大的热应力，从而瓷坯出现炸裂缺陷。

1.3 制品在冷却过程中可能产生的缺陷

坯体在冷却过程中主要可能产生的缺陷是冷炸，一般出现在冷却带，原因是由于冷却速度过快导致坯体冷却不均产生较大的热应力。主要是在冷却阶段温度在573℃左右，石英发生晶型转变时冷却太快。想消除此种缺陷应按照实际过程确定合理的冷却速率，主要是控制573℃石英晶型转变时的冷却速率来解决。

另外还有其他形式的缺陷如针孔、起泡等，但是不属于冷却过程中的缺陷，故在此并不做过多详细的讨论。

1.4 本文主要研究内容

本论文主要研究了使用ANSYS软件对于烧成后陶瓷保温砖在冷却过程中的温度场分布规律来进行温度场模拟。通过建立几何模型、生成有限元模型、施加约束条件、数值求解和数值解的后处理等一系列程序后就完成有关温度场计算，从而得到了烧成后的陶瓷保温砖在冷却过程中的温度变化规律。借助于实验中的仿真图得到了相应的结论，并制订了初步的冷却曲线，对冷却过程提出了相应的建议和优化解决方案以供实际生产参考。

第2章 数学模型的建立与有限元法计算的一般步骤

现如今，科学技术的进步越来越依赖于数学的应用，数学的逻辑性、精确性和唯一性等特点能够使得被解决的问题更加定量化、精确化，各个学科与数学的结合大大提高了各学科的研究深度^[4]。

2.1 数学模型的介绍