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热处理工艺装备的设计不仅影响工件处理后的质量，也影响到热处理设备的使用寿命和使用效率。传统的热处理工艺装备设计大多依靠经验数据，工量量大、周期长、效率低、费用高、缺少科学性和预见性。随着计算机技术在热处理领域当中的广泛应用，对过程进行计算机模拟，可减少实验次数，提高效率，优化配置资源，使热处理工艺装备的设计由经验型向科学计算型转变，提高了热处理工艺装备设计的科学性和精确性。
+ A+ Y L) O" U' w2 |) E- h V# g 本文通过上海交通大学热处理与表面改性工程技术研究中心运用计算机模拟技术在淬火槽设计、渗碳加热炉设计和大型工件在装备条件限制下的工艺设计等几个近期的研究实例，对计算机模拟技术在热处理工艺装备巾的应用潜力加以说明。 , m. M. K6 @$ _+ l! W% J8 R, C
7 [( C" G# ~' M4 T& U 一、淬火槽流场模拟与改进设计
- k. ~# C! Y- |% ]. Y淬火槽内介质流动情况直接影响工件淬火质量。均匀的流场分布保证工件淬火均匀性，减小淬火变形。如何保证介质在工件淬火区域的流动强度和均匀性是淬火槽设汁的关键。图1为一种淬火槽的结构示意图，利用有限元方法对淬火槽内的介质流场的流动情况进行模拟，可以直观地了解结构上的改动所产牛的效果。图2为淬火槽底未加均流板情况下的流场分布。从速度云图可以看出，流场中间出现较大涡流，其不仅对工件与淬火介质换热情况不利，且对淬火均匀性也会有很大影响。为防止涡流的出现，设计了均流板，并研究了均流板形状对流场分布的影响。
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如图3所示，均流板的设置消除了图2中所示的涡流，但均流板附近仍有小型涡流产生；从流场速度方向分布上看，淬火槽内的流体流动情况并非十分理想。图4为均流板改进后流场分布，如图4所示，该设计下无涡流产生，流体流速较均匀。 二、加热炉的温度场的模拟. B; C9 t" D0 O$ [: w7 ^
设计加热炉时同样可以应用计算机模拟技术对不同设计方案进行研究。对加热炉的温度场的模拟，可以讨论不同设计方案对温度均匀性和节能的效果，有助于发现设计上不合理的地方。图5、图6分别是对大型井式渗碳炉的炉盖包裹隔热层和无隔热层设计的炉顶部分的温度场模拟。模拟结果显示，有隔热层炉盖顶部温度均匀且温度低，这将减少散热；炉盖底部温度较均匀且较高，显然有利于炉内温度场的均匀性。而未包裹隔热层设计，炉盖顶部温度均匀性不好，且局部温度很高，这势必增加对外散热；底部温度不均匀，也会导致增加炉内温度场的不均匀性。图7、图8分别是对两种炉底结构的温度场摸拟。图7所示为油封型炉底设计，该设计除在结构上带来一定的好处外，显然就刘温度场分析仔在不利的地方，其炉底外侧温度较高，散热相对将比较严重。相反图8所示的炉罐设计结构，从图8中温度场分布看，炉底外侧温度较低，有利于炉内温度的均匀和节约能源。
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为保证大型工件的渗碳质量，除了温度均匀性是一个重要的考量外，渗碳气氛的均匀性也是一个主要的因素，因此有必要对渗碳炉内渗碳气氛的分布情况加以研究。在本例子中应用流场动力学(CFD)的分析方法对大型井式渗碳炉不同设计方案下流场分布进行了求解，将不同方案下的气氛流通情况作了对比，为炉体以及装料盘的设计提供了参考。图9为大型井式渗碳炉模型网。 % G7 T- |& b1 I/ V2 E% V" F
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9 ]8 V+ g& M2 e( J+ f6 ^( \6 u" z我们分别对单风机、四风机的炉体设计进行了模拟，图10与图11分别为有导风桶情况下的单风机和四风机垂直截面图的速度云图(含矢量图)。从图10、图11中速度的分布来看，炉体采用四风机设计方案时，相对单风机来讲，仅在齿轮轮辐部孔的部位的气体流动速度有较明显的提高，而齿轮齿部的气体流动速度基本没有大的变化。而齿轮渗碳部分主要为齿部，所以四风机的设计方案的改善作用不明显。 7 A- M5 W! ~0 r, R/ O) {
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图12、图13是四风机有和无导风桶的炉体垂直截面的流场的速度云图(含矢量图)。从图12、图13中速度分布情况可以看到，有导风桶情况下在齿轮周围气体的流动速度较高；而无导风桶情况下齿轮周围的气体流动速度较低，尤其是下部的齿轮周边的气体流动速度很小。模拟结果显示，导风桶的使用可以明显增加齿轮周围气体流动强度，改善渗碳气氛分布效果；而没有导风桶，即使用四个风机，情况也不乐观。从图10至图12中还有一个启示值得关注，在大齿轮轮辐上的孔的位置，气体流速非常大，而此处通常并不需要渗碳，如果在装夹时把它们盖住，将有利于提高齿轮齿圈处的气体流速。
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2 i+ x/ {% K7 O( R) v$ r% G 四、特大型工件的特殊加热过程的计算机模拟 在一些非常特殊的情况下，计算机模拟技术可以发挥独特的作用，如125MN油压机主柱塞材料为45钢，重达150t。由于工件体积庞大，加工企业现有的加热炉功率不足以使其控制升温，难以达到一定厚度淬硬层的设计要求，因此需要制定恰当的加热工艺使其表面一定厚度处奥氏体化，然后进行淬火。为防止温度场梯度过大，首先需预热(500℃)，然后用计算机模拟计算，可得到保温过程中工件表面与心部以及炉气温度随时间的变化曲线(见图14)，从而确定恰当的保温结束时间。 奥氏体化阶段是以全功率加热升温，在获得要求的一定厚度的奥氏体层后喷水淬火。但是由于工件太大，无法控制升温，从而也就无法预先得知炉气温度变化情况，因此以一般的工件温度场模拟的方法，就遇到一个无法解决的困难，即不能确定工件的环境温度。为此我们采用了扩展域的概念。扩展域即将分析的对象从工件本身扩展到与工件相关的各个方面，通过它们之间的相互联系，再通过已知的某些条件来解决问题。本算例中就是通过加热炉与工件热流值建立关系，通过热流量的近似相等推导出炉中的环境温度。在计算中考虑了工件本身的材料物性参数、组织场的变化对加热冷却的影响，同时还考虑了加热炉与外界环境的热交换和保温材料物性参数对整个过程的影响。按照该思路对第二部分奥氏体化阶段的升温过程加以模拟，结果如图15所示。在实际生产过程中，对模拟计算得到的温度变化曲线进行了验证，炉气的温度变化和实测值吻合得很好。企业根据此计算结果进行处理，获得了良好的结果。 五、结语 与在工艺过程中的应用一样，计算机模拟技术在热处理工艺装备中的应用同样具有广阔的前景和实用价值。它有助于提高热处理工艺装备设计的科学性和预见性，使热处理装备向着高效、节能和智能化的方向发展。随着计算机模拟技术和热处理及相关领域理论的不断结合、不断成熟，计算机模拟技术在热处理工艺装备中的应用将更加广泛。 | 
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发表于 2009-5-23 10:58:14