計算機模擬技術在熱處理工藝裝備中的應用（上）
【摘要】 本文通過介紹計算機模擬技術在淬火槽設計、加熱爐設計、滲碳爐設計和大型工件加熱工藝設計當中的一些應用實例，闡述了計算機模擬技術對熱處理工藝裝備的發(fā)展的作用，指出了計算機模擬技術的應用可以提高熱處理工藝裝備設計的科學性和精確性，優(yōu)化工藝裝備的設計工作，使熱處理向著高效、節(jié)能和智能方向發(fā)展。
熱處理工藝裝備的設計不僅影響工件處理后的質(zhì)量，也影響到熱處理設備的使用壽命和使用效率。傳統(tǒng)的熱處理工藝裝備設計大多依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，工量量大、周期長、效率低、費用高、缺少科學性和預見性。隨著計算機技術在熱處理領域當中的廣泛應用，對過程進行計算機模擬，可減少實驗次數(shù)，提高效率，優(yōu)化配置資源，使熱處理工藝裝備的設計由經(jīng)驗型向科學計算型轉(zhuǎn)變，提高了熱處理工藝裝備設計的科學性和精確性。
本文通過上海交通大學熱處理與表面改性工程技術研究中心運用計算機模擬技術在淬火槽設計、滲碳加熱爐設計和大型工件在裝備條件限制下的工藝設計等幾個近期的研究實例，對計算機模擬技術在熱處理工藝裝備巾的應用潛力加以說明。
一、淬火槽流場模擬與改進設計
淬火槽內(nèi)介質(zhì)流動情況直接影響工件淬火質(zhì)量。均勻的流場分布保證工件淬火均勻性，減小淬火變形。如何保證介質(zhì)在工件淬火區(qū)域的流動強度和均勻性是淬火槽設汁的關鍵。圖1為一種淬火槽的結(jié)構(gòu)示意圖，利用有限元方法對淬火槽內(nèi)的介質(zhì)流場的流動情況進行模擬，可以直觀地了解結(jié)構(gòu)上的改動所產(chǎn)牛的效果。圖2為淬火槽底未加均流板情況下的流場分布。從速度云圖可以看出，流場中間出現(xiàn)較大渦流，其不僅對工件與淬火介質(zhì)換熱情況不利，且對淬火均勻性也會有很大影響。為防止渦流的出現(xiàn)，設計了均流板，并研究了均流板形狀對流場分布的影響。
如圖3所示，均流板的設置消除了圖2中所示的渦流，但均流板附近仍有小型渦流產(chǎn)生；從流場速度方向分布上看，淬火槽內(nèi)的流體流動情況并非十分理想。圖4為均流板改進后流場分布，如圖4所示，該設計下無渦流產(chǎn)生，流體流速較均勻。 
二、加熱爐的溫度場的模擬
設計加熱爐時同樣可以應用計算機模擬技術對不同設計方案進行研究。對加熱爐的溫度場的模擬，可以討論不同設計方案對溫度均勻性和節(jié)能的效果，有助于發(fā)現(xiàn)設計上不合理的地方。圖5、圖6分別是對大型井式滲碳爐的爐蓋包裹隔熱層和無隔熱層設計的爐頂部分的溫度場模擬。模擬結(jié)果顯示，有隔熱層爐蓋頂部溫度均勻且溫度低，這將減少散熱；爐蓋底部溫度較均勻且較高，顯然有利于爐內(nèi)溫度場的均勻性。而未包裹隔熱層設計，爐蓋頂部溫度均勻性不好，且局部溫度很高，這勢必增加對外散熱；底部溫度不均勻，也會導致增加爐內(nèi)溫度場的不均勻性。圖7、圖8分別是對兩種爐底結(jié)構(gòu)的溫度場摸擬。圖7所示為油封型爐底設計，該設計除在結(jié)構(gòu)上帶來一定的好處外，顯然就劉溫度場分析仔在不利的地方，其爐底外側(cè)溫度較高，散熱相對將比較嚴重。相反圖8所示的爐罐設計結(jié)構(gòu)，從圖8中溫度場分布看，爐底外側(cè)溫度較低，有利于爐內(nèi)溫度的均勻和節(jié)約能源。
