计算机模拟技术在热处理工艺装备中的应用（上）

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【摘要】  本文通过介绍计算机模拟技术在淬火槽设计、加热炉设计、渗碳炉设计和大型工件加热工艺设计当中的一些应用实例，阐述了计算机模拟技术对热处理工艺装备的发展的作用，指出了计算机模拟技术的应用可以提高热处理工艺装备设计的科学性和精确性，优化工艺装备的设计工作，使热处理向着高效、节能和智能方向发展。
) \+ ?& X& U/ k& A& p" M) S' _    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。
  i# r' v6 u0 b% D% J    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。
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$ r1 w; L0 c6 E8 z  ?    一、淬火槽流场模拟与改进设计
1 y$ J. `, Z( D' w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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6 h5 g) K" @! D* _3 C1 c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。
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+ a( Q4 n/ K, Z2 i) e    二、加热炉的温度场的模拟
% l, ^1 m6 v* T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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