計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝裝備中的應(yīng)用（上）
【摘要】 本文通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在淬火槽設(shè)計(jì)、加熱爐設(shè)計(jì)、滲碳爐設(shè)計(jì)和大型工件加熱工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中的一些應(yīng)用實(shí)例，闡述了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)熱處理工藝裝備的發(fā)展的作用，指出了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用可以提高熱處理工藝裝備設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精確性，優(yōu)化工藝裝備的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不僅影響工件處理后的質(zhì)量，也影響到熱處理設(shè)備的使用壽命和使用效率。傳統(tǒng)的熱處理工藝裝備設(shè)計(jì)大多依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，工量量大、周期長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高、缺少科學(xué)性和預(yù)見(jiàn)性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在熱處理領(lǐng)域當(dāng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高效率，優(yōu)化配置資源，使熱處理工藝裝備的設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)型向科學(xué)計(jì)算型轉(zhuǎn)變，提高了熱處理工藝裝備設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精確性。
本文通過(guò)上海交通大學(xué)熱處理與表面改性工程技術(shù)研究中心運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在淬火槽設(shè)計(jì)、滲碳加熱爐設(shè)計(jì)和大型工件在裝備條件限制下的工藝設(shè)計(jì)等幾個(gè)近期的研究實(shí)例，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝裝備巾的應(yīng)用潛力加以說(shuō)明。
一、淬火槽流場(chǎng)模擬與改進(jìn)設(shè)計(jì)
淬火槽內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)情況直接影響工件淬火質(zhì)量。均勻的流場(chǎng)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(dòng)強(qiáng)度和均勻性是淬火槽設(shè)汁的關(guān)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(duì)淬火槽內(nèi)的介質(zhì)流場(chǎng)的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，可以直觀地了解結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)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(chǎng)分布。從速度云圖可以看出，流場(chǎng)中間出現(xiàn)較大渦流，其不僅對(duì)工件與淬火介質(zhì)換熱情況不利，且對(duì)淬火均勻性也會(huì)有很大影響。為防止渦流的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)了均流板，并研究了均流板形狀對(duì)流場(chǎng)分布的影響。
如圖3所示，均流板的設(shè)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(chǎng)速度方向分布上看，淬火槽內(nèi)的流體流動(dòng)情況并非十分理想。圖4為均流板改進(jìn)后流場(chǎng)分布，如圖4所示，該設(shè)計(jì)下無(wú)渦流產(chǎn)生，流體流速較均勻。 
二、加熱爐的溫度場(chǎng)的模擬
設(shè)計(jì)加熱爐時(shí)同樣可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。對(duì)加熱爐的溫度場(chǎng)的模擬，可以討論不同設(shè)計(jì)方案對(duì)溫度均勻性和節(jié)能的效果，有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上不合理的地方。圖5、圖6分別是對(duì)大型井式滲碳爐的爐蓋包裹隔熱層和無(wú)隔熱層設(shè)計(jì)的爐頂部分的溫度場(chǎng)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(chǎng)的均勻性。而未包裹隔熱層設(shè)計(jì)，爐蓋頂部溫度均勻性不好，且局部溫度很高，這勢(shì)必增加對(duì)外散熱；底部溫度不均勻，也會(huì)導(dǎo)致增加爐內(nèi)溫度場(chǎng)的不均勻性。圖7、圖8分別是對(duì)兩種爐底結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)摸擬。圖7所示為油封型爐底設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)除在結(jié)構(gòu)上帶來(lái)一定的好處外，顯然就劉溫度場(chǎng)分析仔在不利的地方，其爐底外側(cè)溫度較高，散熱相對(duì)將比較嚴(yán)重。相反圖8所示的爐罐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從圖8中溫度場(chǎng)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。
