PDF《真空热处理炉传热的三维数值模拟》

计算机应用 真空热处理炉传热的三维数值模拟 郝晓伟 ,张伟民 ,陈乃录 ,左训伟 (上海交通大学 材料科学与工程学院 ;

上海市激光制造与材料改性重点实验室 ,上海 200240) 摘要 :为了分析真空热处理炉内加热工件的温度场 ,将包括工件在内的整个真空热处理炉作为模拟对象建立了一 个三维的数值模型.

该模型集成了一个控制炉温的 PI D模块 ,并且考虑了热物性参数的非线性因素.基于一商 业软件 ,对工件、 真空热处理炉的隔热层、 加热管等的瞬态传热过程进行了数值模拟 ,并与实测值进行了对比 ,两 者基本吻合.最后 ,根据模拟结果提出了优化的加热工艺参数. 关键词 :数值模拟 ;

真空热处理炉 ;

温度场 中图分类号 : TG155.

1 文献标识码 :A 文章编号 :02542 6051( 2007)

072 00512

04 32 D Num erical Si m ulation of Heat Transfer Process in Vacuum Heat Treatm ent Furnace HAO Xiao2 wei, ZHANGW ei2 m in, CHEN Nai2lu, ZUO Xun2 wei ( School ofMaterials Science and Engineering;

Shanghai Key Laboratory ofMaterials Laser Processing and Modification, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China) Abstract: In order to analyze the temperature field of workpieces in the vacuum heat treatment furnace, a

32 D numerical model taking the whole furnace and workpieces as one investigation object was developed. A PI D module applied to con2 trol the furnace temperature was integrated and the nonlinear factors of ther mo2 physical properties were taken into ac2 count . A ided by commercial software, the numerical simulation of the transient heat transfer process of workpieces, ther2 mal insulation walls and heating tubes was performed. The comparison between numerical simulation results and experi2 mental ones shows the t wo basically fit each other . And finally, the optim ized technical parameters are proposed according to the simulated results . Key words: numerical simulation;

vacuum heat treatment furnace;

temperature filed 作者简介 :郝晓伟 (1968. 10―) ,男 ,河南洛阳人 ,高级工程师 , 博士生 ,主要从事金属材料及其热处理过程的模拟研究 ,发表 论文 6篇.联系电话 :

0212 34203743,

0212 34203742 E2 mail: ha2 oxw@ sjtu. edu. cn或xwhao123@yahoo. com. cn 收稿日期 :

20072 022

20 真空热处理炉内的传热以辐射为主 ,在加热过程 中炉膛比工件的升温速度快得多 ,故存在加热滞后现 象.此外 ,由于工件之间相互遮蔽 ,形成加热器无法直 接辐射到的暗辐射区 ,从而导致工件加热不均匀并产 生温差 [

1 ] .因此 ,为避免工件产生加热畸变 ,同时又 不致因为加热速度太慢而引起晶粒长大和成本增加 , 需要研究真空炉内的传热规律 ,制定合适的加热工艺. 常规用于确定加热工艺参数的实测法成本高、 周期 长[2].近年来 ,计算机模拟技术开始用于热处理加热 过程的研究 [

3 ] ,但采用的多是两维模型、 工件简单 ,而 且忽略了炉子和工件内的温度梯度 [ 2,

42 6 ] .本文将工 件和真空热处理炉作为一个整体来研究 ,基于一商业 的CFD软件建立了一种三维真空热处理炉瞬态温度 场的数值模型 ,该模型集成 PI D 模块的三维真空热处 理炉数值模型 ,考虑了热物性参数的非线性因素 ,对工 件加热过程中的瞬态温度场进行了模拟 ,并根据模拟 结果对工艺进行了优化.该模型可为真空热处理的生 产提供参考依据.

1 试验方法 试验采用 VHQ2 446HF型高压气淬炉 ,该炉子最 大装炉量为

200 kg,最高加热温度为

1320 ℃,使用石 墨加热管进行辐射加热.图 1为炉子和工件的三维几 何模型 ,工件为 27个