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东北大学博士学位论文 摘要 提高真空高压气淬设备性能的研究 摘要 真空高压气淬热处理技术以其无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、 变形微小、热处理零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染无公害、自动化 程度高等一系列突出优点，成为二十一世纪最有发展前途的一种真空热处理技术。 而我国在真空热处理技术上主要以引进消化为主，相关理论及实际数据比较缺乏， 甚至成为我国在真空高压气淬领域进一步发展的障碍。 本文针对这一现状，从设备强度、流动和传热等方面对真空高压气淬炉进行 系统的理论研究，并应用实验与数值模拟相结合的方法以获得更详尽的信息，力 求为真空高压气淬技术的发展提供理论依据和应用参考。 真空高压气淬炉作为一种压力容器，炉体处在内、外压的反复作用下，特别 是内压较高的情况下，强度成为设计中的首要问题。本文对炉壳齿啮式快开结构 利用接触单元法对齿白j 的接触行为应用有限元软件a n s y s 进行数值模拟，对三维 有限元分析结果用分析设计中应力分类的思想进行应力评定：采用电阻应变仪测 定布片点应力值验证数值模拟结果，证明了结果的实用性和可靠性。将现有结构 的气淬压力提高至1 o m p a 进行有限元计算，找出提高压力需进行结构改进的设 计方向，为炉体的进一步合理化设计提供了可靠的理论依据和详尽的参考数据。 工件的冷却速度与均温性是真空高压气淬技术的关键指标，也是设计开发高 压气淬炉的依据它的实现不但靠整台炉的结构设计，还要靠合理选择动力装置。 而我们恰恰缺乏这些指标的详细数据，因为试验获得这些数据成本高，难度大， 甚至需要破坏工件，使得试验只能获得有限的炉型与工况下的数据。而进一步研 究开发高性能气淬炉无疑需要掌握炉型与各种参数对气淬性能的影响。针对这一 矛盾，将数值模拟引入高压气淬领域。虽然数值模拟在很多行业广泛应用，但在 高压气淬领域的应用尚在探索中，模拟方程的选择与边界条件的确定成为其中的 难点。本文以实验的方法，应用热线风速仪获得某炉型的流场分布，并采用在工 件中预埋热电偶获得工件的冷却曲线，在此基础上不断探索反复验证，获得适合 该领域的数值模拟方程及合理的边界条件，经过合理的物理简化应用g a m b i t 完成 一i 卜 模型的建立，在网格划分时既要考虑流固耦合传热时对小尺度网格的要求，又要 考虑计算机的计算能力、存储能力和计算代价，在应用专用流体计算软件f l u e n t 进行计算时，计算策略的确定同样重要，因为这是一个网格数量庞大、流固耦合、 非稳态问题，为获得精确的结果，要求较小的计算时间步长，没有一个好的计算 策略，耗费的机时是惊人的，势必难以完成更多的模拟工作。本文在做好前面两 项工作后，在4 节点高性能计算机工作站上完成计算工作。考察了各种参数对工 件冷却速度的影响，包括气淬压力、流速、淬火介质、淬火气体进口温度、喷嘴 布置、工件分布等，得到大量有价值的数据，为深入研究高压气淬技术打下了基 础。 风机和风道是高压气淬设备淬火介质的输送动力和通道，是影响设备性能的 关键因素。本文从真空高压气淬风机的选择、存在问题及设计思路等方面进行了 分析。本文也从理论上详细分析了风道流动机理，指出了现有风道结构的不足， 并应用f l u e n t 软件进行了数值模拟，找到了更好的结构形式，为高性能气淬设备 的研制开发提供了参考。 关键词：真空高压气淬数值模拟齿啮合式快开法兰结构流场温 度场 - i l l 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fv a c u u m h i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gf u r n a c e a b s t r a c t v a c u u mh i 曲p r e s s u r eg a sq u e n c h i n gh a sb e e no n eo f t h em o s tp r o m i s i n gv a c u u m h e a ti r e a t m e n tt e c h n o l o g i e si nt h et w e n t y - f i r s tb e c a u s ei tp o s s e s ss om a n yv i r t u e sa sn o o x i d a t i o n ，n od e c a r b o n i z a t i o n ，1 1 0d e a e r i f i c a t i o n ，n ol i p o l y s i s ，e x c e l l e n ts u r f a c eq u a l i t y , l i t t l ed e f o r m ，e x c e l l e n tc o m p o s i t i v em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，l o n g e v i t yo fs e r v i c e ，n o s o c i a le f f e c t so fp o l l u t i o n ，h i g ha u t o m a t i z a t i o ne t c i no u rc o u n t r yv a c u u mh e a t t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sl a g g a r da n di m p o r te q u i p m e n t sh o l dt h em a i ns t a t u s t h el a c k o ft h e o r ya n de x p e r i m e n td a t ah a sb e e nt h eo b s t a c l et od e v e l o pu l t e r i o r l yv a c u u mh i g h p r e s s u r eg a sq u e n c h i n gt e c h n o l o g y u n d e rt h es i t u a t i o n ，i no r d e rt op r o v i d et h et h e o r yb a s i sa n da p p l i e dr e f e r e n c ef o r t h ed e v e l o p m e n to fv a c u u n lh i 【g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g ，t h ea u t h o ra t t e m p t st o c o m b i n et h ee x p e r i m e n t a la n dc o m p u t e rs i m u l a t i v em e t h o d st or e s e a r c hs y s t e m i c a l l y t h ee q u i p m e n ti n t e n s i t y , f l o wa n dh e a tt r a n s f e re t c a sap r e s s u r ev e s s e l ，v a c u u mh j 【g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gf u r n a c ee n d u r e st h e a l t e r n a t i v ep r e s s u r e e s p e c i a l l yw h i l ep r e s s u r ei sh i g h e r , t h ei n t e n s i t yb e c o m e st h e p r i o rp r o b l e m u s i n ga n s y s f m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ea u t h o rs i m u l a t e st h e c o n t a c tb e t w e e nt h et e e t ho ft h et o o t h - l o c k e dq u i c ko p e n - c l o s u r ed e v i c eb yc o n t a c t e l e m e n tm e t h o d ，a n d 也e nt h ec a l c u l a t i v er e s u l t sa r ea s s e s s e d 谢t ht h es t r e s s l i n e a r i z e d m e t h o d t h er e s i s t a n c e $ 缸- a l na p p a r a t u si su s e dt om e a s u r et h es t r e s s e so fs e l e c t e d p o i n t st ov a l i d a t et h es i m u l a t i v er e s u l t s t h ea u t h o ri n c r e a s e st h ee x i s t i n gf u r n a c e p r e s s u r et o1 5 m p at od e s i g nv a l i ds t r u c t u r ef o rt h eh i g h e r - p r e s s u r ee q u i p m e n t t h ec o o l i n gr a t eo fw o r k p i e c e si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a r g e t so fv a c u u m l l i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gf i l i n a c e a n di td e p e n d so i ln o to n l yt h es t r u c t u r a ld e s i g n o ff u r n a c eb u ta l s ot h er e a s o n a b l ed y n a m i cd e v i c e b e c a u s eo ft h eh i g hc o s ta n d i v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t d i f f i c u l t i e so fe x p e r i m e n t ，w ec o l lo n l ya t t a i ns o m en u m b e dd a t at h a ta r ee n o u g ht o k n o w t h e d e t a i l s o f c o m p l i c a t e dg a s f l o w i t i s n e c e s s a r y t ok n o w t h e i n f l u e n c eo f k i n d s o fp a r a m e t e r so nt h eg a sq u e n c h i n gp e r f o r m a n c e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s i n t r o d u c e di n t oh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gf i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dw i d e l y , b u ti ng a sq u e n c h i n gf i e l di ti sf i r s ta n dt h ec h o i c eo fn u m e r i c a le q u a t i o na n d c o n f i r m a t i o no fb o u n d a r yc o n d i t i o n sm u s tb ea s c e r t a i n e d b ye x p e r i m e n t a lm e t h o dt o d e t e r m i n et h ef l o wf i e l dw i t ht h e r m a ll i n ea n e m o m e t e ra n dw o r k p i e c e s t e m p e r a t u r e w i m t h e r m o c o u p l e t h ea u t h o rc o n f i r m st h es u i t a b l en u m e r i c a le q u a t i o na n db o u n d a r y c o n d i t i o n s g a m b i ts o f t w a r ei su s e dt ob u i l dt h ep h y s i c a lm o d e la n dp a r t i t i o nt h eg r i d s c o n s i d e r i n gt h es i m u l a t i o np r e c i s i o na n dc o m p u t e rc a p a c i t y , t h e 酣ds i z es h o u l db e s u i t a b l e t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no f f l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n v o l v e si nl a r g ea m o u n to f 鲥d s ，f l u i d - s o l i dc o u p l e ，l r a n s i e n ta n a l y s i s u s i n gf l u i da n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n t ，i ti s n e c e s s a r yt od e t e r m i n et h ec a l c u l a t i v em e t h o da n dt i m es t e p t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n i sf i n i s h e do nf o u r - n o d ew o r k s t a t i o n n l ea u t h o rs t u d i e st h ei n f l u e n c eo fk i n d so f p a r a m e t e r so nw o r k p i e c e s c o o l i n gr a t e ，s u c ha sg a sq u e n c h i n gp r e s s u r e ，v e l o c i t y , g a s t y p e s ，i n l e tt e m p e r a t u r e ，n o z z l en a m b e ra n dp l a c e ，w o r k p i e c ed i s p o s a l t h e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c et od e v e l o p i n gv a c u t h nh i 啦p r e s s u r e g a sq u e n c h i n gt e c h n o g y t h ef a na n dw i n dt u n n e la r et h et r a n s p o r t a t i o np o w e ra n dt u n n e la n dt h e yd e c i d e t h ep e r f o r m a n c eo fv a c u u ml l i g hp r e s s u r e g a sq u e n c h i n gf u r n a c e c h o i c ea n d m o d u l a t i o no ff a na r ea n a l y z e da n dt h ea p p r o p r i a t i v ef a ni sa d v i s e d t h ea u t h o r a n a l y z e st h ef l o wt h e o r yo fw i n dt u n n e la n di n d i c a t e st h ed e f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n g d e s i g n s i m u l a t i n gb yf l u e n ta n a l y s i ss o r w a r e ，t h ea u t h o rf i n d st h e b e t t e r c o n f i g u r a t i o na n d i t p r o v i d e s av a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h e e x p l o i t u r eo fh i 【g h p e r f o r m a n c eg a sq u e n c h i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：v a c u u mh i 班p r e s s u r eg a sq u e n c h , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t o o t h - l o c k e d q u i c ko p e n - c l o s u r ed e v i c e ，f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d v 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：状、琶 日 期：山吐0 刃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形微小、 热处理零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染无公害、自动化程度高等一 系列突出优点，五十年来始终是国际热处理技术发展的热点，我国近三十年来亦 得到迅速发展。目前我国真空热处理设备的主要产品有真空油气淬火炉、真空高 压气淬炉、真空回火炉、真空钎焊炉、真空烧结炉、真空渗碳炉、离子渗碳( 氮) 炉和真空连续炉等，根据工业发展和技术进步的需求，结合我国的国情，真空高 压气淬热处理技术是其中应当集中力量发展急需适用的先进技术之一”1 。 真空高压气淬作为一种真空热处理技术，是在真空状态下将被处理工件加热， 而后在高压力高速率的冷气体中进行快速冷却使之硬化。它是二十一世纪最有发 展前途的一种真空热处理技术，是世界各国都高度重视的热处理技术的重要领域 。根据美国金属热处理学会、美国热处理研究院、美国能源部工业技术厅对美国 热处理工业2 0 2 0 年发展远景的预测“1 ，未来的热处理工业要有一流的质量，要提 高能量利用率，要做到工作环境良好、清洁无污染。这些预测为真空高压气淬技 术的发展提供了广阔的舞台和机遇，它既能使零件保持洁净( 表面无氧化无脱碳) 又免除了淬火后的清洗工序，无疑是“绿色热处理”技术“1 。 目前，在先进的工业国家如美国、德国、日本等，真空高压气体淬火技术已 成为高速钢、高合金模具钢热处理的主导工艺泐。我国在金属学及热处理等基础 理论研究和某些新工艺、新技术研究方面与工业发达国家相比差距并不大，甚至 在某些领域的研究上处于国际先进水平，乃至领先水平。但实际热处理设备和生 产水平上却存在不少差距，还没有完全扭转热处理生产的落后局面。因此解决真 空高压气淬技术发展中的难题，尽快结束我国在真空高压气淬领域的落后状态， 赶上欧美等工业发达国家成为一个迫在眉睫的课题。 沈阳真空技术研究所是目前国内研究生产真空高压气淬设备的主要单位，其 产品已销往国外，从某种意义上说，沈阳真空技术研究真空高压气淬设备代表了 国内同类产品先进水平。为进一步提高产品质量，向国际水平靠拢，沈阳真空技 东北大学博士学位论文 第一章 绪论 术研究所与东北大学合作，共同攻关，力图在影响气淬性能的流动传热关键环节 上取得突破。 目前，真空高压气淬热处理技术中，真空- j n 热技术己同趋成熟，人们更多关 注的是如何提高气体淬火的能力，使气淬能够达到油冷淬火和盐浴淬火的冷却速 度。随着计算机技术的发展，采用计算机模拟能快速有效低成本地解决实际问题， 尤其是淬火过程复杂的气体对流换热过程，通过模拟计算可以对影响高压气淬效 果的工艺参数提出合理的设计建议，能更好地控制淬火过程，达到满意的淬火效 果。这也是目前国内外研究的一个大方向。本文即是在此背景下，围绕快速换热 这个前沿核心问题，通过对各种气体参数及工件摆放方式进行模拟分析，总结规 律提出改进真空高压气淬设备性能和技术的措施。 1 2 真空高压气淬概述 真空环境中加热 高压气淬 筵 。 rl 时间t i m e 图1 1 真空高压气淬热处理过程图 f i g 1 1t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f v a c u u mh i r g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g 真空高压气淬技术具有油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点：1 ) 工件表面质 量好，无氧化、无增碳；2 ) 淬火均匀性好，工件变形小；3 ) 淬火强度可控性好， 冷却速度能通过改变气体压力和流速进行控制；4 ) 生产率高，省掉了淬火后的清 洗工作；5 ) 无环境污染等，使得真空高压气淬在近三十年时间内得到了迅速发展、 - 2 - 东北大学博士学位论丈 第一章绪论 推广和应用。 真空高压气淬热处理过程如图1 1 所示。将工件装入真空高压气淬炉中，用 真空泵将加热室抽空，达到一定真空度时开始加热，通常要经过预热使工件温度 和炉温相同，当工件达到奥氏体转化温度后保温，保温结束后阀门把抽气系统与 加热室隔开，然后向炉内和淬火回路充一定压力的淬火气体，打开鼓风机，强制 气体流入管道，通过淬火流道将冷气体喷到工件上，热气通过排气孔流经热交换 器冷却，通过连续的淬火回路反复循环来实现工件迅速冷却的金相要求，使工件 得到硬化。 为了使工件在热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都必须 先将工件加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后再以适当方式( 或速度) 冷却，以获得所需要的组织和性能。加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀性、 晶粒大小以及加热后未熔入奥氏体中的碳化物、氮化物等过剩相的数量、分布状 况等都对工件的冷却转变过程及转变产物的组织和性能产生重要的影响。随着人 们对真空加热过程的深入认识和真空热处理技术的不断发展，对真空高压气淬工 艺过程的改进主要集中在真空加热周期的加热温度和加热时间。例如在真空高压 气淬设备中引入真空低温对流辐射加热系统大幅缩短了真空加热时间。传统的真 空高压气淬设备，加热在真空中进行，主要靠辐射传热，而辐射加热只有在7 6 0 以上才能表现出明显效果，为了在低温下实现均匀而迅速地加热，采用往炉内 通入惰性或中性气体的方式来实现从1 5 0 8 0 0 时对流加热，即真空低温对流辐 射加热。对流辐射加热比单纯的辐射加热能减少5 0 的加热时间，缩短了整个淬火 周期，同时有效降低了加热工件内部的热应力，为减小工件变形提供了前提条件”。 长久以来，真空热处理人士对真空高压气淬技术更多关注的是高压气体淬火 阶段，高压气淬虽然具备许多油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点，但由于是气 体淬火，淬火烈度和冷却速度没有油冷淬火和盐浴淬火来得快，高压气淬能处理 何种材料工件、气冷后工件的硬度是否能达到需用要求、能淬透多大截面工件以 及如何能够提高气体淬火的能力，自上世纪八十年代以来人们一直在摸索，试图 通过大量的实验研究和从基础理论的角度出发得到一些规律和准则。 1 2 1 高压气淬淬火效果主要影响因素 淬火效果主要是指工件的冷却速度、淬火深度和淬火均匀性。冷却速度能保 一3 - 东北大学博士学位论文第一章绪论 证工件具有足够的硬度；淬火深度影响处理工件的尺寸和装炉量：淬火均匀性能 使工件具有均匀的硬度和最小的变形。 影响工件冷却速度的因素很多，主要有：淬火气体压力、淬火气体流量、淬 火气体类型、换热器的换热能力、炉膛结构和炉膛内工件布置方式等。其中对冷 却速度影响最为显著的因素是淬火气体的压力和流率，也是二十世纪七八十年代 国外研究较多的问题；而通过改变淬火气体类型来提高冷速的研究自二十世纪九 十年代初才开始，也是目前国际上研究的热点之一；炉膛结构和工件在炉膛内的 布景方式复杂，对冷却速率的影响最难定量描述。大量的实验结果表明”8 ”“1 ， 增大气体压力，工件的冷却速度会有明显提高。但随着压力的继续提高冷却时间 减少程度变慢。在德国、美国、日本等国家二十世纪七八十年代普遍采用的气淬 压力是0 5 0 6 m p a ，在该压力下基本能够满足工件疏散装炉时高速钢、热作模具 钢、冷作模具钢、有限截面马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的淬火硬度要求“”“”“”。 提高气体压力与增加气体流率对传热系数的影响是相同的。究竟是提高气体压力 来得容易还是增加流量来得容易，这在国外也引起过争议。美园强调加大气体流 量，通过采用较大的风扇、高容量风机、气体喷嘴或导气管引导气流来实现。他 们认为采用高流率气淬，降低了高压容器的设计难度，节省了6 0 7 0 的气体耗量 阻8 1 。欧洲则把重点放在提高气体压力上，采用高压气淬，他们认为提高气体压力 较增大流量所需增加电机驱动力少，还可在冷却过程对淬火压力随时进行调整来 控制工件变形。对于淬火气体流量对冷速的影响所进行的实验研究也较多，有关 实验结果表明脚嘲“”“州“，流量加大，冷速提高，但并不是随流量的无限增加冷速 在无限提高。四种常用的淬火气体是氢气、氦气、氮气和氩气，关于它们冷却能 力的比较所进行的实验研究也较多，有关实验结果表明“7 “”儿”“，其冷却能力依 次是氢气 氦气 氮气 氩气。提高换热器换热能力降低冷却气体的温度可以加快冷 却速度。”蚴。”，主要途径有：加大内外温差降低冷却水的温度和增大换热器换热 面积等。在工件材料一定的情况下，工件装炉量、形状和尺寸及排布方式对冷速 都有影响“”。s e g e r b e r g 和t r o e l l 在2 o m p a 的氦气炉中对装炉量对淬火速度 的影响进行了测试。”，实验表明，装炉量从3 0 k g 增到5 6 k g 时，淬火速度由4 5 s 降为4 0 c s ，下降了1 0 2 0 。工件截面尺寸大时，淬火均匀性差，淬火速度 慢汹1 。即使在不改变工件装炉量和尺寸对，工件分布也能影响冷速。在一个炉子 内，热交换系数并不是一个常数，而是存在着变化的，如在最大紊流气流方向， 可获得较大的传热，工件垂直气流方向排放比平行排放传热效果好“”。实验表明 东北大学博士学位论文第一章绪论 ”，炉区内工件的排布方式不同，如将工件分成两层或三层，每层内工件的传热 系数不同，层与层之间也存在差别。传热系数沿着气流的方向在减小，这是由于 气体吹过工件时在不断被加热的原因，如气流从顶部吹向底部时，三层排列时的 传热系数情况是：顶层 中间层 底层。 气淬压力不但影响工件的冷却速度，还将影响到其淬火深度。0 6 m p a 的气滓 炉在处理密集装炉的工件、低合金钢及大截面工具钢等时已显得无能为力，如气 淬a i s i h i o 工具钢时，在0 6 m p a 氮气下硬度达到5 0 h r c 的淬火深度为l l o m m ，1 o m p a 氮气下为1 3 0 m m ，而2 o m p a 氮气下可达1 7 0 m m 1 ，于是二十世纪八十年代末期， 在国外1 o m p a 以上的超高压气淬炉逐渐得到了研制开发和应用。在l - o 2 o m p a 的气压下，可使所有高速钢、热作模具钢、冷作模具钢、c r l 3 钢及一些油淬合金 钢都能在密集装料条件下进行淬硬处理。“。 影响工件淬火均匀性的主要因素是炉内气体的流动方式。常见的气体流动方 式有：单向流动型、交变流动型和向心( 喷嘴) 流动型“”。 嘲啪囱国母 ( a ) 单向流型( b ) 静态交变流型( c ) 动态交变流型( d ) 喷嘴型 图1 2 不同结构的气流方式 f i g 1 2v a r i o u sg a sf l o w i n ga r r a n g e m e n t s 最早出现的高压气淬设备只是在热室顶部有一个送气口，气流为从顶部流入， 从底部流出的单向流动，如图1 2 ( a ) 所示。这种结构型式简单，冷速较快，但 是产生的工件变形较大和硬度不均一，尤其当工件处于气流之中时。这是因为当 气流流过工件换热时，定向流动会产生气体脱体的现象，即同一工件上不同位置 表面接触状况不同，将不可避免地导致物体表面的温度梯度，产生变形。为了改 善这种情况，出现了气体的交变流型，交变流型有多种型式。如图1 2 ( b ) ，气 流交替从上、下静态阀门充入、流出，这种结构流阻小，冷却较均匀，气流方向 的控制一般采用时间控制，有时也可采用温差控制，但是这种结构可能会产生气 流的“回旋效果”，实验结果表明其冷却能力明显下降”。另一种交变流型结构 如图1 2 ( c ) 所示，顶部和底部各有一个可以左右摆动的动态气体分配器，气流 呈扇形扫过工件区，从不同角度吹向各个工件，使工件能够均匀冷却，克服了固 - 5 - 东北大学博士学位论文 第一章绪论 定喷吹时工件间的屏蔽的弊端，这种结构可大大减小工件变形，尤其处理大尺寸 的工件，但这种型式结构较复杂，制造较困难。喷嘴型气体流动型式如图1 2 ( d ) 所示。这种结构是沿着热室圆周3 6 0 。布置了多个喷嘴，气流从圆周各个方向吹向 工件，改变了单向流动的缺点，使整个热区空间得以均匀冷却，结构较简单。目 前国内外高压气淬炉多采用这种型式m 州3 小删咖。喷嘴的结构形状、尺寸、数量 及分布决定了气体的紊流程度。设计喷嘴时要尽量减少气体流动时的阻力损失， 强化气流冲击，保证工件冷却均匀性。”。 1 2 2 真空高压气淬设各和技术国内外研究概况 由于气体淬火的优越性、气淬过程理论的复杂性及影响淬火效果因素的多重 性，使得国际上自二十世纪七十年代起对于真空高压气淬设备的改进一直未间断 过。 1 2 2 1 国外研究情况 国外真空高压气淬设备研究起步较早，发展较快，技术和设备比较先进普及， 象美国、德国、日本、英国、瑞典等国家都有多个生产厂家。1 9 7 5 年，德国i p s e n 公司研制出第一台压力为0 2 m p a 的加压气淬炉，1 9 7 7 年又研制出第一台压力 0 5 m p a 的v t c 型高压气淬炉，该炉为单室卧式，气体流动方式为单向流型，后改 造成v t t c 型立式结构，气流交替从顶部和底部流入、流出；该公司的v u t k - 5 2 4 型带对流辐射加热系统的真空高压气淬炉，气流可以从上下和左右流入、流出炉 膛汹1 。美国h a y e s 公司生产的v c h 炉型是外循环喷嘴型炉，压力为0 5 m p a ，气 体流速为4 5 m s ，属大流率型气淬炉，换热器和风机都在炉外，冷却效果好，但占 地面积大。1 9 8 2 年，美国a b a ri p s e n 公司研制出圆周喷嘴喷射气体的0 5 m p a 高 压气淬炉；1 9 8 9 年，研制出0 6 m p a v t t c k 型高压气淬炉，具有对流加热辐射系统 及等温分级淬火控制系统，气体经可摆动气体分配盘流入。1 9 8 9 年，德国d e g u s s a 公司的v k s q 型气淬炉将淬火压力提高到1 o m p a 和2 o m p a ，对流辐射加热到7 0 0 ，对2 o m p a 的气淬炉，采用氦气或氦气、氮气混合气体冷却，并带有氦气回收 装置啪“。1 9 9 2 年，德国l e y b o l d 公司，研制出带有对流辐射加热系统和马氏体 等温分级淬火控制系统的双室真空高压气淬炉1 ，用氮气将压力提高到2 o m p a ， 用氢气将压力提高到4 o m p a ，研制开发的氦气回收系统正在使用之中。1 9 9 2 年， - 6 - 东北大学博士学位论文 第一章绪论 美国s e c o w a r w i c k 公司设计的v p t 型0 6 ，1 0 ，2 o m p a 真空高压气淬炉，也具 有对流加热系统和马氏体等温分级淬火系统，气体从圆周喷嘴喷射流入。1 9 9 3 年 和1 9 9 5 年，美国的a b a ri p s e n 公司和瑞典的i v f 公司也先后研制出2 o m p a 氦气 冷却的高压气淬炉。 国际上真空高压气淬技术和设备的进展都是基于最初的基础理论研究之上， 基础理论研究工作多是推导出工件冷却时间的基本表达式”儿”“3 ，决定工件冷却 时间的主要是气体与工件之间的对流换热系数，找出影响对流换热系数的主要因 素，如气体压力、流速、淬火气体性质等，通过增大对流换热系数来提高真空高 压气淬设备的性能。 1 2 2 2 国内研究情况 我国使用的真空气淬炉有很大一部分是从国外引进的。1 9 8 5 年我国由美国引 进一台压力为0 1 3 m p a 的加压气淬炉，1 9 8 6 年由德国引进一台压力为0 5 m p a 的高 压气淬炉，近几年高压高流率气淬炉的引进数量增加较快。国内在引进国外设备 的基础上进行仿制，设备质量得到不断提高和发展，以满足国内市场日益增长的 需求。 我国真空高压气淬设备的开发研制起步较晚，随着国外技术和设备的不断发 展，国内热处理界人士也逐步认识到了其优越性和重要性。我国自二十世纪八十 年代开始，有关科研院所及真空炉主要制造厂家开始投入大量的人力、物力着手 开发研制真空高压气淬设备，在引进和借鉴了许多国外先进技术设备之后，近二 十多年来发展也很迅速“。首都航天机械公司1 9 8 5 年研制出可充气0 1 5 m p a 的加 压气淬炉，1 9 8 8 年经改进将气冷压力提高到0 2 m p a ，1 9 9 1 年研制出高流率气淬炉 “。沈阳真空技术研究所于1 9 8 6 年研制出可充气0 2 m p a 的加压气淬炉“，并于 1 9 8 9 年研制出我国第一台充气压力可达0 6 m p a 的h p v 一2 0 0 型高压气淬炉，填补了 国产真空高压气淬炉的空白。目前其主要真空气淬设备有：0 6 m p a v q g 系列， 0 2 m p a v p g 系列，0 6 m p a 带对流加热系统的v q g d 系列等，许多设备销往国外“。 目前还致力于将气淬压力提高到1 5 m p a 的超高压气淬设备的研制。北京华翔机电 技术公司于1 9 8 9 年研制出我国第一台加压高流率气淬炉，又于1 9 9 1 年研制出高 压高流率气淬炉，还开发出具有低温对流加热装置的h d q 一7 0 型真空高压高流率淬 火炉。目前其主要产品有：压力为0 6 m p a 的h z q 系列高压高流率气冷真空炉，压 力为0 2 o 6 m p a 的h z q l 系列立式底装料气冷真空炉“。另外，还有北京华 - 7 - 东北大学博士学位论文 第一章绪论 海中谊真空炉制造公司研制的压力为0 6 t , l p a 的v g q 系列、v 0 ( ；q 3 系列高压高流率 气冷真空炉：北京机电研究所研制的压力为0 2 m p a 的w z j o 系列双室、w z d j q 系列 单室真空加压气淬炉，w z q - - 1 5 型双室负压高流率真空气冷炉。 目前，国产真空高压气淬设备的最高压力是o 5 o 6 m p a ，可满足大部分工模 具钢和高速钢工件的淬火要求h 9 1 。其部分技术指标已达到或接近国际先进设备的 水平，如炉温均匀性达到美国军标m i l 8 0 2 3 3 a 规定的要求在5 6 以内，压升 率指标一般能达到国际水平 1 3 3 p a h ，设备最高工作温度及极限真空度也能满足 用户的要求”。 1 3 齿啮合式快开法兰装置研究 快开装置是压力容器中常用的结构形式，它是将盖旋转某一角度或锁紧件移 动一定距离完成压力容器快速启闭的装置。由于不需要逐个拧紧或松开紧固件， 快开容器启闭时间短，物料装卸相当方便，因而在频繁间歇操作场合获得广泛应 用。快速开关盏的结构形式很多，按其原理大致可分为卡箍式、齿啮合式、压紧 式、剖分环式和移动式五大类o 。真空高压气淬炉工作时炉盖需要经常启闭，在 炉盖与炉体联接处采用启闭快、承压能力强的齿啮合式快速开关盖装置。 1 3 1 齿啮合式快开法兰结构的主要组成 1 顶盖2 顶堇法兰3 密封胶圈4 坝紧圈 5 篱体法兰6 篱体t 坝紧法兰曲8 顶董法兰齿 图1 3 齿啮合式快开装置 f i g 1 3t o o t h - l o c k e dq u i c ko p e n - c l o s u r ed e v i c e - 8 一 东北大学博士学位论文第一章 绪论 齿啮合式快开法兰结构如图1 3 所示。由筒体6 及简体法兰5 、顶盖1 及顶盖 法兰2 、锁紧圈4 和密封胶圈3 等元件组成。顶盖法兰和锁紧圈外缘上开有均布齿， 上紧时顶盖法兰齿从锁紧圈的齿间隙中插入，旋转锁紧圈与顶盖法兰齿在同一位 置时快开结构即进入上紧状态，依靠密封圈与上下法兰的过盈配合实现初始密封， 加压后可自紧密封。 1 3 2 齿啮式快开装置研究现状 齿啮合式快开法兰容器使用范围广，结构型式多，轴向力由齿与齿之间的接 触面来传递，是一个典型的接触问题，应力和变形的精确计算相当复杂。此外， 快开盖需要频繁启闭，容器受脉动载荷的作用，需要考虑疲劳。由于设计、选材、 制造、使用等方面的原因，此类容器的事故频繁发生。据有关文献呻1 介绍，齿啮 合式快开容器事故率占我国压力容器爆炸的三分之一，且后果相当严重。在国际 上只有日本制定了高压和超高压快速启闭密封装置的设计标准嘲1 ( 我国也颁布了 相一致的化工行业标准o ”) 。目前在用的大多数快开式压力容器属于中、低压容 器，尚无相应的标准可循。因此，国内外对此开展了大量的研究工作”1 。 压力容器的失效形式大致可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效 四大类“”。从齿啮式快开盖装置的结构和受力特点分析，齿啮式快开容器主要是 强度失效，其中又以韧性断裂和疲劳断裂为主。在顶盖与顶盖法兰连接处、筒体 与简体法兰连接处以及齿根部位为整个容器中最薄弱的部位，通常发生静强度不 足引起的韧性断裂和交变载荷引起疲劳断裂等。啮合齿局部或整体过载造成过大 塑性变形引起的滑脱，齿面接触疲劳造成的表面损伤。齿啮合式快开法兰装置中 也可能发生刚度失效，体现为啮合齿由于刚度不足滑脱以及法兰过度的弹性变形 ( 刚度不足) 引起泄漏或初始密封力不足。根据不同的失效形式应采用不同的设 计准则。 齿啮合式快开法兰装置设计方法主要有解析法、数值法和实验方式。解析法 是针对齿啮合式快开法兰装置的具体结构型式，根据各部分结构特点和受力情况， 在一系列的简化假设下，将其划分为若干可利用板壳理论和弹性理论分析的简单 结构，各部分之间的相互作用用内力和内弯矩来代替，建立各部分之间的变形协 调条件，得出齿啮合式快开装置的各部位应力的解析解，并针对不同应力如拉伸 应力、弯曲应力、挤压应力等予以相应的应力限制条件。现有工程设计方法多是 东北大学博士学位论文 第一章绪论 建立在弹性力学方法上，针对某种结构类型提供一套设计计算公式。日本工业标 准“4 3 和郑津洋”“、丁伯民呻1 等提供了带平封头结构的与筒体连成整体的齿啮合式 快开型和采用整体卡箍的齿啮式快开型的高压齿啮合式快开盖装置工程设计方 法。黄进“”、刘正兴等在对带凸形封头结构的中、低压齿啮合式快开装置的研 究中，将釜体与釜体法兰、釜盖与釜盖法兰沿焊接处切开成独立的两部分，之间 代之以力矩与切向力，并以变形协调条件作为连接条件，釜体法兰与釜盖法兰将 间断的齿去除后计算模型均认为是弹性圆环，而釜盖按具有边环的球形壳或椭圆 形壳来分析。由于快开容器的结构比较复杂，弹性力学的方法需引入许多假设将 结构划分为简单的力学模型求解，无法考虑局部不连续结构对应力状况的影响。 数值法包括有限元和边界元法，其中有限元法应用较广泛。利用三维有限单元将 齿啮式快开容器的实体模型离散化，通过单元相互的协调关系、整体的平衡条件 和边界条件求解与节点位移相关线性方程组，利用插值函数、应力与应变间、位 移与力间的关系可获得容器任何部位应力和应变数值和分布状况。目前主要是利 用现有的有限元软件对单台容器的强度进行校核，尚未形成一套成熟的工程设计 方法。王希诚“”等根据齿啮式快开容器的结构特点进行有限元计