真空高压气淬炉中淬火气体压力_流速和类型对工件冷却性能影响的数值模拟.docx

第 48 卷第 6 期2011 年 11 月vol. 48, no. 6nov. 2011真 空vacuum真空高压气淬炉中淬火气体压力、流速和类型对工件冷却性能影响的数值模拟 *王志坚, 尚晓峰（沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳 110136）摘要：本文运用 fluent 软件，通过大量的计算机模拟，研究了真空高压气淬炉中淬火气体压力 、进口速度、气体类型对工件冷却性能的影响。 通过对比氮气在 0 . 45 mpa 、0 . 6 mpa 、1 . 0 mpa 和 1 . 5 mpa 淬火压 力下工件的冷却速度，量化了淬火压力对工件冷却速度的影响程度 。 氮气在 0 . 6 mpa 下，将气体速度由40 m/s 增至 60 m/s ，工件冷却速度提高 27 % ，但风机功率增加 3 . 4 倍。 由于气体体积流量一定的情况下， 淬火气体比热和密度的协同影响了换热系数的大小，通过计算机模拟了四种淬火气体氢气、氦气、氮气和 氩气对工件冷却速度的影响，得出在相同气体压力和流量下，四种气体的冷却能力是：氮气 氢气 氦 气 氩气；在消耗相同的风机功率下，密度小比热大的气体冷却能力高，四种气体的冷却能力依次是氢 气 氦气 氮气 氩气。关键词：真空高压气淬；温度场；流场；冷却速度中图分类号：tg155 . 1文献标示码：a文章编号：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影响高压气淬工件冷却速度的因素很多，主要有炉子参数如淬火气体压力、 淬火气体类型、 气体流速、气体流动型式和换热器换热能力等， 还要受到装炉时工件的装炉量、工件截面尺寸和 工件摆放方式等的影响。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速，也是二十世纪七八十年代国外研究较多的问题。如何使高压气淬炉的能力发挥到最高而制造和操作的 成本又最低是众所关注的。本文通过计算机模拟 计算，研究淬火气体压力、流速和类型在气淬工 艺中的重要性，掌握各参量的影响程度，从而达 到优化淬火的工艺参数，使炉子设计改进到使用收稿日期：2011 - 08 - 31作者简介：王志坚（1974- ），女，河南省安阳市人，博士，副教授。* 基金项目：沈阳市科技计划项目（f11- 264- 56）；沈阳航空航天大学博士启动基金。图 1 淬火气体压力对工件冷却速度的影响fig. 1 effect of quenchin g gas pressure on the workpiece cooling rate图 2 1 . 5mpa 速度矢量图(m/s )fig. 2 velocity vector field under 1 . 5mpa (m/s )图 3 1 . 5mpa 下 t=180s 工件温度分布图（k）fig.3 temperature distribution of workpieces under 1.5mpa at t=180s(k)图 4 淬火气体流速对工件冷却速度的影响fig.4 effect of quenching gas velocity on workpiece cooling rate through computer simulation第 6 期王志坚，等：真空高压气淬炉中淬火气体压力、流速和类型对工件冷却性能影响的数值模拟 77 效率和操作成本达到最佳。力 1 . 5 mpa 下 冷 却 时 间 为 180 s 时 的 温 度 分 布图，由于该结构和边界条件关于 x 轴和 y 轴对称（坐标轴如图 3 中所示），为了减小计算机模拟计 算工作量，计算时在这两轴方向各取结构的一半。 从温度分布图中可以看出，喷嘴直接对着的第一 层工件冷却速度比第二层快，但由于气体涡流的 影响，第一层仍有一些工件冷却速度较慢。单个工 件内部存在温差，中心温度比边界温度高。淬火气体压力对工件冷却速度的影响在气淬过程中，工件的热量主要靠循环气体 的强制对流传热带走，冷却时间可表述为1 ：1（1）t = (wcp )/(fh )ln (t1- tf )/(t2- tf )式中 t1 、t2 工件起始温度和经冷却时间 t 后的温度 w 工件重量 cp 工件定压比热 f 工件表面积 h 对流换热系数tf 气体经换热器后进入炉膛的温度 该式表明，在其它因素一定的情况下，对流换热系数越大，淬火所经历的时间越短，冷却速 度越快。而对流换热系数 h 与淬火气体的性质和 流过工件的气体质量流量等有关，可用一个简化 方程表示：p 1h = k1cpg /d式中 k1 常数cp 冷却气体比热p 2（2）g 冷却气体质量流量, g = q 冷却气体密度q 冷却气体体积流量，在气体类型一定 时，冷却气体密度可用气体压力 p 代替p1 指数, 取 0 . 60 . 8d 冷却表面的外径p2 指数在其它条件不变时，式（2）可进一步简化为：（3）h (pq )0 . 60 . 8该式表明，增大淬火气体压力是加快传热的有效途径之一。 增大气体压力，传热系数按其（0.60.8）次方增加，工件的冷却速度会有明显提 高。图 1 为计算机模拟计算在喷嘴流速为 40 m/s 不变情况下改变淬火气体压力对工件冷却速度的 影响，从图中可以看出，工件完成淬火过程 （从1503 k 冷却到 430 k），在淬火压力分别为 0.45 mpa、0.6 mpa、1.0 mpa 和 1.5 mpa 时，冷却时间分别为522 s、445 s、273 s 和 234 s。随着淬火压力提高，淬 火介质变稠，气体密度增加，从工件上带走的热 量增多，工件冷 却 速 度 变 快 。 将 淬 火 压 力 由0 . 45 mpa 提 高 到 1 mpa 冷却速度会有大幅度 提 高 ， 提 高 了 约 48 % , 但随着压力的继续由 1 . 0 mpa 增 至 1 . 5 mpa ，冷却时间减 少 程 度 变 慢，冷速只提高了 14 % 。 图 2 为 淬 火 压 力 为1 . 5 mpa 时轴面的速度矢量场，图 3 为 淬 火 压图 5进口速度 60m/s 时速度矢量图(m/s )fig. 5 velocity vector field at 60m/s inlet velocity (m/s )图 6进口速度 60m/s 时温度分布图(m/s )fig. 6 temperature distribution at 60m/s inlet velocity (k)真 空vacuum第 48 卷 78 淬火气体流速对工件冷却速度的影响图 4 为淬火压力不变为 0 . 6 mpa，喷嘴出口 气体速度为 40 m/s 和 60 m/s 时对工件冷却速度 的影响对比曲线。当喷嘴速度为 40 m/s 时，工件 完成淬火过程需要 445 s，速度增加 60 m/s 冷却 时间减少到 325 s，可以看出喷嘴出口气体速度 加大，工件冷速提高。喷嘴出口气体平均速度为：2q（4） =式中 q 风机流量 r 喷嘴半径 n 喷嘴数nr2淬火气体类型对工件冷却速度的影响淬火气体的热物性参数对工件的冷却速度 有一定影响。在相同的温度和压力下，一方面，要 求淬火气体密度大，携带热量的能力高，另一方 面，又要求淬火气体密度小，可以减小通过淬火 回路流动时所需风机功率；同时要求气体比热 大，能从工件上移去更多的热量，导热系数应大， 以减小气体流动时对流传热边界层的热阻。四种 常用的淬火气体是氢气、氦气、氮气和氩气，其性 能比较见表 1 。表 1四种淬火气体性能比较 3 table 1 properties of four different quenching gases3喷嘴出口气体平均速度主要由风机流量决定。提高气体压力和增加气体流速都需要以加大 风机的功率作为代价，功率的变化为2 ：p p q2n = qp p q3（5）（6）式中 p气体通过系统时的压力降，即风机风压p 淬火气体压力 q 气体体积流量 n 风机功率式（6）表明，功率变化对气体流量比对气体压 力更为敏感，气体压力增加一倍，风机所需功率亦 增加一倍，而气体流量增加一倍，风机功率却需增 加 8 倍，所以增加流量虽然对提高冷速有作用，但 消耗太大。对比图 1 和图 4，压力从 0.6 mpa 增至1.0 mpa，功率需增加 1.7 倍，冷却速率提高了 39% ，喷嘴出口速度由 40 m/s 升至 60 m/s，风机功 率增加 3.4 倍，冷却速率只提高了 27%。可见为了 得到相同的冷却效果，提高气体压力是比较经济 的。以前大多数单纯靠提高流率的气淬炉，应该逐 步被淘汰，新型的气淬设备应该是高压和高流率 的有效结合。图 5 和图 6 为淬火压力 0 . 6 mpa、流 速 60 m/s 时流场及工件温度场分布图。从表中可以看出，氢气是一种传热性能较好的气体，但氢气有爆炸的危险，工业热处理很少 使用。氦气也有很好的传热性能，但价格较贵，限 制了其使用。最常用的是氮气，价格较便宜，较易 获得，但由于密度大，循环气体所需的风机功率 受到限制，目前使用氮气作淬火介质的高压气淬 设备所能达到的最高淬火压力为 1 . 0 mpa，随着 工件对淬火性能要求的提高，已不再能满足要 求。自二十世纪九十年代初人们逐渐将目光转移 到氮气以外的气体，如何能够使这些气体的热物 性参数最好地搭配起来，达到最理想的淬火效 果，也是国际上近些年来研究的热点之一。3.1在一定压力和流速下不同气体冷却能力比较 从表 1 中可以看出，四种淬火气体的比热是氢气 氦气 氮气 氩气，如果以其中最常用的 氮气的比热为基数 1 ，那么四种气体比热比值为:13 . 7 ：5 ：1 ：0 . 5 ；四种气体的密度是氢气 氦气 氮气 氢气 氦气 氩气。氮气 完成淬火过程的时间为 445 s，氢气为 480 s，氦 气为 625 s，氩气为 795 s。该模拟计算说明，对于 同一台高压气淬设备，能够承受的最大压力受 限，如果不更换风机，风机流量一定，采用氦气并 不能提高原来氮气淬火的冷却速度，但是风机消耗 的功率却能降低。如果以氮气消耗的功率为基数 1， 根据相似定律，氮气、氢气、氦气和氩气消耗功率的 比值为密度比值：1：0.072：0.143：1.43，表明如果原 来 0.6 mpa 氮气所需风机功率是 110 kw，而采用氦 气所需电机功率只有 15.7 kw。0 . 6 mpa 氦气，而流速根据式（6）风机功率换算为0 . 6 1 . 138 4033姨0 . 6 0 . 1625=77 m/s 的 冷 却 曲 线 ，冷v =却 时 间 为 375 s，3 为 氦 气 淬 火 压 力 为 2 . 0 mpa，流速换算为 50 m/s 的冷却曲线，冷却时间为 270 s。 模拟计算表明，同功率下氦气的冷却速度比氮气 快。对比曲线 1 和 2 ，在同功率和同压力下，氦气 冷却速度比氮气提高了 16 。 对比曲线 2 和 3 ， 在相同的功率下，提高气体压力比单纯增加气体 流速冷却速度提高了 28 。利用氦气作为冷却介质，由于价格比较昂 贵，必须配备回收装置和去除杂质气体的净化装 置，目前国外这种装置已经得到了开发利用，可 使氦气连续使用 50 个周期以上4 ；而国内对于以 氦气作为淬火气体的研究目前还处在空白状态， 更多生产厂家和用户仍倾向于使用氮气，将氮气 压力提高至 1 . 5 mpa, 采用大功率大流量风机，能 够实现比氦气更好的冷却效果。 图 9 和图 10 为 氦气淬火压力 2 . 0 mpa、进口流速 50 m/s 时流场 及工件温度场分布图。3 . 2在一定风机功率下不同气体冷却能力比较在消耗相同的风机功率下，密度小比热大的气 体冷却能力高，四种气体的冷却能力依次是氢气 氦气 氮气 氩气。图 8 为在相同的风机功率下淬 火气体冷却能力的对比曲线，主要选用了氦气和氮 气两种气体对比，1 为 0.6 mpa 压力，40 m/s 流速下 氮气的冷却曲线，冷却时间为 445 s, 2 为 同 压 力结论（1） 随着淬火压力提高，淬火介质变稠，工 件冷却速度变快, 但随着压力的继续增加，冷却 时间减少程度变慢；4真 空vacuum第 48 卷 80 （2） 提高淬火气体的进口速度，即增加气体流量，工件的冷却速度将会加快，但气体流量增 加一倍，风机功率将增加 8 倍，消耗太大，可见为 了得到相同的冷却效果，提高气体压力是比较经 济的，但过高的淬火压力将给炉子的设计制造带 来一定的难度，所以新型的气淬设备应该是高压 和高流率的有效结合；（3） 风机流量一定时，采用氦气并不能提高 原来氮气淬火的冷却速度，但是风机消耗的功率 却能降低；在同功率和同压力下，氦气冷却速度 比氮气提高了 16 。参考文献1 william w h . high pressure cooling performance invacuum heat treating furnaces is 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