基于数值模拟的推杆式可控气氛热处理炉冷态流场研究.docx
《基于数值模拟的推杆式可控气氛热处理炉冷态流场研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于数值模拟的推杆式可控气氛热处理炉冷态流场研究.docx(77页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 基于数值模拟的推杆式可控气氛热 处理炉冷态流场研究 Masters Dissertation Numerical Simulation of Cold-State Flow Field in a Push-Type Heat Treatment Furnace Applicant: Fan Youming Majors Thermal Engineering Supervisor: Professor Shi Zhangming Nov, 2007 Energy Science and Engineering School Central South University Changsha,
2、 Hunan, P*R.China 原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名 : A 日期: 年 /月 /j日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论 文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位
3、论文 ; 学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名导师签名日期:滅 7年 月 日摘要 热处理是机械零件和模具制造的最后一道工序,也是最重要工序 之一。推杆式可控气氛热处理炉是最常见的一种连续式热处理炉,研 究表明:推杆炉内零件滲碳不均勻的主要原因是炉内温度的不均匀及 炉气流动不合理,炉温不均匀也与气流分布有关。因此深入了解推杆 炉内的气体流场特性,对于改善炉温和流场均匀性、提高渗碳产品质 量是十分必要的,对于开发新炉型和指导炉子运行也有着重要的理论 和实践意义。 论文介绍了推杆式热处理炉的结构组成和特点,说明了渗碳热处 理对炉内流场的要求。在此基础上建立了炉内三维流场稳态数
4、值计算 模型,以计算流体力学软件 FLUENT为求解工具对炉内流场进行计 算。湍流模型采用标准 - e模型,选择控制容积法对方程组进行离散, 压力与速度耦合采用 SIMPLE算法。得到了空炉内状态下炉内压力、 流场的分布情况。 在此基础上,研究了风扇转速和竖置导流板的布置对炉内气流分 布、流速和流场均勻性影响。计算了炉子前后排气比对渗碳区和扩散 区气流交换的影响。 本文的创新点在于把数值模拟技术首次引入用于化学热处理的 连续式热处理炉,为炉子设计、改造以及优化运行都有理论和实践指 导意义。论文工作也拓展了热处理的研究范围。 关键词推杆式热处理炉,数值模拟,流场,优化 ABSTRACT Heat
5、 treatment is final as well as one of the most important procedures in accessory and mould produce. Push-type furnace is widely used as a kind of continuous heat treatment furnace. Previous research indicated that carburizing ununiformity is mostly likely caused by the ununiformity of temperature di
6、stribution and immoderate gas flow, whats more, temperature ununiformity relates on gas flow distribution. Therefore, ifs necessary to understand the gas flow characteristic in furnace, so that the temperature and flow field are improved which lead to improvement of carburizing product. Ifs also use
7、ful in developing new furnace and optimizing the run of existing furnace. The structure and characteristic of push-type furnace is introduced, the flow manner and speciality in furnace is analyzed. A 3-D cold-state steady numerical simulation model for the turbulence flow in furnace is established.
8、The simulation is base on K-S turbulence model, control volume method is chosed for equation dispersation, SIMPLE arithmetic is used for the coupling of pressure and speed. The pressure and flow distribution in furnace is gained. Cases under different fan speed and the disposal of erect baffle were
9、computed. The flow field distribution、 gas speed、 flow uniformity effected by the two factors were analysed. The effect of mass outflow proratation between ahead and end venthole to gas exchange between carburizing目录 目录 m . I ABSTRACT . II 第一章绪论 . 1 1. 1研究背景 . 1 1.1.1我国热处理技术现状 . 1 1.1.2我国热处理设备水平概况 .
10、 2 1.2推杆式热处理炉流场研究必要性 . 3 1.3研究方法与意义 . 3 第二章综述 . 5 2.1可控气氛热处理 . 5 2.2可控气氛热处理炉 . 6 2.2.1周期式炉 . 6 2.2.2连续炉 . 7 2.2.3可控气氛热处理炉特点 . 11 2.3湍流及流场数值仿真 . 11 2.3.1三维湍流数值模拟方法简介 . 12 2.3.2湍流数学模型 . 13 2.4文献评述 . 15 2.5本章小结 . 17 第三章计算模型和方法 . 18 3.1研究对象简介 . 18 3.1.1自动线简介 . 18 3.1.2连续式渗碳炉简介 . 19 3.2数值仿真计算模型 . 21 3.2.
11、1 K-S MM . 22 3.2.2守恒方程组 . 23 3.3计算方法 . 26 3.3.1守恒方程的离散化 . 26 3.3.2压力 -速度耦合关系的处理 . 263.4仿真计算处理 . 27 3.4.1物理模 M . 27 3.4.2网格划分 . 28 3.4.3边界条件及初始条件 . 30 3.4.4模型参数 . 31 3.4.5气体参数 . 31 3_5本章小结 . 33 第四章计算结果及分析 . 34 4.1空炉状态下流场特性 . 34 4.2空炉状态下风扇转速对炉内气氛流动特性的影响 . 46 4.3前后排气比对渗碳区 扩散区气氛湍流串动的影响 . 51 4.4竖置挡板对炉内流
12、场的影响 . 52 4.5本章小节 . 56 第五章结论与建议 . 57 5.1结论 . 57 5.2主要创新点 . 58 5.3建议和展望 . 58 . 59 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文 第一章绪论 1.1研究背景 热处理是机械工业的一项重要基础技术 ,为使金属工件具有所需要的力学性 能、物理性能和化学性能,热处理工艺往往是必不可少的。热处理是决定机械产 品质量、性能和寿命的关键因素之一。通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机 械零件和工模具都要经过热处理。而且,只要选材合适,热处理得当,就能使机 械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高,实现 “ 搞好热处理,零件 一顶几 ” 的
13、目标,收到事半功倍的效果 11。热处理对于充分发挥金属材料的性能 潜力、提高产品的内在质量、节约材料、减少能耗、延长产品的使用寿命、提高 经济效益 都具有十分重要的意义。 1.1.1我国热处理技术现状 建国以来,尤其是改革开放以来,我国的热处理技术水平、设备得到了很大 发展,出现了一批热处理新技术,且有一些专利技术。在生产管理、全面质量控 制方面也取得了很大进步。我国在金属学及热处理的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。但在实际热处理设备和生产水平上却存在 着不少差距,还没有完全扭转热处理生产的落后局
14、面 2,3。工件氧化脱碳严重、 产品质量差、产效率低、能耗 大、成本高、污染严重等是亟待解决的问题。长期 以来我国制造业存在着重产品、轻毛坯,而在毛坯制造中则重控形、轻控性,重 产能轻质量等倾向。发展规划和技改资金过分倾向于购置精密加工设备而很少顾 及材料制造、特别是控性与改性技术的研发。其后果常常由于产品的使用寿命低 和可靠性差而在市场竞争中处于劣势,以 P我调 理落后于国际先进水平,热 处 理 技 术 落 后 已 成 为 我国制造业发展的现在: 1) 产品的使用寿命低、可靠性差 由于热处理技术落后,我国许多机械产品的使用寿命、可靠性和质量重现性 都远远低于国外先进水平。国防工业中的一些关
15、键零部件和重大工艺装备中的关 键零部件不得不依赖进口,或者是引进国外的成形热处理设备,制造中国的飞机、 坦克、汽车,常受制于人。 2) 热处理畸变控制水平低 我国热处理畸变控制水平低也是一个突出的问题。例如我国重载变速箱齿轮 渗碳热处理留磨量是世界先进水平的三倍,不仅大幅度提高了制造成本,而且磨 削后渗碳层深度的偏差增大,对使用可靠性有不良影响。我国毛坯制造的控形精 度低、切削加工余量偏大、大量优质钢材变成铁屑,造成了资源的严重浪费。 3) 材料制造装备的设计制造严重落后 我国材料制造与国际先进水平的差距还突出表现在材料制造装备的设计制 造严重落后,高端的热处理和表面改性工艺装备依赖进口,重复
16、引进,落后一引 进一再落后一再引进的现象相当严重,例如航空、军工、和髙档汽车生产所需的 真空渗碳高压气淬设备,国内无法制造,全部依赖进口,这类设备的售价是传统 意义上的 “ 制造成本 ” 的十几倍以至几十倍。我国材料制造控制性技术的落后, 不但不能适应当前的生产和市场竞争的需要 ,而且制约我国制造业整体创新能力 的提髙。 1.1.2我国热处理设备水平概况 热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证,直 接关系到热处理技术水平的 高低和工件质量的好坏。我国热处理设备的生产已有 40年历史,现已具备一定的 设计、生产能力。最初是仿制苏联四、五十年代的在空气中加热的电阻炉,并以 箱式炉和井式炉为主。七十
17、年代对主要炉种进行了整顿,品种规格有所增加,性 能有所改进,系列化程度有所提高。八十年代又进行了一次产品更新换代,发展 了第二代节能系列产品,能生产多用炉、真空炉、离子渗氮炉、流态粒子炉等新 型炉种 4 5。自改革开放以来,通过引进国外先进的热处理设备和中外合资合作 生产,使我国热处理设备的设计制造水平和生产能力 有了很大的提髙。我国现有 电炉厂 180多家,已形成年制造热处理炉 9000台的能力。少无氧化热处理技术可 以改进产品质量、提高生产率、降低成本,并可减少污染、易于实现自动化,其 普及程度已成为当代热处理技术水平的主要标志,工业发达国家早在 60年代就已 基本淘汰了空气加热炉,实现了
18、少无氧化热处理。而我国目前生产用的热处理设 备大多还是箱式或井式电阻炉, 90%以上系周期性作业,空气加热炉占热处理炉 总数的70%以上,而可控气氛炉和真空热处理炉的比例只有 5%左右。这些落后 的热处理设备大都存在着炉温均勻性差、工件氧 化、脱碳严重、设备的可靠性较 差、配套仪表、元器件质量不过关、工艺过程控制水平低、产品质量不稳定、热 效率低、能耗高等问题 61。 因此,要对落后的热处理设备进行更新改造,努力提高电阻炉炉温的均勻性 和其它工艺参数的控制精度,以保证和提高热处理工件的质量,并限期淘汰一批 产品质量差、能耗高、污染严重的落后设备。这是热处理行业技术改造的重点之 一。要不断提髙我
19、国热处理设备的设计制造水平,增强自我开发和技术创新能力 , 这对提高热处理炉的性能、节约能源、提高生产效率、降低工艺成本,是十分重 要的 _。 1.2推杆式 热处理炉流场研究必要性 推杆式热处理炉是一种最常见的连续式热处理炉,因其结构相对简单,便于 运行管理而得到广泛应用 11,常用于汽车齿轮、轴类零件的渗碳、淬火热处理。 推杆炉的性能优劣直接影响渗碳热处理零件的性能、质量,从而影响到机械装置 的性能、寿命与安全稳定性。 株洲汽车齿轮有限责任公司是专业生产汽车齿轮的厂家,其热处理车间有三 条推杆式渗碳、淬火生产线。其中两条为单排炉,一条始建于上世纪 70年代, 源于第一汽车炉子厂技术,一条生产
20、线为零零年自制。两条炉子在运行过程中, 特别是老炉子,长期存在炉温波动,碳势不稳、控制不精的情况,经常要进行定 碳和校定实验,渗碳齿轮时有变形过大、渗碳层深不均、积碳、脱碳现象,影响 了齿轮零件热处理质量。 齿轮的失效多数与渗碳齿轮在热处理过程中的许多缺陷有关。如表层和心部 硬度不够、表层过度渗碳与硬化层偏浅、渗碳层深度不均匀、表层内氧化等。这 些缺陷在生产和应用中危害极大,严重地影响齿轮的寿命,更有甚者影响到整个 机器的寿命 12。有关研究表明 13_2)】 :渗碳炉内零件渗碳不均匀诸多缺陷的主要 原因是炉内温度的不均匀及炉气流动不合理,炉温 不均匀也与气流分布有关。因 此,相关的旧炉改造和
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 数值 模拟 推杆 可控 气氛 热处理 炉冷态流场 研究
限制150内