等温正火炉冷却段喷管的冷却特性研究_谢康.pdf

收稿日期：作者简介：谢 康（），硕士 工程师；等温正火炉冷却段喷管的冷却特性研究谢 康 张荣明 贾汇桥 付嘉宝 蔡全福（.中冶南方（武汉）热工有限公司，.中冶南方工程技术有限公司）摘 要 等温正火工艺中快冷段的喷管形式决定了棒料冷却的均匀性，直接影响产品质量。文章利用 软件对两种结构喷管的流场和压力场进行了数值模拟，然后通过拖偶测试的方法测量棒料表面与芯部的温度，对喷管冷却性能进行研究。数值模拟和拖偶测试均表明在等温正火条件下，结构形式一的喷管气体流速和压力更为均匀，快冷过程中冷却的更均匀。关键词 棒料 冷却段 喷管 稳定性文献标识码：文章编号：（）（.（），.），等温正火与传统正火的差异主要表现在相变控制方面，等温正火能够更加高效地控制相变，保证零件组织与性能的稳定，提高产品的质量。等温正火的关键工序是快冷，主要目的是让热处理的棒料能够在最短时间内形成两相区，降低碳与其 他 元 素 向 周 围 扩 散，防 止 出 现 带 状 组织。等温正火过程一般采用喷管喷吹冷保护气的形式进行快冷，其中喷管结构决定了冷却速度和冷却均匀性，直接影响到产品最终质量。文章利用 软件对两种结构喷管进行流场和压力场模拟，结合模拟结果，测量棒料表面与芯部的温度，对喷管冷却性能进行研究。实验条件.实验设备国内某大型特种钢生产企业新建的一条棒材多功能连续式等温正火炉生产线包括：进口布料台架及上料横向输送装置、进口辊台、入口密封室、加热保温段、快冷段、等温段、水套缓冷段、出口密封箱、卸料辊台、出口横向输送机构及集料台架、液压系统、压缩空气系统、冷却水系统、氮气保护气、自动化仪表控制系统和电.冶 金 能 源 气系统。.检测设备检测设备包括热电偶和记录仪。热电偶为铠装 型热电偶，等级为 级，温度范围 ，尺寸为 记录仪为 横河 无纸记录仪，采样周期 。.实验棒料调试用材由该特种钢生产企业提供，棒料直径 ，长度 。测试时炉内连续进 批料，炉辊的载荷为 。实验方法将热电偶固定在棒料上，热电偶随着棒料按照工艺速度在炉内进行热处理，记录仪实时记录热电偶的温度变化。先将棒料钻孔然后插入热电偶，以测量棒料的芯部温度；再在棒料表面固定热电偶，以测量棒料表面温度（也能近似反映该测量点的炉气温度）。热电偶布置如图，其中 号、号、号测量的温度分别对应着喷管总管远端、中间、入口端的棒料表面温度，号、号、号测量的温度分别对应着喷管总管远端、中间、入口端的棒料芯部温度。连续式等温退火炉沿炉长方向一共设置有 个温控区，其中第 区为快冷区。在实验过程中，连续式等温退火炉按工艺设定好温度，具体温度见表。图 热电偶布置方案（宽度方向）表 各炉区温度设定值炉区温度 图 喷管结构 实验结果及分析探究不同形式喷管的流场，优化后续设计，进一步提高产品稳定性。选定某公司设计使用的喷管结构，如图 所示。两种喷管外形尺寸一致、喷嘴的分布相同，区别在于结构形式二的内部增加了均流管。在等温正火过程中，棒料降温速度一般要求在 ，降温时间要控制在 之内。在匹配的工艺速度下，为满足冷却要求，上下对称布置 根喷管。此次实验主要目是在相同工艺条件下，对不同结构的喷管冷却特性进行对比分析，选出更适合等温正火条件的喷管结构。.模拟结果分析在拖偶实验之前，利用 软件，在工作条件下对不同结构喷管的流场进行了数值模拟。输入条件：单根喷管的输入压力为 ，输入介质，外部为自由空间。仿真模型采用参考文献中的 湍流模型，文献中 模型与标准 模型和低雷诺数 模型相比结果更接近实验值。湍流模型计算量适中，符合工程应用上的射流冲击换热问题的计算要求。首先对喷管内部的流速以及压力进行了模冶 金 能 源 .拟，仿真结果见图 和图。图 结构形式一内部流速、压力模拟结果图 结构形式二内部流速、压力模拟结果两种喷管结构的大流速均聚集在总管入口处并成喷射状。在相同的输入压力下，结构形式二的喷管进口面积更小，因此流速更大，最大流速达到了 ；结构形式一的喷管内部最大流速没有超过 ；结构形式一总管内部的压力分布非常均匀，都在 左右；结构形式二在总管入口处压力为 左右，在总管尾端压力达到了 ，出现了较明显的憋压现象。产生憋压现象的原因是均流管内部气体流速过大，气体来不及喷出，在总管尾端聚集，形成了局部的高压区。等温正火的过程中，棒料冷却主要通过棒料与喷吹在棒料表面的低温气体之间的热交换来实现。实际喷吹时，棒料上表面距离喷管总管中心约 ，因此对距离喷管总管中心为 处的截面的气体流速进行仿真模拟。模拟结果显示，在结构形式一的条件下，该截面上气体流速分布比较均匀；在结构形式二的条件下，该截面上气体流速分布与之前内部压力的模拟结果相似，即大流速在喷管总管尾端聚集，速度分布明显不均，前后喷吹出的气体流量有明显差异，会导致同一批棒料的同一截面冷却速度不同，影响产品质量。.拖偶测试结果分析为验证模拟结果，对不同喷管在等温正火条件下进行了拖偶测试。热电偶随棒料进入炉内实时测量温度，每 对数据进行一次记录，测量结果如图 和图 所示。图 结构形式一的拖偶测试结果两种结构的拖偶测试过程中，结构形式一的棒料终冷温度在 左右，结构形式二的棒料终冷温度则在 左右，结构形式一的喷管冷却效果更好，且冷却速率满足工艺要求。在快冷过程中，结构形式一的三个棒料芯部温度、三个棒料表面温度都基本重合，在局部放大的趋势图中，三个棒料表面温度与三个棒料芯部温度变化趋势相同。冷却结束后，三个棒料芯部温度也未发生明显的波动。表明棒料在热处理过程中，同一截面冷却速度接近，冷却变化趋势相同，不会对产品性能的稳定性造成影响；结构形式二的条件下，在快冷过程中，三个棒料芯部温度与表面.冶 金 能 源 图 结构形式二的拖偶测试结果温度在总趋势图上也无明显的差异，但快冷之后，三个棒料芯部温度出现了明显的差异。在等温退火快冷段的趋势图中可以看到，号热电偶的温度测量值明显高于 号和 号热电偶测量值（号、号、号测量的分别是喷管总管远端、中间、入口端的棒料表面温度），且 号、号、号热电偶测量值的变化趋势有明显的不同，号、号、号热电偶的温度测量值呈阶梯式增高（号、号、号测量的分别是喷管总管远端、中间、入口端的棒料芯部温度），说明喷管的远端喷出的气体更多、冷却能力更强。在这种冷却模式下，热处理过程中同一截面的冷却速度不一致，冷却不均匀，对产品性能的稳定性造成一定的影响。拖偶实验的结果与之前的仿真模拟结果一致，理论与实践相互验证，进一步证实此次喷管冷却特性研究的科学性，同时为工程应用打下坚实基础。结论对仿真结果与拖偶实验的结果进行分析，在测量条件下，能得到以下结论：（）拖偶实验可以在线、动态的测量棒料芯部温度及表面温度，不仅可以判断热工制度的合理性，而且可以测量等温正火炉快冷段喷管的冷却特性，为等温正火炉喷管的设计提供有利数据条件；（）在等温正火条件下，结构形式一的喷管各个喷嘴喷出的气体流速、压力较结构形式二的更为均匀，最终表现在等温正火的快冷过程中冷却更均匀；（）在等温正火条件下，结构形式二的喷管在总管尾端出现了憋压现象，导致靠近总管尾端的喷嘴喷出流速及压力明显高于其他部位的；（）经过拖偶实验的验证，证明结构形式一的喷管更加适合等温正火过程中快冷用喷管。参考文献 周平波.基于齿轮等温正火工艺的研究与应用 科技经济导刊，（）：.韩志根，马火金，於文德，等.辊底式快速等温球化连续退火炉及其工艺 轴承，（）：，.李军伟，刘宇.三维数值模拟再生冷却喷管的换热 推进技术，（）：.黄洁雯，葛艳明，周凌云，等.钢的等温正火工艺研究 全国高校金相与显微分析学术年会，.张克俭.等温正火前期快冷用冷却介质的选择 机械工人（热加工），（）：，.许坤梅，张平 半封闭圆管冲击射流湍流换热数值模拟 北京理工大学学报，（）：.赵 艳编辑冶 金 能 源 .