釹鐵硼時效處理真空爐結(jié)構(gòu)與料盒擺放優(yōu)化研究

邵宇嵩，趙新穎*，謝元華，杜雪峰，孫寶玉，段永利，楊雙，齊麗君

釹鐵硼時效處理真空爐結(jié)構(gòu)與料盒擺放優(yōu)化研究

邵宇嵩1，趙新穎1*，謝元華2，杜雪峰1，孫寶玉3，段永利3，楊雙4，齊麗君3

（1. 沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110158;2. 東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110167；3. 沈陽中北通磁科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110623；4. 沈陽鵬悅科技有限公司，遼寧 沈陽 110122）

為提升用于釹鐵硼時效處理的真空熱處理爐在冷卻階段的冷卻效率，采用FLUENT軟件對氣體流場進行數(shù)值模擬，對比了料盒擺放方式、料盒間隙、進氣口列數(shù)、出氣口個數(shù)與尺寸等對心部料盒周圍平均風(fēng)速的影響。結(jié)果表明：錯位擺放利于提高心部料盒側(cè)面風(fēng)速的均勻性；增加料盒間隙可提高平均風(fēng)速，但綜合考慮物料體積比，在軸徑向錯位且料盒間隙為20 mm時，具有較優(yōu)平均風(fēng)速；進風(fēng)口列數(shù)為13，且中間增加一個尺寸為110 mm×110 mm的出風(fēng)口時，平均風(fēng)速較大；在中間位置加設(shè)出風(fēng)口可改善出口附近渦流區(qū)的形成。

釹鐵硼；熱處理；數(shù)值模擬；料盒擺放；爐體結(jié)構(gòu)

釹鐵硼永磁材料因具有優(yōu)越的磁性能被廣泛應(yīng)用于軌道交通、艦船車輛、核電、航空發(fā)動機、航天裝備等行業(yè)，其剩磁、矯頑力、最大磁能積等磁性參數(shù)受釹鐵硼微觀組織結(jié)構(gòu)影響。為使合金產(chǎn)生有利于磁性能的相變，需對燒結(jié)后的釹鐵硼進行時效處理。研究表明：同種物質(zhì)組成的燒結(jié)釹鐵硼合金，經(jīng)時效處理，磁性能可提升幾倍，甚至更高[1]。經(jīng)時效處理后，釹鐵硼主相體積分?jǐn)?shù)增加，晶界變得清晰，晶粒尺寸逐漸均勻；顆粒狀富Nd相減小，富Nd相沿晶界均勻分布，成分趨于共晶富Nd相的成分[2]，矯頑力顯著提高。

時效處理溫度、保持時間、降溫速率等參數(shù)都對釹鐵硼的微觀組織結(jié)構(gòu)具有顯著影響。趙國仙[3]等研究了時效處理溫度對釹鐵硼矯頑力的影響，認(rèn)為600 ℃時可獲得較高的矯頑力。關(guān)于冷卻階段，羅筠[4]、王志堅等[5]對冷卻介質(zhì)種類、壓力和進口速度對冷卻效率的影響開展研究，認(rèn)為風(fēng)機流量一定時，用氦氣可降低風(fēng)機能耗，但氦氣較貴。提高爐內(nèi)壓力和氣體進口速度都利于提高冷卻效率。曹潤辰等[6]研究了工件擺放對冷卻效率的影響，給出了基本原則，但未對料盒間隙、形式等擺放方案進行優(yōu)化。目前的研究主要基于既有的熱處理設(shè)備，研究其工藝參數(shù)的影響，但爐體結(jié)構(gòu)是工藝實施的主體，爐體結(jié)構(gòu)、料盒形式與擺放顯著影響爐內(nèi)流場，決定了冷卻效率，進而影響釹鐵硼磁性能。

本文針對噴嘴流動式內(nèi)循環(huán)釹鐵硼時效處理真空熱處理爐，采用Fluent軟件開展了冷卻階段模擬研究，考察了爐體進風(fēng)口分布、出風(fēng)口結(jié)構(gòu)、出風(fēng)口尺寸、料盒大小、料盒擺放間隔等因素對爐內(nèi)流場及核心位置風(fēng)速的影響，優(yōu)化了真空熱處理爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和料盒擺放方式。

1 模型建立

1.1 真空熱處理爐爐體結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，某熱處理爐爐體內(nèi)設(shè)有圓柱形隔熱屏（Φ1 100 mm×2 000 mm），其內(nèi)部均溫區(qū)尺寸為600 mm×600 mm×1 400 mm，裝載片狀釹鐵硼的料盒置于均溫區(qū)內(nèi)進行時效處理。在冷卻階段，氬氣由分布在隔熱屏側(cè)壁的列進風(fēng)口進入均溫區(qū)（初始溫度1 150 ℃），流經(jīng)料盒周圍及間隙，在端部出口流出，經(jīng)由出口處的換熱器，冷卻后的氬氣將再次通過進風(fēng)口進入均溫區(qū)，在內(nèi)部完成循環(huán)。在固定風(fēng)機功率下（55 kW），研究進風(fēng)口列數(shù)、出風(fēng)口數(shù)量及中間出風(fēng)口尺寸對隔熱屏內(nèi)部流場風(fēng)速的影響，從而確定爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

圖1 部分爐體結(jié)構(gòu)模型

1.2 料盒形狀及擺放方式模型

如圖2所示，爐體均溫區(qū)內(nèi)料盒形狀及擺放方式共設(shè)計了4種模型：（1）料盒規(guī)整擺放（圖2(a)），料盒規(guī)格統(tǒng)一，尺寸均為200 mm×200 mm×350 mm；（2）料盒徑向錯位擺放（圖2(b)），料盒有2種規(guī)格，尺寸分別為200 mm×200 mm×350 mm、100 mm×200 mm×350 mm；（3）料盒軸徑向錯位擺放（圖2(c)），料盒有3種規(guī)格，尺寸分別為200 mm×200 mm×280 mm、100 mm×200 mm×280 mm、200 mm×200 mm×350 mm；

圖2 料盒形狀及擺放方式模型

（4）離散擺放（圖2(d)），料盒有3種規(guī)格，尺寸分別為200 mm×200 mm×350 mm、100 mm×100 mm×350 mm、100 mm×200 mm×350 mm，在軸徑向錯位的基礎(chǔ)上進一步減小料盒側(cè)向尺寸，形成與進風(fēng)口距離更近的間隙通道。針對4種料盒擺放方式模型，分別對間隙為10 mm、20 mm、30 mm時的流場進行模擬，比較不同錯位方式和間隙大小對風(fēng)速的影響。

1.3 控制方程

使用Fluent軟件中的-模型對真空熱處理爐內(nèi)部流場進行模擬，做如下假設(shè)：（1）忽略氣體密度變化產(chǎn)生浮升力對氣體流動的影響；（2）不計風(fēng)機的鼓風(fēng)時間和再充氣時間，爐內(nèi)氣體壓力直接達(dá)到工作壓力；（3）進風(fēng)噴嘴處風(fēng)速均勻。

對爐體內(nèi)部流場的模擬受料盒影響，屬于流固耦合問題，其質(zhì)量守恒方程[7]和動量方程如下：

式中：—流體密度，kg·m-3；

式中：—靜壓，Pa；

1.4 邊界條件

熱處理爐內(nèi)計算域以噴嘴為流體入口，進口處風(fēng)速主要由風(fēng)機性能以及進風(fēng)管道決定；每根進風(fēng)管道上設(shè)置6個進風(fēng)口，設(shè)置為速度入口，風(fēng)速為20 m·s-1，使用氬氣作為冷卻氣體，料盒壁面為無滑移壁面。爐體系統(tǒng)內(nèi)流場為內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，認(rèn)為風(fēng)機對氣體施加靜壓到達(dá)出口已被各種損失消耗掉[8]，出口壓力設(shè)置為101 325 Pa。

2 結(jié)果與分析

料盒冷卻主要通過對流換熱完成，在一定風(fēng)量和功率條件下，風(fēng)速決定了冷卻速率。在一定范圍內(nèi)提高風(fēng)速，可提高冷卻速率。冷卻過程中，核心位置料盒風(fēng)速最小，冷卻效率最低。本文以核心位置料盒（圖3(a)）為目標(biāo)，選取其各側(cè)面對應(yīng)間隙的中間面為風(fēng)速觀測面，即前風(fēng)速面①、上風(fēng)速面②、側(cè)風(fēng)速面③和后風(fēng)速面④（圖3(b)），采集各面平均風(fēng)速為特征風(fēng)速，并將其平均值（(①+2×②+2×③+④)/6）作為冷卻速率的衡量指標(biāo)，進行料盒擺放方式、爐體進風(fēng)口和出風(fēng)口結(jié)構(gòu)等參數(shù)的優(yōu)化。

2.1 料盒擺放方式對平均風(fēng)速的影響

4種料盒擺放方式主要改變的是間隙的貫通性。

圖3 核心位置料盒與風(fēng)速觀測面

在料盒擺放區(qū)，有3種典型間隙方向：（1）豎直縱向間隙，如圖4(a)中的截面Ⅰ（貫通）與圖4(b)中的截面Ⅲ（不貫通）；（2）水平縱向間隙，如圖4(c)中的截面Ⅴ（貫通）；（3）橫向間隙，如圖4(b)中的面Ⅱ（貫通）或圖4(c)中的面Ⅳ（不貫通）。由于進風(fēng)口在圓柱面上呈軸對稱分布，出風(fēng)口在圓柱兩端面，因此氣體自3種間隙向物料心部流入，經(jīng)由水平縱向和豎直縱向間隙向兩端流出。若核心位置料盒表面風(fēng)速快且均勻，則冷卻效率高。

對于規(guī)整擺放方式，氣體可自3種間隙由外而內(nèi)流入，在中軸位置碰撞后改變運動方向，沿水平縱向和豎直縱向間隙向兩端流出，圖4(a)是圖2(a)中截面Ⅰ處的風(fēng)速云圖，此時中間兩列料盒間隙中，由于氣流碰撞轉(zhuǎn)向而使風(fēng)速減小，不利于核心部位料盒的冷卻。

在徑向錯位擺放方式中，橫向間隙和水平縱向間隙是貫通的，這兩方向流入的氣體在軸線附近對沖，將導(dǎo)致氣體不均勻地流經(jīng)料盒表面，貫通間隙截面Ⅱ的流場風(fēng)速如圖4(b)所示，對料盒有一定的冷卻作用。徑向錯位擺放的豎直縱向間隙沿豎直方向不貫通，沿水平縱向貫通，如圖2(b)中截面Ⅱ所示，該錯位使橫向間隙中上下方向的進氣不形成對沖，直接由料盒壁面折射，進入縱向間隙流動，此時圖2(b)中的豎直縱向截面上的風(fēng)速云圖如圖4(c)所示，在中間固壁的阻擋下，氣流均勻地分布在上下層料盒表面，可均勻冷卻料盒。

對于軸徑向錯位擺放方式，除了豎直縱向間隙不貫通之外，其橫向間隙沿豎直方向也不貫通，上下方流入的氣體遇到料盒固壁反射與折射，從而使間隙兩側(cè)料盒表面風(fēng)速趨于均勻，如圖4(d)所示。水平縱向截面Ⅴ是貫通的，其風(fēng)速云圖如圖4(e)所示，風(fēng)速分布趨同，利于核心位置料盒的冷卻。

在軸徑向錯位基礎(chǔ)上獲得的離散擺放，具有貫通的橫向間隙，豎直方向不貫通的豎直縱向間隙，和部分貫通的水平縱向間隙。這三種間隙的貫通性對流場的影響與前述描述一致。因此從風(fēng)速分布來看，有錯位的擺放方式利于風(fēng)速均勻分布，使內(nèi)外料盒冷卻速度趨同。

在12列進風(fēng)口，4個出風(fēng)口的腔體結(jié)構(gòu)下，4種料盒擺放方式及不同間隙時，特征風(fēng)速面風(fēng)速平均值及該條件下物料體積比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同料盒擺放方式及間隙時的平均風(fēng)速與物料體積百分比

對每種擺放方式，平均風(fēng)速都隨間隙的增加而增加。其中規(guī)整擺放和離散擺放時風(fēng)速增加幅度較大，徑向錯位擺放和軸徑向錯位擺放時風(fēng)速增加幅度較小。規(guī)整擺放時，由于橫向和縱向間隙均貫通，氣流在通過間隙時不受阻礙，因此隨著間隙尺寸增加，風(fēng)速明顯增加。離散擺放時全部橫向間隙與部分縱向間隙貫通，且離散擺放使間隙數(shù)增加，通過核心料盒的氣體總量增加，風(fēng)速增加顯著。

離散擺放間隙為30 mm時平均風(fēng)速最大，達(dá)到1.46 m·s-1，但此時物料體積比僅為57.7%，裝料量太小，因此不考慮此種擺放。此外，徑向錯位擺放與軸徑向錯位擺放比其他擺放方式具有較高的平均風(fēng)速，且間隙寬度相同時徑向錯位擺放的平均風(fēng)速略高于軸徑向錯位擺放，但軸徑向錯位擺放時物料體積比高于軸向錯位擺放。綜合考慮平均風(fēng)速與物料體積比，軸徑向錯位擺放方式更佳。軸徑向錯位擺放在間隙寬度為20 mm時，綜合效果最佳，此時平均風(fēng)速達(dá)1.11 m·s-1，物料體積比為77.3%。

2.2 爐體結(jié)構(gòu)對平均風(fēng)速的影響

針對軸徑向錯位擺放方式，在間隙寬度為20 mm時，保持出風(fēng)口數(shù)量為4，對進風(fēng)口列數(shù)為12、13、14、15時的流場進行模擬，研究進風(fēng)口列數(shù)對核心位置料盒平均風(fēng)速的影響（圖6）。由圖6可知，在進風(fēng)口列數(shù)為13時，風(fēng)速最大，達(dá)到1.20 m·s-1。此外，當(dāng)進風(fēng)口與料盒間隙相對時，氣流更加容易進入間隙內(nèi)部，有利于心部料盒降溫，因此對進風(fēng)口進行優(yōu)化需注意進風(fēng)口與間隙的相對位置。

圖6 不同進風(fēng)口列數(shù)對平均風(fēng)速的影響

料盒保持軸徑向錯位擺放方式，在間隙寬度為20 mm、進風(fēng)口列數(shù)為13時，將出風(fēng)口增加為5個，模擬不同第5出風(fēng)口邊長（110、150、190 mm）下的流場分布。由圖7可知，4個出風(fēng)口結(jié)構(gòu)下，流場中靠近出風(fēng)口位置有小的渦流，導(dǎo)致氣體流動效率低，影響冷卻。在中間加設(shè)出風(fēng)口后，出口附近渦流得到顯著改善，間隙間流場更為均勻，且通過中間出風(fēng)口的風(fēng)速大于其他4個出風(fēng)口，有利于心部物料的冷卻。

圖7 出風(fēng)口數(shù)量對流場的影響

圖8為4個出風(fēng)口及3種不同第5出風(fēng)口尺寸下的平均風(fēng)速。5個出風(fēng)口時，隨第5出風(fēng)口尺寸的增加，平均風(fēng)速降低，這是因為出口尺寸過大，附近入口處的氣體不經(jīng)料盒及間隙就直接從出口流走，心部氣體通過量減小，冷卻效果不佳。當(dāng)?shù)?出風(fēng)口邊長為110 mm時，平均風(fēng)速大于4個出風(fēng)口情況，達(dá)到1.24 m·s-1，此時冷卻效果最優(yōu)。

圖8 不同出風(fēng)口結(jié)構(gòu)對平均風(fēng)速的影響

3 結(jié) 論

對釹鐵硼時效處理真空熱處理爐的冷卻階段進行數(shù)值模擬，考察了料盒擺放方式、料盒間隙、進氣口列數(shù)、出氣口個數(shù)與尺寸等對核心位置料盒平均風(fēng)速的影響，得出以下結(jié)論：

1） 對比規(guī)整擺放、徑向錯位擺放、軸徑向錯位擺放和離散擺放四種料盒擺放方式，錯位擺放方式有利于提高心部料盒側(cè)面風(fēng)速的均勻性；

2） 料盒間隙相同時，徑向錯位擺放和軸徑向錯位擺放的平均風(fēng)速相對較大；料盒擺放方式相同時，增加料盒間隙有利于提高平均風(fēng)速，但物料體積比隨之降低。綜合考慮均風(fēng)速與物料體積比，軸徑向錯位擺放且料盒間隙為20 mm時平均風(fēng)速較優(yōu)；

3） 在軸徑向擺放、進風(fēng)口數(shù)量為13時，核心位置料盒平均風(fēng)速較優(yōu)；

4） 在中間位置增加出風(fēng)口能有效改善出口附近渦流情況，使間隙間流場更為均勻；

5）當(dāng)采用軸徑向錯位擺放方式、間隙寬度為20 mm、進風(fēng)口列數(shù)為13、中間位置第5出風(fēng)口邊長為110 mm時，核心位置料盒平均風(fēng)速達(dá)1.24 m·s-1，冷卻效果最佳。

［1］周壽增. 超強永磁體[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 1999.

［2］譚春林, 白書欣, 張虹, 等. 回火處理對燒結(jié)釹鐵硼永磁材料組織和磁性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2002 (S1): 64-66.

［3］趙國仙, 宋曉平, 閆阿儒, 等. 時效對NdFeB燒結(jié)磁體的矯頑力和顯微組織的影響[J]. 稀土, 1997 (06): 30-33.

［4］羅筠, 康進武, 柳百成, 等. 工件氣體淬火過程數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝, 2007 (04): 63-67.

［5］王志堅,尚曉峰.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[J].真空,2011,48(06):76-80.

［6］曹潤辰,王婧,王琦,等.真空高壓氣淬爐流場和溫度場的數(shù)值模擬[J].熱處理,2014,29(01):54-58.

［7］張銳征,左永剛,肖杰,等.機動管線順序輸送混油優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].當(dāng)代化工,2021,50(7):1636-1639.

［8］王志堅,尚曉峰.空爐冷態(tài)和滿裝爐量下真空高壓氣淬過程流場與溫度場數(shù)值模擬和實驗研究[J].真空,2012,49(01):83-86.

Optimization Research on the Structure of Vacuum Furnace and the Layout of Loading Boxes During the Aging Treatment of NdFeB

1,1*,2,1,3,3,4,3

（1. Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110158, China; 2. Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 3. Shenyang General Magnetic Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110623, China; 4. Shenyang Pengyue Technology Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110122, China）

In order to improve the cooling efficiency of the vacuum heat treatment furnace for NdFeB aging treatment in the cooling stage, the gas flow field was numerically simulated. The influences of the layout of loading boxes, the gap between boxes, the number of gas inlets and outlets, and the size of outlets on the average wind speed around the inner box were studied. The results showed that dislocated layout was conducive to improving the uniformity of the wind speed around the inner box. The average wind speed was improved along with the increase of the gap width. At the same time, the loading rate was reduced by increasing the gap width. So the better average wind speed was obtained when the gap width was 20mm, the number of columns for inlets was 13, and an outlet (110 mm × 110 mm) was added. The outlet in the middle position was beneficial to avoid vortex.

NdFeB; Heat treatment; Numerical simulation; Layout of loading boxes; Structure of the vacuum furnace

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項資金（項目編號：2021JH6/10500066）；2020年沈陽市科技計劃（項目編號：20-202-1-13）。

2021-11-05

邵宇嵩（1998-），男，碩士研究生，遼寧省鐵嶺市人，研究方向：軍用材料制備與應(yīng)用。

趙新穎（1978-），女，副教授，研究方向：流體力學(xué)。

TG156.92

A

1004-0935（2021）12-1748-05