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      陶瓷燒結降溫溫度場的有限元分析

      發布于:2023-09-27 21:19
      有限元分析

            石油測井是石油工業中最基本和最重要的環節。井下環境具有高溫、高壓的特點,地磁、地電等外界環境也會產生較大的干擾,導致一般材料的傳感器在井下作業時不能精確測量井下的數據。陶瓷材料的耐高溫性能極好,且具有優良的耐磨性和耐化學腐蝕性能,陶瓷優異性能能滿足井下復雜工況的作業條件,所以陶瓷傳感器在石油測井應用方面有極其廣闊的前景。本文針對石油測井陶瓷在燒結過程中經常遇到開裂的問題,應用有限元分析法研究陶瓷燒結過程中的降溫階段溫度場變化,分析不同的降溫曲線對陶瓷坯體內部溫度場的影響規律,為優化燒結工藝提出理論據。
            本文模擬燒結對象為石油測井陶瓷傳感器電極,成分為Al2O3。
            Al2O3陶瓷熱物性參數見表,彈性模量為200GPa,泊松比為0.3。
            已知陶瓷坯體在1200℃環境下保溫1h后進行冷卻。溫度載荷施加分為2類:(1)等斜率燒結曲線。從1200℃開始分別按照15°、30°、45°的燒結曲線加載,如圖1所示。(2)變斜率燒結曲線。切線斜率逐漸變大(上凸),切線斜率逐漸變。ㄏ掳迹。等時間下的直線斜率及變斜率燒結曲線對比圖如圖2所示。
            在降溫階段,降溫至30℃左右時不同燒結曲線下可以知道,最高溫度集中在圓孔的下端面區域,而兩端面最大圓角區域溫度值最低。這是由于傳熱過程中陶瓷體厚壁降溫比較慢,而薄壁區降溫比較快。在ANSYS熱分析后處理模塊中,溫度梯度表示單位長度內的溫度變化速率,溫度梯度越小表示受熱時間越長,在相變過程中產生的殘余應力就相對較小。在降溫結束階段,隨著燒結曲線斜率的增加,即降溫速率的變快,陶瓷坯體整體的溫度梯度數值有增大的趨勢。且切線斜率在一定范圍內波動時(約30°以前),溫度梯度數值變化幅度較小,切線斜率超過30°后,隨著斜率增加溫度梯度數值有明顯變大的趨勢。綜合考慮時間與燒結性能,選取30°燒結曲線為最佳。
            變斜率燒結曲線下的溫度場的分布將30°等斜率燒結曲線轉化為變斜率燒結曲線,說明變斜率燒結曲線對陶瓷燒結性能的影響,F選取垂直于薄壁區域中心且平行于陶瓷坯體前后兩端的截面為研究對象,進行溫度場的分析,截面如圖3所示。降溫過程中,不同燒結曲線下截面溫度梯度在1200s時刻分布云圖如圖4所示。從陶瓷坯體中選取4個有代表性的節點A、B、C、D如圖3所示,得到不同燒結曲線下溫度梯度隨時間變化曲線圖,如圖5所示。
            由圖5可知,在三種燒結曲線下,在同一時刻節點A溫度梯度數值始終最大,節點D次之,節點B、C溫度梯度相對較小,這是由于陶瓷坯體自身結構復雜,厚薄不一,薄壁區域傳熱快,而端面區域傳熱相對較慢。在降溫過程中,采用等斜率的燒結曲線,各節點溫度梯度隨時間有變大的趨勢,但變大的速率趨于平緩;采用下凹燒結曲線,各節點溫度梯度開始隨時間逐漸變大,達到一個最大值后溫度梯度隨時間逐漸減;采用上凸燒結曲線各節點溫度梯度隨時間逐漸變大,且變化趨勢越來越大。從數值上比較可知,采用下凹的降溫燒結曲線,最大溫度梯度為1800℃/m左右,小于等斜率曲線下的2020℃/m及上凸曲線下的3240℃/m。且在降溫終了階段,下凹曲線下溫度梯度數值為80℃/m左右,均遠低于等斜率曲線和上凸燒結曲線下的數值。
            結論:(1)不同等斜率的降溫曲線對陶瓷燒結性能有顯著影響,主要體現在采用斜率大(即升溫速率快)的燒結曲線,能減少燒結時間,但會增加燒結過程中的溫度梯度,降低陶瓷的燒結性能。針對本文的燒結對象,采用30°的燒結曲線為宜。(2)變斜率的降溫曲線會對陶瓷燒結產生明顯影響,采用下凹斜率的降溫曲線,能大大降低溫度梯度,提高燒結性能。


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