摘 要目前我国重点开展高新装备制造业，大型铸锻件淬火工艺是突破大型工件制备技术的关键淬火是热加工过程的最后一道工序，起着举足轻重的作用淬火过程中，水槽内均匀、高速的液流是保证工件冷却速度、获得所需组织与性能的关键本文借助于计算流体力学技术对现有大型淬火水槽内的流场进行数值模拟，得到大型淬火水槽内部流场的分布情况及其特点，发现现有水槽结构设计不合理，出现短路现象及工件内壁附近流速过低；在此根底之上，重点考察了增加挡板和改变不同芯棒参数的淬火水槽内的流场，提出了改良方案,最终得到了优化结果关键词：大型淬火水槽，计算流体力学，数值模拟，流场ABSTRACTAt present we focus on developing high-tech equipment manufacturing industry, and Forging quenching process is a breakthrough technology the key to preparation of large workpieces. Quenching is a thermal process of the last process plays an important role. Quenching process, the tank uniform, high-speed flow is to ensure that the workpiece cooling rate, microstructure and properties of the necessary key. Existing large-scale flow within the quench tank has been simulated by means of computational fluid dynamics technology. Large-scale flow field quench tank and characteristics of the distribution is known, found that the existing tank structure design is unreasonable, short-circuit behavior and low velocity near the inner wall of the workpiece; On this basis, mainly inspected and changed different baffle mandrel to increase the quenching parameters of the flow tank, the improved scheme, the end result has been optimized.Key words: large quenching tank, computational fluid dynamics, numerical simulation, flow field 目 录1绪论 11.1 课题的目的和意义 11.2 国内外研究现状与开展趋势 22淬火过程根底研究 42.1 淬火原理 42.2 淬火信息和工业生产情况 53数值建模的根底研究 93.1 流场的数学模型 93.2 FLUENT软件介绍 114淬火水槽流场CFD模拟计算 154.1 水槽结构 154.2 几何建模和网格划分 154.3 数学模型和边界条件 184.4 结果分析 184.5 现有问题总结 234.6 参数附录 235 淬火水槽的优化改良 285.1 挡板 285.2 芯棒 305.3 参数附录 406 结论 45参考文献 46致谢 481 绪论随着现代科学技术的开展，对金属零件的性能和可靠性的要求越来越高。
金属零件的内在性能和质量，除材料成分特征外，主要是在加热过程中形成的热处理那么是热加工过程的最后一道工序，起着举足轻重的作用重要零件都要经过热处理工序做组织和性能的最后调整热处理可以改变试件内部组织结构，获得预期的性能1.1课题的目的和意义目前我国大力开展冶金、发电、石化、船舶、核电装备及其他大型制造装备业，这些工程均需要质量良好的大型轴类产品，并且需要通过淬火到达相应标准国际上大型船用曲轴制造主要被日本、韩国所垄断，我国全部依赖进口由于供货紧张，经常出现“有船无轴〞的被动局面，极大制约了我国船舶行业的开展目前我国在15年内新增近400台大型水电机组的水电开展方案与新建和改造20多个千万吨级大型炼油厂的方案也会极大刺激大型铸锻件的需求十一五〞期间，每年冷热连轧机新建和配件所需锻钢支撑辊约700支左右，毛坯锻件约5万吨；每年中厚板轧机锻钢支承辊新建和配件约150支，毛坯锻件约1.5万吨；热轧工作辊每年需要毛坯锻件3万吨以上合计，每年需要在万吨水压机上生产的大型毛坯锻件接近10万吨并且大型铸锻件将是全球性极为稀缺的战略资源，所以需要竭力开展具有自主知识产权的大型淬火水槽设备从而保证大型铸锻件热处理质量与提升大型铸锻件的性能，以保证国民经济各行业高速、健康开展和国防建设的完善；对于提高我国制造业的竞争力，加速我国成为世界制造业强国也具有至关重要的意义。
并且未来 10年～15年，将是推进我国工业化进程的关键时期，冶金、电力、石化、船舶等行业将继续开展，对大型铸锻件的需求也随之增加因此，通过自主创新和技术改造更新技术装备，突破大型铸锻件瓶颈制约，已是大势所迫，刻不容缓[1～4]然而目前我国大型铸锻件自主化主要面临如下问题：第一，大型铸锻件产品试制本钱高重大技术装备大型铸锻件尺寸大、形状复杂、技术要求高、制造难度大，需要解决冶炼、锻造、热处理等一系列技术问题第二，大型铸锻件制造机理亟待突破由于缺乏根底技术，不掌握大型铸锻件机理，产品质量难以保证第三，高端铸锻件产品进入市场门槛高，国内用户不愿冒险使用国产装备第四，重复建设影响大型铸锻件自主化[5]目前大铸锻件淬火工艺是突破大型工件制备技术的关键均匀、高速的液流是保证工件冷却速度、获得所需组织与性能的关键传统的研究手段不能有效解决上述问题，需要借助于计算流体力学技术对大型淬火水槽内的流场进行分析和优化研究[6]淬火介质的流动对淬火来说是至关重要的，因为淬火槽的体积和介质流速决定了冷却循环过程中的换热情况[7～8]此外，淬火槽内的速度场也是决定对流换热系数的关键因素大型铸锻件通过淬火工艺将大幅提升钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，以满足各种机械零件工具和装备制造业的不同使用要求，也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能，以用于特定的装备制造业中。
目前淬火槽内介质流场对淬火过程影响较大，但有效地控制介质流动可获得较好的淬火效果，所以以介质流场为研究对象，研究淬火槽流场分布特点，这些研究对于指导淬火槽设计、保证工件淬火质量都是非常重要的基于这一工作思路，本次设计针对淬火槽内介质流场为研究对象，为淬火槽的结构设计和淬火冷却过程的智能化控制打下良好的根底这一设计方法的提出和优化研究，将会建立起一个淬火工艺技术、淬火设备与组织、性能之间相互关系的有效研究和实用渠道[9]1.2国内外研究现状与开展趋势目前热处理行业的研究方向主要集中于淬火过程的实验测试与计算流体动力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究近几年来对淬火冷却介质的研究开发也取得了一定的成绩，但是对淬火冷却设备方面的研究报道却甚少，这在很大程度上制约了淬火冷却设备的改造与更新，且影响淬火产品质量的提高而淬火槽的结构设计对于工件的淬火质量影响是非常大的1.2.1流场相关模拟Nakamura[10]等研究了过去由Tamura研究所开发的银探头， 其作用是用于测试淬火油中各种污染物对探头周围成膜的不均匀性及随后膜破裂的影响此研究成果在目前将有助于解释有害杂质的存在对淬火不均匀性， 如软点、开裂等的影响。
而Segerberg也利用冷却曲线研究了油和高压气体，淬火介质所呈现的界面冷却性能的差异的成果和GE.Toettn以及[11～12]等这些科学家也通过考虑流场与传热之间的关系，用计算机模拟方法研究出了油和聚合物淬火介质与工件外表热交换的机理，通过这个研究报告，分析出了介质的流动状况对换热系数的影响从获得的结果来看，工件浸入液体介质中淬火比过去想象的要复杂，介质的流动状况对冷却不均匀性和淬火畸变存在较大影响所以针对流场进行模拟对淬火过程具有重要意义企业方面上海重型机械厂等单位开始采用有限法，对中、小型轧辊淬火冷却过程进行了模拟；虽然他们根据自身情况出发，从数学模型、物性参数、换热系数等都进行了一定量的简化，但是模拟结果的总体还是非常有意义的清华大学等学校采用有限法对中、小型轧辊和电机转子淬火冷却过程进行了模拟计算，根据结果对现实生产工艺提出了一些建议[9]郑州机械研究所[13]等科研单位也淬火过程模拟计算领域取得了一定的研究成果通过国内外的研究，目前在计算过程中对物性参数非线性问题处理的认识和研究还需要不断的深入但我国淬火过程数值模拟和国外相比，在理论研究和工业应用都存在着一定的差距目前热处理设备的设计中应用流场动力学模拟也有相应案例，上海交通大学曾帮助盐城丰东热处理和洛阳矿山机器厂所设计的有效装炉气体渗碳炉进行了流场动力学模拟，通过此次模拟使大型齿轮渗碳时齿面周围的气体流速到达一定的要求，从而保证了齿面渗碳的均匀性。
通过把流场动力学模拟引入到热处理计算机模拟的研究范围中，尽可能将工件与介质以及整个空间作完整的模拟对象，是一个重要的开展趋势[14]热处理智能化将成为信息化时代背景下热处理技术开展的一个重要方向，热处理模型和计算机模拟将被各国热处理界所重视1.2.2淬火冷却设备目前我国淬火槽大致有两种类型，一种是位于自动生产线中的连续式淬火槽，工件经过传送机构送入各种加热炉中处理，随后被传送到淬火槽中，完成淬火过程这类淬火槽大多有控温(加热、冷却)、搅拌功能，如网带炉、推杆式气体渗碳炉、密封箱式炉等的淬火油槽另一种主要是针对目前量大面广的周期式热处理炉用的周期式淬火槽这些淬火槽性能单一，有的工厂仅用一个简单的槽体，有的在槽内装有蛇形冷却管、加热器、升降台等设施，甚至有的工厂为了搅拌淬火油而向槽中通压缩空气严重影响了工件的淬火质量很少有根据工件冷却性能要求设计的淬火槽，导致工件淬火质量差而不稳定国外通用淬火机床朝柔性化方向开展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内〔如30mm〕与长度300～800mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进机零件；Robotron.Eiotherm推出了一种双主轴立式淬火机，它能够在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需2～5min，用计算机编程，根据工件号在2 min内就可调出有关工艺数据；而GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。
专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行先进的计算机控制技术还可以监控并在屏幕上显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部的操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏。