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数值模拟作为除了传统实验研究之外的另一个重要科研手段,在热处理工艺研究中已受到日益重视,并被广泛应用。本课题就是数值模拟与传统热处理工艺相结合的一种研究方向:用模拟方法对传统热处理设备的研制和更新进行有效的研究。从现有资料可知,国内对于网带炉的研究还停留在传统的经验制造和实验更新上,很少有人利用计算机模拟技术来指导和研发网带炉的更新和制造,本课题就是对这一研究方法的有益尝试。
由于特别适合于品种、数量和工艺变化大的场合,可控气氛网带式渗碳炉现已成为最受重视的热处理设备之一。针对某厂家研制的智能型网带式生产线,利用FLUENT软件模拟了实际工作状态下加热炉内部气体流场的状况,目的在于分析炉内碳势的分布状况。并对现有炉体进行改造,以期实现在整个渗碳过程中对碳势进行台阶式精确控制。
模拟结果表明,炉内渗碳有效区域内气体速度比较均匀,网带附近的气体速度相对较大,入料口和出料口处的气体流动比较缓慢,气体在入料口处速度较大。同时,炉内压力分布较均,与工件接触面的压力分布均匀且达到了渗碳工艺所需要求。模拟结果表明这符合实际生产所需和设备的设计目的,与实际情况基本吻合。同时发现,由于各风扇间的干扰比较明显,气体流场在炉内分布不够理想。
根据模拟结果,提出了加入挡板的修正方案。结果表明,加入挡板后所划分的四个区间内,气体流动均匀性有一定提高,且有相对独立的流动区域。档板的存在使得炉内和工件所在处的压力分布非常均匀,因而起到了比较理想的隔离作用,使各区间的气体流场有所不同。这对于炉内碳势分区独立控制具有很好的现实意义。在将原有设备按此方案进行改造后,从实际工件的对比中也证明了这一方案的优势。不过这一方案存在有待提高之处,一是挡板与网带的距离较大,实际上区域间仍然存在少量气流的干扰。二是入料口的引流作用导致其附近气流速度有一定增加。会使得工件表面积碳,且造成浪费。
根据实验结果,提出了对该方案的优化。模拟结果显示,优化后所划分的八个区域内,气体的流动和压力的分布都有很明显的独立性,这是与挡板和网带间的距离的减小,以及挡板的增加相关的。由于调整了搅拌风扇和裂解器的位置,单独区域内气体的循环流动更趋于平稳和对称,减小了气流速度分布的不均衡
性。同时,入料口流出气体减小,省电省料,减少了生产损耗,这对于生产成本的控制有很好的意义。根据以上模拟的结果以及设备实际改进的效果,可以认为,加入并调整挡板,改变入料口和出料口的大小,以及更改裂解器和搅拌风扇的分布位置,都将对炉内气体流动分布的均匀性有所帮助,从而能实现对碳势进行台阶式分区独立控制。实验结果可以作为新型设备进一步改进与研制的参考依据。