閉式淬火水槽內(nèi)部流場分析及優(yōu)化

梁 寧

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械零件的性能和可靠性的要求越來越高。在材料成分特性一定的情況下，金屬零件的熱加工過程決定內(nèi)部性能。熱處理是熱加工的最后一道工序，決定著金屬零件的最終性能。

金屬材料的熱處理冷卻是一個極其復(fù)雜的過程，涉及到金屬學(xué)、熱處理原理、傳熱學(xué)、彈塑性力學(xué)等學(xué)科內(nèi)容[1]。在淬火過程中，由于介質(zhì)流速不均導(dǎo)致工件表面換熱不均勻而影響工件內(nèi)部瞬態(tài)溫度場及組織轉(zhuǎn)變不同，導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力等現(xiàn)象，嚴(yán)重的會在內(nèi)部出現(xiàn)裂紋等缺陷[2、3]。以往這方面的研究只能通過小試樣類比實驗方法推測淬火過程中檢測點的溫度場和流速情況，但因為物理試驗的不確定因素多，金屬工件溫度高，測量困難，而且由于實驗只停留在表面測量階段。因此，目前的淬火工藝分析大多依靠工程經(jīng)驗和定性分析。

二十世紀(jì)七十年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)仿真技術(shù)與多學(xué)科的交互滲透為解決各行各業(yè)的傳統(tǒng)遺留問題提供了新思路。淬火過程的計算機(jī)仿真將溫度場和流場等進(jìn)行耦合計算。在淬火過程中，淬火烈度（H） 對工件的淬火結(jié)果影響很大，它是淬火介質(zhì)的固有屬性，只取決于淬火槽內(nèi)介質(zhì)的流速和方向，不受零件尺寸和材料屬性的影響。淬火過程中工件表面介質(zhì)的流速是影響其換熱系數(shù)的重要因素，隨著介質(zhì)流速的提高，工件的冷卻速率和表面換熱系數(shù)也相應(yīng)得到提高[4]。因此，淬火能力的提升不僅僅取決于淬火介質(zhì)，提升整個淬火槽的循環(huán)冷卻系統(tǒng)是更加行之有效的途徑。

淬火水槽是進(jìn)行熱處理的重要設(shè)備，伴隨著現(xiàn)代熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展及目前行業(yè)內(nèi)嚴(yán)格的熱處理質(zhì)量、安全和環(huán)保要求，淬火水槽也逐漸朝多功能和自動化方向發(fā)展。優(yōu)質(zhì)的淬火水槽不但要求內(nèi)部介質(zhì)具有足夠的流動速度，達(dá)到所需要的冷卻能力，還要保證工件表面各處介質(zhì)的流速均勻，避免由于淬火不均導(dǎo)致的工件畸變和開裂。由于淬火介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，并且水槽內(nèi)部難以設(shè)置測量點，對淬火過程的研究造成很大困難。目前通常采用數(shù)值模擬手段來分析淬火水槽內(nèi)部流場的分布情況，探索對工件淬火質(zhì)量的影響因素，對指導(dǎo)淬火水槽設(shè)計、保證工件淬火質(zhì)量，以及實現(xiàn)智能化淬火工藝具有非常重要的意義。

本文以某閉式方形淬火槽為研究對象，該淬火槽底部安裝有8 臺不同規(guī)格的攪拌器，采用內(nèi)部循環(huán)水冷卻模式。針對該模型首先對淬火水槽進(jìn)行三維建模，隨后將三維模型導(dǎo)入進(jìn)行預(yù)處理和三維網(wǎng)格劃分，再利用流體力學(xué)計算軟件Fluent 對處理好的模型文件進(jìn)行仿真計算，最后將仿真結(jié)果文件導(dǎo)入到后處理軟件中，對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化分析，提取淬火區(qū)域內(nèi)部的流場分布情況。

1 淬火水槽內(nèi)部流場仿真

1.1 淬火水槽建模

該閉式方形淬火水槽長14.31 m，寬9.4 m，高4.08 m，水槽有效容積309 m3。該水槽采用內(nèi)循環(huán)冷卻形式，水槽內(nèi)布置有內(nèi)部循環(huán)管路和一臺排量為300 m3/s 的水泵，用于將工件近端熱水與遠(yuǎn)端冷水循環(huán)。底部安裝有三種規(guī)格的攪拌器共8 臺，分別為5 臺4 kW 攪拌器，5 臺7.5 kW 攪拌器和1 臺11 kW 攪拌器，負(fù)責(zé)給水槽內(nèi)介質(zhì)流動提供動力。水槽底部有一根注水管路，水槽兩側(cè)分別布置有溢流槽和溢流管路，分別利用2 臺50 m3/s 的溢流泵和2 臺300 m3/s 的溢流泵實現(xiàn)溢流功能（見圖1）。

圖1 淬火水槽三維模型

本文以長軸類大鍛件為例進(jìn)行仿真分析。據(jù)反應(yīng)在實際生產(chǎn)中存在水流流動緩慢，流速不均勻，槽內(nèi)循環(huán)不能滿足冷卻需求等問題，不能滿足大型軸類鍛件的淬火工藝需求。

1.2 淬火水槽流場仿真

筆者將上述三維模型導(dǎo)入到前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用的網(wǎng)格類型為TGrid 和Cooper 類型，網(wǎng)格元素為Tet/Hybrid。為了提高計算速度，在不影響計算精度的前提下，采取分段式網(wǎng)格劃分方法，在有效淬火區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，總計得到網(wǎng)格474 萬個（見圖2）。

圖2 水槽網(wǎng)格截面

將前處理好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent 中進(jìn)行流場仿真計算，設(shè)定穩(wěn)態(tài)計算，求解器采用工程上常用的K-epsilon（2-eqn）。預(yù)設(shè)水槽中已內(nèi)充滿淬火介質(zhì)（見表1）。

表1 淬火介質(zhì)物性參數(shù)表

分別對不同規(guī)格的攪拌器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，筆者給出仿真過程的設(shè)定參數(shù)（見表2）。

表2 淬火槽攪拌器參數(shù)表

1.3 模擬結(jié)果分析

提取仿真結(jié)果文件中各個管路出口處的流量和流速，與理論值對比（見表3）?？梢钥闯鲈撃Ｐ偷姆抡娼Y(jié)果與理論偏差不大，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

表3 各出口模擬值與理論值對比表

選取淬火槽中界面A 作為典型界面來分析工件附近的流場情況（見圖3），得到截面工件附近的速度云圖（見圖4）、速度場云圖（見圖5） 和淬火工件各表面換熱系數(shù)云圖（見圖6）。

圖3 截面A 的位置

圖4 A 截面的速度云圖

圖5 水槽內(nèi)介質(zhì)速度場云圖

圖6 淬火工件表面換熱系數(shù)云圖

由速度云圖可以看出，由于工件下方的攪拌器是整個淬火槽的主要動力來源，工件下方直接與攪拌器出口接觸的區(qū)域流速最快，平均速度可以達(dá)到1.1 m/s，而其他三個表面的平均流速卻只有0.25 m/s。因為工件上方?jīng)]有動力源，導(dǎo)致工件上方出現(xiàn)局部渦流現(xiàn)象，由于上方淬火介質(zhì)不流通，不能完成冷熱水的快速交換，該淬火槽內(nèi)的淬火介質(zhì)沒有得到充分利用，只有少部分介質(zhì)參與淬火過程，能源利用率低。

淬火工件表面冷卻介質(zhì)流速不均勻?qū)е缕浔砻鎿Q熱系數(shù)不同，最終導(dǎo)致工件達(dá)不到工藝要求。從淬火工件表面換熱系數(shù)云圖可以看出，由于不規(guī)則軸類鍛件中部為矩形，阻礙下方介質(zhì)流動，工件中間部分的表面換系數(shù)嚴(yán)重不均，工件兩側(cè)和頂面的表面換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于底面。該工件表面平均換熱系數(shù)為10 783.02 W/（m2·K）?？紤]采取優(yōu)化措施，提高工件兩側(cè)面和上面的表面流速，進(jìn)而提高表面換熱系數(shù)，以滿足工藝需求。

2 改造淬火水槽內(nèi)部流場仿真

2.1 淬火水槽結(jié)構(gòu)改造

通過仿真分析，考慮到淬火工件兩側(cè)和上表面沒有足夠的動力源來驅(qū)動淬火介質(zhì)的流動，在該淬火水槽的基礎(chǔ)上，筆者借鑒Jared C. Alexander[5]為埃爾伍德集團(tuán)研發(fā)的一種新型淬火系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)（見圖7），對該淬火水槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造。

圖7 Jared C.Alexander 的淬火系統(tǒng)方案

改造后的水槽模型（見圖8） 在工件左右兩側(cè)各增加6 根循環(huán)水管路，初選管道泵排量為1 400 m3/h。在工件上方新增6 臺攪拌器，為工件上方淬火介質(zhì)的流動提供動力源。

圖8 改造后的水槽模型

2.2 改造淬火水槽流場仿真

將建好的改造水槽模型導(dǎo)入前處理軟件Gambit 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計算效率，在不影響計算精度的前提下，對網(wǎng)格進(jìn)一步優(yōu)化，減少工件遠(yuǎn)端的網(wǎng)格密度，最終網(wǎng)格數(shù)量為225 萬。

改造后的淬火水槽模型，可根據(jù)淬火工件的具體尺寸調(diào)整新增循環(huán)管路和新增攪拌器的開啟情況。針對典型長軸類大鍛件，筆者將所有攪拌器和管道泵都投入使用，仿真分析改造淬火水槽的最大冷卻能力。

改造后，工件四周的表面流速得到很大提升（見圖9），解決工件頂部的局部渦流現(xiàn)象。分區(qū)域提取工件各表面冷卻介質(zhì)的平均流速數(shù)據(jù)，得到上表面為1.03 m/s，下表面為1.6 m/s，左表面為2.25 m/s，右表面為1.19 m/s。

圖9 改造淬火水槽截面A 的速度云圖

由工件表面換熱系數(shù)云圖（見圖10） 可以看出，由于5 個大功率攪拌器直接作用在工件底面，底面的表面換熱系數(shù)相對較高，其余三個面的換熱系數(shù)較為均勻。整個工件的表面換熱系數(shù)為17 386.82 W/（m2·K）。

圖10 淬火工件表面換熱系數(shù)云圖

3 仿真結(jié)果對比分析

筆者對比改造前后淬火槽的表面速度云圖和表面換熱系數(shù)云圖，列出兩者的對比數(shù)據(jù)（見表4～表5）。

表4 改造前后淬火工件表面流速對比表

表5 改造前后淬火工件表面平均換熱系數(shù)對比表

分析可知，改造后，工件上表面流速提高312%，工件上表面的淬火狀態(tài)明顯改善；工件下表面的攪拌器型號沒有調(diào)整，在各噴口的綜合作用下，下表面的流速增大了68.4%；淬火工件兩個側(cè)面的表面流速分別增加了286%和233%。可見，在水槽中增設(shè)循環(huán)管路不僅增大淬火工件側(cè)面的表面流速，還給整個水槽內(nèi)部的冷熱水循環(huán)提供了動力和路徑，提升了整個水槽的淬火能力。

對比改造前后淬火工件表面的換熱系數(shù)云圖，可以明顯看出，改造前淬火工件底面的換熱系數(shù)大于其他三個表面，不能滿足淬火工藝要求，淬火過程中容易因為工件各面冷卻不均而產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。水槽改造后，淬火工件各表面換熱系數(shù)滿足淬火工藝要求，且改造后工件表面平均換熱系數(shù)較改造前提高59.7%，提高了淬火效率。

4 工件托盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

淬火槽內(nèi)安裝有金屬托盤，該托盤有兩個作用，一是固定淬火工件在淬火槽內(nèi)的位置；二是可以將淬火工件架空，保證工件底面與淬火介質(zhì)接觸良好。筆者對該金屬托盤重新設(shè)計（見圖11），在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡可能減小托盤結(jié)構(gòu)對淬火效果的影響。

圖11 工件托盤

上圖中圓形區(qū)域為淬火槽底部攪拌器和工件托盤的相對位置。托盤在攪拌器的對應(yīng)位置開孔，排除托盤結(jié)構(gòu)對攪拌器的阻礙，同時，對托盤中間部位的加強(qiáng)筋加粗，以保證整個托盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（見圖12）。

圖12 工件托盤仿真流線效果圖

分別提取托盤改造前后淬火工件的平均表面換熱系數(shù)（見表6）。

表6 托盤改造前后工件表面平均換熱系數(shù)仿真數(shù)據(jù)對比表

可以看出，托盤改造后，消除了原托盤結(jié)構(gòu)對攪拌器出口流線的阻礙，改善了淬火槽的淬火效果，提升了冷卻能力，改造后工件平均表面換熱系數(shù)增大了12%，優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié) 語

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)對于優(yōu)化淬火槽內(nèi)部流場分布和提升淬火效率至關(guān)重要。在淬火槽內(nèi)部增設(shè)攪拌器不但加快淬火介質(zhì)的冷熱循環(huán)，而且消除淬火槽內(nèi)的局部渦流死區(qū)，增大工件表面的化熱系數(shù)，提升淬火效率。

改造后，工件外表面淬火介質(zhì)的流速達(dá)到1.0～2.25 m/s，滿足大鍛件的淬火工藝需求。

本文對某淬火水槽進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，對淬火工藝和水槽本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，為類似問題提供研究思路。