大型锻件淬火过程流场与传热特性研究

The balanced distribution of temperature and controllable cooling rate at the surface of workpiece are the determining factors for the quenching quality controls of workpiece. In this project, based on the characteristics of different boiling stages in the process of quenching, the mathematical model of boiling two-phase flow and fluid-solid conjugated heat transfer will be created, the mapping relationship between the heat transfer coefficient of workpiece and flow characteristics of quenchant will be established, and the required flow field structure of quenchant near the workpiece in different cooling stages will also be analyzed. By choosing appropriate mixing component, optimizing of mixing componnet structure and parameter, and controlling the flow velocity of quenchant near the workpiece in different cooling stages, the cooling rate of different parts of workpiece will be dominated. Finally, the control method of quenching quality of heavy forging will be proposed. This project will provide reliable basis for realization of the microstructure-based control of flow field, rational structure design of large quench tank, and rational process design of heavy forging.

大型锻件淬火过程中工件表面温度分布均衡性及工件温降速度可控性是控制工件淬火质量的关键因素。本项目根据工件淬火过程不同沸腾阶段的特性，建立沸腾两相流动以及冷却介质和工件间流固耦合传热的数学模型，研究不同沸腾阶段流场与传热的耦合作用机制，探明工件表面传热与工件表面冷却介质流动特性间的映射关系，基于工件组织要求研究工件表面前沿冷却介质在不同冷却阶段所必需满足的流动特性要求。在此基础上，通过对淬火槽内的混合元件合理设置以及结构改进和参数优化，对不同沸腾阶段工件表面液流速度进行调控，主动设计大型淬火水槽内的流场结构特性，控制工件不同部位的冷却速率，保证大型锻件淬火的组织均匀性。本项目将提出保证大型锻件淬火质量的流场控制方法，为实现基于工件组织要求的淬火水槽的流场调控、为大型锻件淬火水槽的结构设计和大型锻件的工艺设计提供理论依据。

基于现有理论，本项目系统研究了工件淬火冷却过程中的汽液两相沸腾流动与流固耦合传热问题。通过项目研究，取得如下成果：（1）基于工件淬火特征，建立了淬火冷却过程中沸腾两相流动及流固耦合传热的数学模型；（2）以多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics为计算平台，通过二次开发和数据对比实现了数学模型的数值求解和可靠性验证；（3）通过研究工件表面传热影响规律以及淬火过程中流动与传热耦合作用，获得了工件放置方式的优选条件，研究发现工件淬火时不同沸腾阶段的时长主要受到冷却介质初始温度和流速的影响，且工件表面温度不均匀的主要影响因素为过渡沸腾阶段时长；（4）以筒体、封头等典型生产件为研究对象，结合大型锻件淬火水槽的结构特点，分析了淬火时工件表面前沿冷却介质的流动特性要求，提出了工件放置方式以及大型淬火水槽流场结构的必备特征；（5）通过分析不同混合元件对大型淬火水槽内冷却介质流动性能、循环性能的影响，对不同混合元件进行结构改进和参数优化，提出了基于工件结构特征的大型淬火水槽的流场分区控制方法，主动设计大型淬火水槽内的流场结构，保证大型锻件淬火质量。本项目的研究成果已在企业中获得实际应用，为大型淬火水槽的流场调控和结构设计提供了理论依据，提高了大型锻件淬火工艺水平，具有一定的理论指导意义和工程应用价值。