摘 要：熱處理是決定金屬最終組織性能的關(guān)鍵，其中冷卻過程溫度場控制是熱處理的核心。大型環(huán)形鍛件尺寸規(guī)格大、風冷熱處理條件下溫度場一致性差、控制難。針對上述難題，本文通過環(huán)形縮比件風冷正火實驗與測量，反算對流換熱系數(shù)，開展環(huán)件風冷散熱的模擬仿真，研究環(huán)形件風冷溫度場演變情況，并給出風冷工藝的優(yōu)化策略。結(jié)果表明，環(huán)形件風冷正火過程流場與溫度場耦合變化，合理設(shè)計導流臺和風速能夠改善流場分布，并顯著提高環(huán)件散熱效率。本方法能夠為大型環(huán)形鍛件風冷正火過程的溫度場分析以及熱處理工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：環(huán)形鍛件；風冷正火；對流換熱；溫度場

中圖分類號：TG156.4

文獻標識碼：A

Simulation optimization of Air-cooling temperature field for Ring-shaped forging parts

ZHOU Yihui¹， LI Dayong¹， ZHOU Guowei²， ZHANG Zhiwu¹

（1. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2. School of Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract： Heat treatment is the key to determine the final microstructure and properties of the metal，and the temperature field control of the cooling process is the core of heat treatment. Large ring-shaped forging parts have large size，poor temperature field consistency and difficult controllability under air-cooled heat treatment conditions. In view of the above problems，this paper inversely calculates the convective heat transfer coefficient through the air-cooled normalizing experiment and measurement of the scaled ring-shaped parts. Through the simulation of the air-cooled heat dissipation of the ring-shaped parts，the evolution of the air-cooled temperature field of the ring-shaped parts is studied，and the optimization suggestions of the air-cooled process are given. The results show that the flow field and temperature field are coupled during the air-cooled normalizing process. The reasonable design of the deflector and the wind speed can improve the flow field distribution and significantly improve the heat dissipation efficiency of ring-shaped parts. The method in this paper can provide technical support for temperature field analysis and heat treatment process optimization of large ring forging parts during air cooling normalizing process.

Key words： ring-shaped forging parts; air-cooled normalizing; heat convection; temperature field

0 引 言

隨著我國航空航天、風電能源等領(lǐng)域高端裝備的迅速發(fā)展，對大型環(huán)形鍛件需求日益增多，如風電塔筒法蘭、航空機匣、核反應(yīng)堆加強圈、航天燃料箱連接環(huán)等^［1］。上述環(huán)形鍛件不僅尺寸規(guī)格大，而且組織性能要求高。如風電塔筒法蘭需滿足海上復(fù)雜惡劣力學載荷、低溫性能及耐腐蝕要求，其中熱處理獲得的組織和性能直接決定了其服役性能，因此環(huán)形件熱處理工藝的分析成為大型環(huán)形鍛件加工研究的重點。

大型環(huán)形鍛件尺寸規(guī)格大，在熱處理冷卻過程中溫度如果控制不當，不僅導致組織性能分布不均勻，而且容易造成縱裂、環(huán)件報廢。目前，風電塔筒法蘭采用低合金鋼環(huán)軋制備，相應(yīng)的熱處理工藝多為正火風冷^［2］。為提高生產(chǎn)效率，環(huán)形鍛件在熱處理過程中通常采用堆疊方式，即工件在熱處理爐中加熱至A_C3或A_cm溫度以上30～50 K后保溫一段時間，再轉(zhuǎn)移至空氣中進行堆疊，隨后進行強制風冷或噴霧冷卻以獲得預(yù)期的組織和性能^［3］。風冷相比水冷，冷卻速度較慢，有利于降低冷卻后的殘余應(yīng)力，同時，相對空冷較高的冷卻速度，其能夠有效改善熱處理性能^［4］。風冷工藝具有的獨特優(yōu)勢使其成為大型環(huán)形鍛件熱處理中主要的冷卻方式。但是在實際生產(chǎn)中，多個大型環(huán)鍛件堆疊方式會對風冷流場及溫度場產(chǎn)生復(fù)雜的影響，如何合理地設(shè)計流場、控制溫度場是其中的關(guān)鍵。大型環(huán)形鍛件熱處理實驗比較困難，同時表層較深的氧化皮導致溫度監(jiān)測準確性低，單純依靠實驗難以實現(xiàn)冷卻過程的優(yōu)化^［5］。基于流體仿真的冷卻過程模擬，齊建華^［6］研究了鋼管在空冷淬火和回火過程中的溫度場變化，獲得了鋼管空冷熱處理條件下的散熱特性。針對環(huán)鍛件熱處理中的溫度場分析，劉鑫^［7］將CCD與紅外熱像儀結(jié)合，建立了環(huán)形鍛件表面溫度測量系統(tǒng)；朱帥^［8］通過實驗研究了鈦合金環(huán)軋后冷卻降溫階段的組織演變規(guī)律。上述研究為環(huán)形鍛件熱處理分析提供了重要的支撐，但是目前對于環(huán)形鍛件風冷及其溫度場調(diào)控研究仍比較缺乏。

針對大型環(huán)形鍛件熱處理風冷中流場和溫度場調(diào)控問題，本文通過縮比樣實驗，確定關(guān)鍵對流換熱系數(shù)，利用Fluent軟件建立對流換熱仿真模型，對比研究了環(huán)件在不同風冷設(shè)計下的散熱特性和溫度場分布。進一步，通過改變散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，分析評估了流體風速與添加導流臺對整個系統(tǒng)散熱效果的影響。本研究方法可以為大型環(huán)形鍛件熱處理正火風冷工藝開發(fā)及優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 小型環(huán)件的風冷散熱實驗

1.1 實驗條件

首先開展了小型環(huán)件的風冷散熱實驗，以獲得小型環(huán)件在強制風冷條件下的溫度場變化情況，根據(jù)溫度變化數(shù)據(jù)反算出對流換熱系數(shù)，為后續(xù)仿真模型的邊界條件設(shè)置提供參考。本次實驗采用的環(huán)件材料型號為S355NL合金鋼，環(huán)件尺寸為?280 mm×200 mm×40 mm，環(huán)件之間的間距為40 mm，使用熱處理爐進行隨爐升溫，升溫速率為10 K·min^－1，加熱至900 ℃后，保溫1 h使環(huán)件溫度分布均勻，環(huán)件保溫結(jié)束后通過小車迅速推出至平臺，平臺上圍繞環(huán)件放置4臺小型風扇對環(huán)件進行風冷正火，風扇距離環(huán)件外徑200 mm，風速穩(wěn)定在10 m/s，正火過程采用紅外熱成像儀進行溫度監(jiān)測，每分鐘進行一次溫度監(jiān)測。溫度歷史監(jiān)測點取自各個環(huán)件內(nèi)壁、外壁以及端面，實驗布置與溫度監(jiān)測點設(shè)置如圖1所示。正火風冷過程中，在每一時刻對環(huán)件內(nèi)壁、外壁與端面進行溫度監(jiān)測，每分鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)，每個面至少記錄三個以上不同位置的數(shù)據(jù)。

1.2 實驗結(jié)果

圖2中展示了不同位置環(huán)件的溫度變化歷史，可以看出，環(huán)件在出爐之后的10 min內(nèi)溫度從初始的900 ℃迅速降低至580 ℃左右，同時，環(huán)件的不同監(jiān)測點位置（外壁、內(nèi)壁和端面）的溫度差異較小。在經(jīng)過30 min左右的風冷正火后，整體溫度下降至250 ℃左右。其中，由于頂部環(huán)件的端面空氣流動情況較好，相比底部與中部環(huán)件，不同時刻下的環(huán)件溫度都相對較低。該風冷正火過程為強制對流冷卻方式，根據(jù)流體掠過物體表面的經(jīng)驗公式，可計算出環(huán)件不同溫度下的強制對流換熱系數(shù)，根據(jù)集中參數(shù)法的能量平衡式^［9］：

其中，h為物體的對流換熱系數(shù)；T為物體的溫度；T_f為流體溫度；ρ為物體的密度；V為物體的體積；C_p為物體的比熱容；t為時間。對該式進行積分可得到對流換熱系數(shù)的計算公式為：

根據(jù)所測得的實驗數(shù)據(jù)，選取了中部環(huán)件進行了計算，得出本實驗中環(huán)件的強制對流換熱系數(shù)h與溫度的關(guān)系，如圖2所示?？梢钥闯觯S著環(huán)件溫度變化，表面的對流換熱系數(shù)有一定波動，但沒有發(fā)生太大變化，對流換熱系數(shù)在41 W·m^-2·K^－1左右變化，在風冷仿真對流換熱系數(shù)的合理范圍內(nèi)（20～200 W·m^-2·K^－1），在后續(xù)的仿真計算過程中，對流換熱系數(shù)統(tǒng)一采用該數(shù)值。

2 環(huán)形件風冷模型

2.1 環(huán)形件模型建立

利用ANSYS ICEM建模軟件，按照實驗室的風冷系統(tǒng)尺寸，以1∶1的比例建立三維空間物理模型，模型使用尺寸為?280 mm×200 mm×40 mm的圓環(huán)堆疊而成，環(huán)件之間的間距為40 mm。環(huán)件與流體域的物性參數(shù)如表1所示。采用4個直徑為200 mm的風機進行冷卻，風機與環(huán)件中心的距離設(shè)計為400 mm。整體模型由于存在對稱性，在實際建模計算過程中使用1/4對稱模型，以減少計算時間，提高效率，如圖3（a）所示。

首先通過建立單個環(huán)件散熱的數(shù)學模型，開展環(huán)件的散熱特性研究。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律^［10］，便可得到單個環(huán)件在直角坐標系中的導熱微分方程：

式中，ρ為環(huán)件的密度，C為環(huán)件的比熱容，Δ為拉普拉斯算子，λ為環(huán)件的導熱系數(shù)，Q·為環(huán)件在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

風冷散熱過程是通過環(huán)件與空氣之間的相互作用來傳遞熱量的，涉及到流固之間的耦合換熱。因此，為了研究環(huán)件在散熱系統(tǒng)作用下的散熱特性和溫度場分布，需要引入流體傳熱控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程^［11-12］。通過這三個封閉的傳熱控制方程，利用Fluent仿真軟給定邊界條件對微分方程進行離散和迭代求解，從而得到溫度場的分布特性。

2.2 模型假設(shè)條件

為簡化問題、便于模擬分析，對本文中使用的計算模型進行如下假設(shè)。

（1） 流動的空氣可視為不可壓縮牛頓流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即空氣的密度僅隨溫度的變化而變化，而不受壓力影響。

（2） 環(huán)件之間的墊塊以及環(huán)境中的其他部件對環(huán)件散熱的影響忽略不計，同時不考慮輻射換熱。

（3） 將風機對流體的作用簡化為恒定流速與固定方向的壓力流體，進行模擬計算。

2.3 網(wǎng)格劃分

將圖3（a）所示模型劃分為兩個區(qū)域，分別是空氣流體域與固體域，流體域大小為4 000 mm×4 000 mm×4 000 mm，采用ANSYS Fluent Meshing軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，環(huán)件采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為4 mm，流體域的網(wǎng)格劃分同樣采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為8 mm，將環(huán)件與流體域的交界面設(shè)置為流固耦合界面，采用共享節(jié)點方法將流體域與環(huán)件交界面的網(wǎng)格進行耦合，同時對流固耦合換熱界面附近以及流體入口附近的網(wǎng)格進行加密，此次網(wǎng)格總數(shù)量為107 097個，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確定滿足仿真精度的要求，具體1/4仿真模型的網(wǎng)格劃分情況如圖3（b）所示。

2.4 邊界條件設(shè)置

邊界條件根據(jù)實驗條件進行設(shè)置：將風機入口處設(shè)置為計算域的速度入口邊界（velocity-inlet），采用實驗所用風機風速（10 m/s）與進口風溫（20 ℃）作為初始風速和風溫；環(huán)件初始溫度設(shè)置為從熱處理爐轉(zhuǎn)移出的初測溫度900 ℃；將流體域的底面設(shè)置為絕熱邊界，環(huán)件和流體都不與其發(fā)生換熱，設(shè)置環(huán)件和空氣對流換熱的流固耦合面，考慮到流體流動對流固耦合界面對流換熱的影響，設(shè)置前文中反算出的對流換熱系數(shù)；將與環(huán)件截面所在平面設(shè)置為兩個對稱面，同時將流體域的剩余其他面設(shè)置為計算域的出口邊界，并設(shè)為壓力出口（pressure-outlet）。在Fluent軟件中，求解器Solver采用3D、隱式、瞬態(tài)壓力求解方法，開啟Energy能量方程、采用Realizablek-Epsilon湍流模型，計算界面換熱時采用壁面函數(shù)法。

3 風冷散熱模擬仿真結(jié)果分析

3.1 仿真模型驗證

仿真使用計算機配置為AMD EPYC 7B13處理器，2.25 GHz，64 G內(nèi)存，采用64核128線程并行計算，完成計算所需時間為126 118 s。通過仿真模擬獲得在該條件下的環(huán)件溫度場變化曲線，從圖4（a）的仿真結(jié)果可以看出，1/4環(huán)件的溫度分布具有一定的對稱性，在風冷1 min后，單個環(huán)件的溫度分布存在一些差異，但在20 K以內(nèi)。隨著風冷的進行，不同位置環(huán)件的整體溫差逐漸加大。風冷15 min后，不同環(huán)件的溫差增大至100 K以上，而單個環(huán)件不同位置處的溫度差異相比不同環(huán)件的溫差顯著下降，顯示了風冷對同一環(huán)件溫度場均勻分布的效果。由于每一時刻單個環(huán)件整體的溫度分布較為均勻，但不同位置處的溫度差異較大，因此統(tǒng)計了不同數(shù)據(jù)外壁面的平均溫度變化數(shù)據(jù)，如圖4（b）所示，結(jié)果表明，溫度的下降趨勢與實驗監(jiān)測結(jié)果基本保持一致，證明了仿真模擬能夠較好地模擬環(huán)件在風冷條件下的溫度場變化，驗證了建模方法與參數(shù)設(shè)置的準確性。

3.2 風冷參數(shù)對散熱影響分析

在上述仿真模型的基礎(chǔ)上，進一步開展數(shù)值仿真，分析不同風冷參數(shù)對堆疊環(huán)形鍛件流場及溫度場的影響。

3.2.1 風扇風速對散熱特性的影響

通過增大風扇流速提高散熱效率是實現(xiàn)環(huán)形鍛件高效冷卻的最直接的方法，根據(jù)流體的換熱系數(shù)公式可以看出，物體表面的對流換熱系數(shù)與流體流速正相關(guān)。圖5展示了不同風機流速下的溫度場分布和溫降曲線。

仿真結(jié)果表明，在不同時間下不同位置處的環(huán)件溫度差異明顯。隨著時間推移，溫度的差異越來越大，從仿真結(jié)果可以看出風扇流速的明顯效果，當風機流速從5 m/s提升至10 m/s時，環(huán)件的降溫效率迅速提高，經(jīng)過30 min的散熱時間，環(huán)件在5 m/s的風速下溫度最多下降至300 ℃左右，然而在10 m/s的風速下溫度可下降至200 ℃。同時，前期的溫度下降速率也顯著提高，頂部的環(huán)件散熱速率提升最為明顯。當風速提升至20 m/s時，環(huán)件的溫降效果有所提高，溫度可下降至150 ℃，但帶來的散熱效果改善與5 m/s提升至10 m/s時的效果相當?？梢钥闯?，提高風速雖然能夠有效改善散熱效率，但存在一定的邊際效益，并且，過高風速帶來的大溫度梯度可能影響環(huán)形件整個截面的溫度均勻性，導致組織性能不均勻。實際生產(chǎn)中，大尺寸環(huán)形件的尺寸效應(yīng)更會放大這一負面效果。從經(jīng)濟效益、組織性能和散熱效率的綜合效益考慮下，選擇10 m/s的風速最佳。

圖6展示了不同風機風速對流場速度矢量分布的影響，可以看出，改變風速對于流場流速

的分布沒有顯著影響，環(huán)件附近的流速矢量分布呈現(xiàn)從頂部至底部逐漸減小的趨勢，這與環(huán)件溫度場分布規(guī)律基本一致，而在不同風速下，環(huán)件附近都存在著一些靜風區(qū)，這會影響環(huán)件與流體的對流換熱，如果能夠消除靜風區(qū)，改進目前的散熱系統(tǒng)，則能夠進一步提高散熱效果。

3.2.2 輔助散熱裝置對風冷散熱的影響

為進一步改善環(huán)件風冷散熱效果，根據(jù)消除流場靜風區(qū)的思路對風冷散熱系統(tǒng)進行調(diào)整，通過添加輔助散熱裝置對流場進行調(diào)整來改進散熱效果，結(jié)合仿真結(jié)果分析輔助散熱裝置對環(huán)件溫度場變化的影響。

設(shè)計了兩種不同形狀的導流臺作為輔助散熱裝置，導流臺的位置都位于環(huán)件中心處，柱形導流臺為截面直徑100 mm，高度240 mm的圓柱。同時，根據(jù)環(huán)件附近流場速度梯度自上而下逐漸下降的特點，設(shè)計錐形導流臺，尺寸為頂部圓直徑100 mm，底部圓直徑160 mm，高240 mm，模型設(shè)置如圖7所示。在不改變其他仿真參數(shù)的情況下，統(tǒng)一設(shè)置入口風速為10 m/s，研究導流臺對環(huán)件散熱效果的影響。

圖7中的流場速度矢量分布圖顯示，采用柱形導流臺時，環(huán)件附近的靜風區(qū)域幾乎沒有改變，說明了僅僅增加導流臺并不能顯著改善流場分布。而在采用錐形導流臺之后，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)件附近的靜風區(qū)幾乎消失，環(huán)件附近的流場速度矢量分布更為均勻，說明通過錐形導流臺的流體阻隔和回流作用，能夠顯著改變環(huán)件附近的流場，這有利于實際生產(chǎn)中環(huán)件溫度場和性能的均勻分布。

圖8展示了采用兩種導流臺的仿真模擬結(jié)果，可以看出，采用錐形導流臺時，環(huán)件的散熱速率顯著提高，最終的最低溫度可下降至100 ℃左右，而采用柱形導流臺的最低溫度與無導流臺近似，在200 ℃左右。圖9統(tǒng)計了三種散熱系統(tǒng)下的最終平均溫度與降溫速率，可以看出，與無導流臺相比，采用柱形導流臺對于底部環(huán)件的散熱甚至有負面效應(yīng)，降溫速率有所降低，這可能與柱形導流臺難以改變自上而下的流場速度矢量分布相關(guān)。而采用錐形導流臺可以顯著提升環(huán)件的散熱效果，底部環(huán)件的降溫速率從21 K·min^－1提升至25 K·min^－1，降溫速率提升約20%。

4 結(jié) 論

本文采用實驗與仿真結(jié)合的方法，探究了不同風冷參數(shù)下環(huán)形件冷卻過程中的流場及溫度場。通過實驗室小型環(huán)件的風冷散熱實驗，結(jié)合紅外測溫實驗測量堆疊的小型環(huán)件在900 ℃風冷條件下的冷卻溫度場變化情況與相應(yīng)的對流換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)堆疊的環(huán)件自上而下散熱效率逐漸下降，對流換熱系數(shù)穩(wěn)定在41 W·m^-2·K^-1左右。通過Fluent仿真探究了小型環(huán)件在不同條件下的散熱性能，仿真結(jié)果表明，設(shè)計的錐形導流臺能夠有效改善環(huán)件風冷條件下的散熱性能，提高風速對加快散熱存在邊際效益，結(jié)合導流臺與合理風速有利于降低實際環(huán)件風冷過程的生產(chǎn)成本。

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