真空高壓氣淬爐中淬火氣體壓力_流速和類型對工件冷卻性能影響的數(shù)值模擬.docx

第 48 卷第 6 期2011 年 11 月vol. 48, no. 6nov. 2011真 空vacuum真空高壓氣淬爐中淬火氣體壓力、流速和類型對工件冷卻性能影響的數(shù)值模擬 *王志堅, 尚曉峰（沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，遼寧沈陽 110136）摘要：本文運用 fluent 軟件，通過大量的計算機模擬，研究了真空高壓氣淬爐中淬火氣體壓力 、進口速度、氣體類型對工件冷卻性能的影響。 通過對比氮氣在 0 . 45 mpa 、0 . 6 mpa 、1 . 0 mpa 和 1 . 5 mpa 淬火壓 力下工件的冷卻速度，量化了淬火壓力對工件冷卻速度的影響程度 。 氮氣在 0 . 6 mpa 下，將氣體速度由40 m/s 增至 60 m/s ，工件冷卻速度提高 27 % ，但風(fēng)機功率增加 3 . 4 倍。 由于氣體體積流量一定的情況下， 淬火氣體比熱和密度的協(xié)同影響了換熱系數(shù)的大小，通過計算機模擬了四種淬火氣體氫氣、氦氣、氮氣和 氬氣對工件冷卻速度的影響，得出在相同氣體壓力和流量下，四種氣體的冷卻能力是：氮氣 氫氣 氦 氣 氬氣；在消耗相同的風(fēng)機功率下，密度小比熱大的氣體冷卻能力高，四種氣體的冷卻能力依次是氫 氣 氦氣 氮氣 氬氣。關(guān)鍵詞：真空高壓氣淬；溫度場；流場；冷卻速度中圖分類號：tg155 . 1文獻標(biāo)示碼：a文章編號：1002 - 0322（2011）06 - 0076 - 05numerical simulation of the effects of pressure, speed and type of quenching gas on theworkpiece cooling performance in vacuum high-pressure gas quenching furnacewang zhi - jian , shang xiao - feng( school of mechanicaland electrical engineering , shenyang aerospace university , shenyang 110136 , china )abstract : effects of thevacuum high pressure gasquenching gas pressure , inlet speed and gas type on the workpiece cooling performance in thequenching furnace was studied by a large number of computational simulation with the softwarefluent . by comparison of the workpiece cooling rates under different nitrogen quenching pressure of 0 . 45mpa , 0 . 6mpa ,1 . 0mpa and 1 . 5mpa , the influence degree of quenching pressure on the workpiece cooling rate was obtained . when the quenching pressure was 0 . 6mpa and the inlet speed increased from 40m / s to 60m / s , the cooling rate was improved by 27 % , but the fan power increased 3 . 4 times . when the gas volumn flow was certain , both the specific heat and density affected the heat transfer coefficient . by computational simulation of the effects of hydrogen , helium , nitrogen and argon four quenching gases on the cooling rate of workpieces , we knew that under the same pressure and flow , the cooling capacity of four gases is nitrogen hydrogen helium argon , but when the fan power is the same , the cooling capacity of low - density and high - specific heat gas is higher , and the cooling capacity of four gases is hydrogen helium nitrogen argon .key words : vacuum high- pressure gas quenching; temperature field ; flow field ; cooling rate影響高壓氣淬工件冷卻速度的因素很多，主要有爐子參數(shù)如淬火氣體壓力、 淬火氣體類型、 氣體流速、氣體流動型式和換熱器換熱能力等， 還要受到裝爐時工件的裝爐量、工件截面尺寸和 工件擺放方式等的影響。其中對冷卻速度影響最 為顯著的因素是淬火氣體的壓力和流速，也是二十世紀(jì)七八十年代國外研究較多的問題。如何使高壓氣淬爐的能力發(fā)揮到最高而制造和操作的 成本又最低是眾所關(guān)注的。本文通過計算機模擬 計算，研究淬火氣體壓力、流速和類型在氣淬工 藝中的重要性，掌握各參量的影響程度，從而達 到優(yōu)化淬火的工藝參數(shù)，使?fàn)t子設(shè)計改進到使用收稿日期：2011 - 08 - 31作者簡介：王志堅（1974- ），女，河南省安陽市人，博士，副教授。* 基金項目：沈陽市科技計劃項目（f11- 264- 56）；沈陽航空航天大學(xué)博士啟動基金。圖 1 淬火氣體壓力對工件冷卻速度的影響fig. 1 effect of quenchin g gas pressure on the workpiece cooling rate圖 2 1 . 5mpa 速度矢量圖(m/s )fig. 2 velocity vector field under 1 . 5mpa (m/s )圖 3 1 . 5mpa 下 t=180s 工件溫度分布圖（k）fig.3 temperature distribution of workpieces under 1.5mpa at t=180s(k)圖 4 淬火氣體流速對工件冷卻速度的影響fig.4 effect of quenching gas velocity on workpiece cooling rate through computer simulation第 6 期王志堅，等：真空高壓氣淬爐中淬火氣體壓力、流速和類型對工件冷卻性能影響的數(shù)值模擬 77 效率和操作成本達到最佳。力 1 . 5 mpa 下 冷 卻 時 間 為 180 s 時 的 溫 度 分 布圖，由于該結(jié)構(gòu)和邊界條件關(guān)于 x 軸和 y 軸對稱（坐標(biāo)軸如圖 3 中所示），為了減小計算機模擬計 算工作量，計算時在這兩軸方向各取結(jié)構(gòu)的一半。 從溫度分布圖中可以看出，噴嘴直接對著的第一 層工件冷卻速度比第二層快，但由于氣體渦流的 影響，第一層仍有一些工件冷卻速度較慢。單個工 件內(nèi)部存在溫差，中心溫度比邊界溫度高。淬火氣體壓力對工件冷卻速度的影響在氣淬過程中，工件的熱量主要靠循環(huán)氣體 的強制對流傳熱帶走，冷卻時間可表述為1 ：1（1）t = (wcp )/(fh )ln (t1- tf )/(t2- tf )式中 t1 、t2 工件起始溫度和經(jīng)冷卻時間 t 后的溫度 w 工件重量 cp 工件定壓比熱 f 工件表面積 h 對流換熱系數(shù)tf 氣體經(jīng)換熱器后進入爐膛的溫度 該式表明，在其它因素一定的情況下，對流換熱系數(shù)越大，淬火所經(jīng)歷的時間越短，冷卻速 度越快。而對流換熱系數(shù) h 與淬火氣體的性質(zhì)和 流過工件的氣體質(zhì)量流量等有關(guān)，可用一個簡化 方程表示：p 1h = k1cpg /d式中 k1 常數(shù)cp 冷卻氣體比熱p 2（2）g 冷卻氣體質(zhì)量流量, g = q 冷卻氣體密度q 冷卻氣體體積流量，在氣體類型一定 時，冷卻氣體密度可用氣體壓力 p 代替p1 指數(shù), 取 0 . 60 . 8d 冷卻表面的外徑p2 指數(shù)在其它條件不變時，式（2）可進一步簡化為：（3）h (pq )0 . 60 . 8該式表明，增大淬火氣體壓力是加快傳熱的有效途徑之一。 增大氣體壓力，傳熱系數(shù)按其（0.60.8）次方增加，工件的冷卻速度會有明顯提 高。圖 1 為計算機模擬計算在噴嘴流速為 40 m/s 不變情況下改變淬火氣體壓力對工件冷卻速度的 影響，從圖中可以看出，工件完成淬火過程 （從1503 k 冷卻到 430 k），在淬火壓力分別為 0.45 mpa、0.6 mpa、1.0 mpa 和 1.5 mpa 時，冷卻時間分別為522 s、445 s、273 s 和 234 s。隨著淬火壓力提高，淬 火介質(zhì)變稠，氣體密度增加，從工件上帶走的熱 量增多，工件冷 卻 速 度 變 快 。 將 淬 火 壓 力 由0 . 45 mpa 提 高 到 1 mpa 冷卻速度會有大幅度 提 高 ， 提 高 了 約 48 % , 但隨著壓力的繼續(xù)由 1 . 0 mpa 增 至 1 . 5 mpa ，冷卻時間減 少 程 度 變 慢，冷速只提高了 14 % 。 圖 2 為 淬 火 壓 力 為1 . 5 mpa 時軸面的速度矢量場，圖 3 為 淬 火 壓圖 5進口速度 60m/s 時速度矢量圖(m/s )fig. 5 velocity vector field at 60m/s inlet velocity (m/s )圖 6進口速度 60m/s 時溫度分布圖(m/s )fig. 6 temperature distribution at 60m/s inlet velocity (k)真 空vacuum第 48 卷 78 淬火氣體流速對工件冷卻速度的影響圖 4 為淬火壓力不變?yōu)?0 . 6 mpa，噴嘴出口 氣體速度為 40 m/s 和 60 m/s 時對工件冷卻速度 的影響對比曲線。當(dāng)噴嘴速度為 40 m/s 時，工件 完成淬火過程需要 445 s，速度增加 60 m/s 冷卻 時間減少到 325 s，可以看出噴嘴出口氣體速度 加大，工件冷速提高。噴嘴出口氣體平均速度為：2q（4） =式中 q 風(fēng)機流量 r 噴嘴半徑 n 噴嘴數(shù)nr2淬火氣體類型對工件冷卻速度的影響淬火氣體的熱物性參數(shù)對工件的冷卻速度 有一定影響。在相同的溫度和壓力下，一方面，要 求淬火氣體密度大，攜帶熱量的能力高，另一方 面，又要求淬火氣體密度小，可以減小通過淬火 回路流動時所需風(fēng)機功率；同時要求氣體比熱 大，能從工件上移去更多的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)大， 以減小氣體流動時對流傳熱邊界層的熱阻。四種 常用的淬火氣體是氫氣、氦氣、氮氣和氬氣，其性 能比較見表 1 。表 1四種淬火氣體性能比較 3 table 1 properties of four different quenching gases3噴嘴出口氣體平均速度主要由風(fēng)機流量決定。提高氣體壓力和增加氣體流速都需要以加大 風(fēng)機的功率作為代價，功率的變化為2 ：p p q2n = qp p q3（5）（6）式中 p氣體通過系統(tǒng)時的壓力降，即風(fēng)機風(fēng)壓p 淬火氣體壓力 q 氣體體積流量 n 風(fēng)機功率式（6）表明，功率變化對氣體流量比對氣體壓 力更為敏感，氣體壓力增加一倍，風(fēng)機所需功率亦 增加一倍，而氣體流量增加一倍，風(fēng)機功率卻需增 加 8 倍，所以增加流量雖然對提高冷速有作用，但 消耗太大。對比圖 1 和圖 4，壓力從 0.6 mpa 增至1.0 mpa，功率需增加 1.7 倍，冷卻速率提高了 39% ，噴嘴出口速度由 40 m/s 升至 60 m/s，風(fēng)機功 率增加 3.4 倍，冷卻速率只提高了 27%?？梢姙榱?得到相同的冷卻效果，提高氣體壓力是比較經(jīng)濟 的。以前大多數(shù)單純靠提高流率的氣淬爐，應(yīng)該逐 步被淘汰，新型的氣淬設(shè)備應(yīng)該是高壓和高流率 的有效結(jié)合。圖 5 和圖 6 為淬火壓力 0 . 6 mpa、流 速 60 m/s 時流場及工件溫度場分布圖。從表中可以看出，氫氣是一種傳熱性能較好的氣體，但氫氣有爆炸的危險，工業(yè)熱處理很少 使用。氦氣也有很好的傳熱性能，但價格較貴，限 制了其使用。最常用的是氮氣，價格較便宜，較易 獲得，但由于密度大，循環(huán)氣體所需的風(fēng)機功率 受到限制，目前使用氮氣作淬火介質(zhì)的高壓氣淬 設(shè)備所能達到的最高淬火壓力為 1 . 0 mpa，隨著 工件對淬火性能要求的提高，已不再能滿足要 求。自二十世紀(jì)九十年代初人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移 到氮氣以外的氣體，如何能夠使這些氣體的熱物 性參數(shù)最好地搭配起來，達到最理想的淬火效 果，也是國際上近些年來研究的熱點之一。3.1在一定壓力和流速下不同氣體冷卻能力比較 從表 1 中可以看出，四種淬火氣體的比熱是氫氣 氦氣 氮氣 氬氣，如果以其中最常用的 氮氣的比熱為基數(shù) 1 ，那么四種氣體比熱比值為:13 . 7 ：5 ：1 ：0 . 5 ；四種氣體的密度是氫氣 氦氣 氮氣 氫氣 氦氣 氬氣。氮氣 完成淬火過程的時間為 445 s，氫氣為 480 s，氦 氣為 625 s，氬氣為 795 s。該模擬計算說明，對于 同一臺高壓氣淬設(shè)備，能夠承受的最大壓力受 限，如果不更換風(fēng)機，風(fēng)機流量一定，采用氦氣并 不能提高原來氮氣淬火的冷卻速度，但是風(fēng)機消耗 的功率卻能降低。如果以氮氣消耗的功率為基數(shù) 1， 根據(jù)相似定律，氮氣、氫氣、氦氣和氬氣消耗功率的 比值為密度比值：1：0.072：0.143：1.43，表明如果原 來 0.6 mpa 氮氣所需風(fēng)機功率是 110 kw，而采用氦 氣所需電機功率只有 15.7 kw。0 . 6 mpa 氦氣，而流速根據(jù)式（6）風(fēng)機功率換算為0 . 6 1 . 138 4033姨0 . 6 0 . 1625=77 m/s 的 冷 卻 曲 線 ，冷v =卻 時 間 為 375 s，3 為 氦 氣 淬 火 壓 力 為 2 . 0 mpa，流速換算為 50 m/s 的冷卻曲線，冷卻時間為 270 s。 模擬計算表明，同功率下氦氣的冷卻速度比氮氣 快。對比曲線 1 和 2 ，在同功率和同壓力下，氦氣 冷卻速度比氮氣提高了 16 。 對比曲線 2 和 3 ， 在相同的功率下，提高氣體壓力比單純增加氣體 流速冷卻速度提高了 28 。利用氦氣作為冷卻介質(zhì)，由于價格比較昂 貴，必須配備回收裝置和去除雜質(zhì)氣體的凈化裝 置，目前國外這種裝置已經(jīng)得到了開發(fā)利用，可 使氦氣連續(xù)使用 50 個周期以上4 ；而國內(nèi)對于以 氦氣作為淬火氣體的研究目前還處在空白狀態(tài)， 更多生產(chǎn)廠家和用戶仍傾向于使用氮氣，將氮氣 壓力提高至 1 . 5 mpa, 采用大功率大流量風(fēng)機，能 夠?qū)崿F(xiàn)比氦氣更好的冷卻效果。 圖 9 和圖 10 為 氦氣淬火壓力 2 . 0 mpa、進口流速 50 m/s 時流場 及工件溫度場分布圖。3 . 2在一定風(fēng)機功率下不同氣體冷卻能力比較在消耗相同的風(fēng)機功率下，密度小比熱大的氣 體冷卻能力高，四種氣體的冷卻能力依次是氫氣 氦氣 氮氣 氬氣。圖 8 為在相同的風(fēng)機功率下淬 火氣體冷卻能力的對比曲線，主要選用了氦氣和氮 氣兩種氣體對比，1 為 0.6 mpa 壓力，40 m/s 流速下 氮氣的冷卻曲線，冷卻時間為 445 s, 2 為 同 壓 力結(jié)論（1） 隨著淬火壓力提高，淬火介質(zhì)變稠，工 件冷卻速度變快, 但隨著壓力的繼續(xù)增加，冷卻 時間減少程度變慢；4真 空vacuum第 48 卷 80 （2） 提高淬火氣體的進口速度，即增加氣體流量，工件的冷卻速度將會加快，但氣體流量增 加一倍，風(fēng)機功率將增加 8 倍，消耗太大，可見為 了得到相同的冷卻效果，提高氣體壓力是比較經(jīng) 濟的，但過高的淬火壓力將給爐子的設(shè)計制造帶 來一定的難度，所以新型的氣淬設(shè)備應(yīng)該是高壓 和高流率的有效結(jié)合；（3） 風(fēng)機流量一定時，采用氦氣并不能提高 原來氮氣淬火的冷卻速度，但是風(fēng)機消耗的功率 卻能降低；在同功率和同壓力下，氦氣冷卻速度 比氮氣提高了 16 。參考文獻1 william w h . high pressure cooling performance invacuum heat treating furnaces is analyzed by new methodj . industrial heating, 1991 (3 ): 23- 27 .繆國良，謝極，王 振 栓 . 風(fēng)機水泵節(jié)能改造指南 m.北京:煤炭工業(yè)出版社，1996 ：51- 80 .psul h , wilfried r z. gas quenching tool steel j .adanced material & process , 1993 (2 ): 29- 31 .marcia a p, benoit l h, olivier d et al. improvements in the use of helium for vacuum quenching j. industrial heating,1991(10) :27- 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