特钢型材风淬多喷嘴风压均匀性研究.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.3047前言随着我国高铁及重载铁路事业的飞速发展，再加上铁路运输密度的提高及铁轨总运载量急剧增加，铁轨及特殊应用环境所应用的型材受到负荷及曹树森摘要：由于某研究院特钢型材实验室应用的喷风机构存在各喷嘴出口风压不均的问题，导致风淬后的重轨表面出现性能分布差异很大的现象。该现象大大影响了科研人员基于钢轨表面性能的相关研究成果的分析和判定。为了解决上述问题，本文采用CFD计算方法分析现有喷风机构出现各喷嘴风压不均的现象和原因。通过CFD计算结果分析确定了现有喷风机构的问题和不足，然后优化设计了四种新型喷风机构。最后应用CFD计算方法，分析比较各个方案各喷嘴出口风压的分布情况，根据分析结果，最终选用文中的方案四作为最优新型喷风机构，该喷风机构将各喷嘴风压极差由7.9kPa降为0.22kPa，有效解决了喷风机构各喷嘴出口风压不均的问题。关键词：风淬；风压均匀性；试验平台；余热淬火中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1674-0971(2023)-003-06Cao Shusen（State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization,Panzhihua 617000，Sichuan,China）Abstract:Due to the problem of uneven wind pressure at the outlet of each nozzle in the compressed air spraymechanism deployed in the products of special steel laboratory of a research institute,the performance distributed onthe products of special steel surface after wind quenching is very different.This phenomenon greatly affects the anal-ysis and judgment of researchers based on the relevant research results of Products of Special Steel surface properties.In order to solve the problem,this paper uses the CFD calculation method to analyze the phenomenon and causesof uneven wind pressure at the outlet of each nozzle in the existing compressed air spray mechanism.Through theanalysis of CFD calculation results,the problems and shortcomings of the existing compressed air spray mechanismwere determined,and then four new air spray mechanisms were optimally designed.Finally,the CFD calculationmethod is used to analyzing and comparing the distribution of the outlet wind pressure at each nozzle for eachscheme.According to the analysis results,the 4th scheme discussed in the paper is finally selected as the best choice,which reduces the wind pressure range of each nozzle from 7.9kPa to 0.22kPa.It effectively solves the problem ofuneven wind pressure at the outlet of each nozzle of the compressed air spray mechanism.Keywords:gas quenching,gas pressure uniformity,test platform,residual heat quenching收件日期：2023-6-08青年人才基金项目：航空航天用高性能钛合金无缝管制备及质量控制研究，编号:2022JDJQ0029作者简介：曹树森（1977-），男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：冶金机械结构优化、创新设计及特种冶金机械设备的研发，Email：shusen-。（钒钛资源综合利用国家重点实验室,四川 攀枝花 617000）特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第116期2023年第3期Vol.29（116）2023.No.3Study on the uniformity of gas pressure of multiple nozzlesfor gas quenching of products of special steel特钢型材风淬多喷嘴风压均匀性研究管理及其他磨损相应恶化，因此，对重轨及特钢型材的强度，特钢型材的耐磨性及其使用寿命的需求越来越高。而提高特钢型材强度最有效可行的办法就是热处理1。由于喷风冷却淬火（简称风淬）冷却均匀、硬度分布合理及便于生产管理等特点，各特钢型材厂家纷纷采用利用型材余热进行风淬的方式对特钢型材进行热处理2-3。为了掌握风淬的作用机理，最大化地发挥风淬的效能，各钢厂及研究机构建立风淬实验装置来对风淬的效能进行了大量的研究4-6。周剑华、任安超等人通过特钢型材热处理试验以及采用Ansys Flotran软件，分析出喷嘴与型材之间距离在1520 mm范围时，型材热处理硬度分布最好7。R R Schmidt和U Fritsching 通过速度测量和气流可视化技术对气淬的内部流场进行了试验研究，通过工件的不同摆放方式，揭示了均匀的气流分布总是表现出工件风淬结果非常好的均匀性8。该研究可充分表明风压均匀分布对获得均匀的特钢型材表面硬度的至关重要性。曹盛强、余凤智等人基于Abaqus软件模拟了多喷嘴同时喷吹工件表面温度场的分布。研究结果表明在多喷嘴同时喷射下，喷射面上的换热系统分布随时间与空间是不均匀的9。该研究揭示了单排多喷嘴结构风压分布不均匀导致工件表面温度冷却效果不均匀的现象，但没有展开进行多喷嘴风压均布的进一步研究。郝康、赵贤明等简要介绍了试验室特钢型材表面风淬设备和工艺步骤，并通过试验分析揭示了风压变化对特钢型材表面风淬硬度层厚度的影响，其也强调了风压均匀分布对特钢型材表面硬度层分布的重要性，其通过增加喷嘴为三排在一定程度上改善了风压不均匀的现象10。综上所述，针对特钢型材风淬的问题，许多科研人员针对风淬热处理机理进行了很多研究工作，取得了大量的成果，对风压分布不均导致风淬硬度层分布不均匀的问题进行了分析和探讨，明确了风压均布对特钢型材热处理性能的重要性，但针对喷风结构本身对各喷嘴出口风压不均的影响的研究确鲜有报道。由于目前某研究院的特钢型材实验室应用的喷风机构存在各喷嘴出口的风压不均的问题，导致风淬后的重轨表面性能分布差异很大，不利于科研人员基于特钢型材表面性能的相关研究成果的分析和判定，因此开展多喷嘴风压结构特性及优化喷风机构各喷嘴出口风压均布性的研究具有重大的应用价值和研究意义。本文选取某研究院试验台特钢型材喷风机构为模型，对特钢型材风淬的多喷嘴喷吹机构的风压分布问题进行模拟分析，优化设计新型喷风机构，解决喷风机构各喷嘴出口风压不均的问题。1喷风机构工艺流程及结构形式实验室内模拟特钢型材产线风淬工艺流程是：首先将试样在电阻炉中加热至1 100，保温40min，使试样奥氏体化，模拟产线轧制出口时特钢型材的状态。然后，将试样从炉中取出，空冷25 s，模拟特钢型材在产线冷床附近辊子上的温降。然后将试样放入喷风装置内，在型材踏面和两侧喷入压缩空气进行冷却。在此期间，样品往复移动，模拟产线上风淬的过程。最后，将试样快速拖出喷风装置后空冷，模拟特钢型材在冷床上的空冷。所述的喷风装置结构示意如图1所示。喷风装置在特钢型材试样的三个表面各有一个喷风机构，每个喷风机构各安装三排交错布置的喷嘴组，喷风机构上在喷嘴背面位置有四个高压喷风（空气）入口。由于三个喷风机构结构相同，各喷嘴风压分布情况类似，因此本文选取其中一个（轨顶踏面喷风机构）作为研究对象。2现有喷风机构各喷嘴风压不均的原因分析为了充分了解和分析现有喷风机构各喷嘴出口风压差异较大的原因，本文采用CFD方法针对现有喷风机构的内腔建立流场模型，模拟喷风机构腔体内风压及速度的分布，分析各喷嘴出口风压差异性及产生的原因。2.1 喷风机构内流场计算的数学模型喷风机构内流场计算所应用的数学理论方程包括质量守恒、动量守恒和K-方程11等：特钢技术第29卷第3期图1 喷风装置结构示意图Fig.1 The diagram of the air spraying device 61（1）质量守恒方程，也称作连续性方程：t+（U-）=0(1)（2）动量守恒方程，又称为N-S方程：D（U-）Dt=F-p+U-(2)式中：U-速度矢量；P-流体压力；-流体的动力粘度；F-作用在流体上的质量力，在重力场中F-=mg。由于气体是由四个入口同时进入腔体，经计算气体入口雷诺数为23 500，大于2 300，气体流动为湍流，且气体进入腔体后各入口的气体相互扰动和侵入，形成紊流，因此计算中选用-方程来描述，也就是求解流动时气体湍流动能和湍流粘性系数：kt+（U）=+t +G-（3）kt+（U）=+t +C1KG-C22（4）式中、C1、C2都是常数。G表示平均速度梯度生成的湍流动能，表达式：G=tU（U+（U）T）-23U（tU+1）（5）2.2 喷风机构内流场数值仿真模型及边界条件现有喷风机构在上下、左右两个方向均为轴对称分布，因此可选取1/4模型进行CFD数值仿真分析。考虑到获得相对准确的各喷嘴出口压力结果，需要让气流从喷嘴出口喷出后充分自由扩散，尽量减小出口边界条件对喷嘴出口处压力或者速度的影响，因此在建立流场模型时，喷嘴外部流场的空间长度应大于喷嘴直径的20倍，考虑到本文中的喷风结构为多喷嘴，因此建模时喷嘴外外流场长度取为大于喷嘴直径30倍。建立的模型如图2所示。由于喷嘴位置区域是喷风机构内流场流动的重点区域，为了更好的捕捉喷嘴射流的流动特征，提取每个喷嘴出口的压力或者速度，本文采用局部加密的方式细化各喷嘴区域，网格尺寸控制在0.050.1 mm之间，而喷嘴区域之外流动速度相对较低，流动参数梯度相对较小，在这些区域网格采用尺寸向外逐渐过渡的方式，网格尺寸为 0.53mm。另外由于喷嘴尺寸较小，壁面附近变量梯度大，因此在加密该区域网格的基础上，添加了边界层网格。为了保证网格的连续性和网格质量，在喷风机构的所有内壁面均添加了边界层网格。本文所使用的计算模型空间离散网格示意如图3所示。按图2所示，设定入口和出口边界，其余默认设置为壁面。入口边界条件设定为压力入口，压力值为相对压力，P入口=0.5 MPa、入口温度值取为环境温度，t=300 K；出口边界设定为压力出口，出口相对压力值值为0，出口温度也取为环境温度，t=300 K；壁面设定为无滑移边界。计算方法为SIM-PLEC算法。2.3结果分析根据上述方法建立的1/4流场模型及边界条件，对当前应用的喷风机构内流场进行CFD计算，计算结果如图4图6所示。为了方便描述各喷嘴出口压力分布及数值，如图4所示，在建立的1/4流场模型中，对各喷嘴进行编号，从左到右依次将各喷嘴指定为1,2,3，12号喷嘴。从CFD计算结果清晰地反映出了各喷嘴出口压力不均的现象，从图4喷风机构内流场流线图中，可以看出在环绕入口喷风管附近的各喷嘴流线比较密集且流速较高；而远离入口喷风管的喷嘴喷组流线相对稀疏且速度较低；同样，在图5.a压力分布云图和图5.b速度分布云图中，也可以看出各喷嘴速度和压力分布不均的现象（既环绕入口喷风管附近的喷嘴出口的压力曹树森：特钢型材风淬多喷嘴风压均匀性研究第29卷第3期图2 CFD仿真流场三维模型Fig.2 The 3D model of simulated flow field图3 CFD计算网格示意图Fig.3 The diagram of CFD calculation grid 62特钢技术第29卷第3期和速度较高，而远离入口喷风管附近的喷嘴出口的压力和速度较低）。为了量化分析各喷嘴出口压力的差异，本文提取各个喷嘴出口截面的动压，并取其平均值，用于量化分析各喷嘴出口处压力具体差异。将提取的各喷嘴出口截面动压的均值做成图表，如图6所示。从图6中，可以看出，当进口压力为5 atm时，喷嘴3的动压最大，约为32.1 kPa，喷嘴9的动压次之，约为29.9 kPa，而12号喷嘴压力最小，约为24.2kPa，其与平均压力 25.9 kPa 的差值分别为 6.2kPa、4 kPa和-1.7 kPa。动压最大的3号喷嘴和动压最小12号喷嘴的差值为7.9 kPa。3多喷嘴出口均风压喷风机构的研发通过上述对现有喷风机构内流场的CFD计算结果可以看出，现有喷风机构各喷嘴出口压力不均主要是因为现有喷风机构结构不合理所致。一是喷嘴与喷风管出口距离个别喷嘴过短，由喷风入口进入喷嘴座内腔的气体来不及发散直接进入喷嘴，导致出现距离喷风入口管近的喷嘴出口动压大，而远离喷风入口管的喷嘴出口动压小的现象；二是喷嘴座内腔的体积较小，导致在各个喷嘴前端的压力就存在压力不均的现象。3.1多喷嘴出口风压喷风机构的设计为了解决现有喷风机构出现的各喷嘴出口压力不均现象，根据上述分析结果，本文设计了四种方案，力求解决喷风机构各喷嘴出口压力不均的现象。设计的四个方案如下。方案一：增加喷嘴座腔体的体积，并将入口与喷嘴座部分作出半圆柱体的形式。如图7所示。方案二：在方案一的基础上在圆弧过渡处增加多孔格栅（气体导流板）。如图8所示。方案三：增加喷嘴座腔体的体积，同时将喷嘴入口方向改为喷嘴座的侧面。如图9所示。图6 各喷嘴出口动压数值图表Fig.6 The chart of dynamic pressure at each nozzle outlet图4 喷风机构内流场流线图（1/4模型）Figure 4 The Flow field streamline diagram of the spraymechanism(1/4 model)图8 方案二的1/4模型Figure 8 The scheme 2s 1/4 model图5 对称面2的仿真结果云图Fig.5 The cloud map of symmetric plane 2图7 方案一的1/4模型Fig.7 The scheme1s 1/4 model图9 方案三的1/2模型Fig.9 The scheme 3s 1/4 model 63曹树森：特钢型材风淬多喷嘴风压均匀性研究第29卷第3期方案四：增加喷嘴座腔体的体积，将喷嘴入口方向改为喷嘴座的侧面，并在喷嘴座入口与喷嘴出口之间增加多孔格栅（气体导流板），如图10所示。3.2各方案喷嘴出口压力均布情况对比分析为了分析设计的各方案对各喷嘴出口压力不均的改善效果，同样采用CFD计算方法，网格划分及边界条件与对现有使用的喷风结构的条件相同，计算模式及方法也相同。计算的各方案的流线图如图11所示。从以上的各方案的流线图可以看出，方案一通过单纯增加喷嘴座腔体体积，流场分布不均现象依然比较明显，方案三把入口改在侧面，情况明显好转，但流场分布不均现象依然比较明显。方案二和方案四在腔体内增加格栅，格栅对流场均匀分布的作用较好，尤其方案四腔体内流线基本在腔体内均匀分布。仿真计算结果中的各方案的压力云图如图12所示。仿真计算结果中的各方案的速度云图如图13所示。从上述的压力云图和速度云图中可以看出，新设计的四种方案的各喷嘴的压力分布和速度分布均明显好于现有的喷嘴座的分布，方案四的压力分布和速度分布均优于其他三种方案。同样，为了量化分析各喷嘴出口压力的差异，本文分别提取四个方案中各个喷嘴出口截面的动压，并取其平均值，量化分析各喷嘴出口处压力具体差异。将提取的各喷嘴出口截面动压的均值做成图表，如图14所示。图14 新设计各方案各喷嘴出口动压分布对比图Fig.14 The comparison diagram of the dynamic pressure at theof each nozzle outlet in each scheme图10 方案四的1/2模型Fig.10 The scheme 4s 1/4 model图11 各方案流线图Fig.11 The streamline diagram of each scheme图12.各方案压力云图Fig.12 The pressure nephograms of each scheme图13 各方案速度云图Fig.13 The pressure nephograms of each schemee 64特钢技术第29卷第3期上面的图表是入口压力为5 atm时，四种方案各喷嘴出口动压分布对比图。从图14中可以看出，在方案一中，喷嘴9的动压最大，约为31.8 kPa，喷嘴11的动压最小，约为30.1 kPa，其与平均压力30.97 kPa的差值分别为0.83 kPa、-0.87 kPa。在方案二中，喷嘴12的动压最大，约为30.4 kPa，喷嘴9的动压最小，约为 29.5 kPa，其与平均压力 29.86kPa的差值分别为0.54 kPa、-0.36 kPa。在方案三中，喷嘴6的动压最大，约为31.2 kPa，喷嘴17的动压最小，约为29.5 kPa，其与平均压力30.19 kPa的差值分别为1.01 kPa、-0.69 kPa。在方案四中，喷嘴 2、5、13 和 20 的动压相同，且动压最大，约为30.3 kPa，喷嘴3、10和15的动压相同，且为最小值，约为29.9 kPa，其与平均压力30.11 kPa的差值分别为0.19 kPa、-0.22 kPa。从以上分析中可以看出，采用方案四的喷嘴座结构，同一喷风机构内任意喷嘴极差为0.2 kPa，远小于现有喷风机构的7.9 kPa的极差。通过优化改进喷风机构的结构，大大提高了各喷嘴出口动压的均匀性。有效解决了现有喷风结构各喷嘴出口动压不均的问题。4总结针对某研究院的特钢型材实验室应用的喷风机构存在各喷嘴出口的风压不均的问题，导致风淬后的特钢型材表面性能分布差异很大的问题，本文应用CFD计算方法分析了喷风结构各喷嘴风压分布不均产生的原因，并在此基础上设计了四种改进方案，同样应用CFD方法，分析各方案各喷嘴出口压力、速度及流线的分布情况，优化选取方案四作为喷风结构风压均布的最优结构。通过本文的分析结果表明：（1）现有喷风机构各喷嘴风压不均的原因主要为喷风结构设计不合理所致，表现为：a，喷嘴与喷风管出口距离个别喷嘴过短；b，喷嘴座内腔的体积较小。（2）分析比较了设计的四种优化方案，最终选用方案四作为最优结构，其将各喷嘴风压极差由7.9 kPa降为0.22 kPa，大大改善了各喷嘴出口动压不均的现象。参考文献1 单麟天.国外钢轨热处理现状J.钢铁钒钛,1996,17(3):10-17.2 詹新伟,王树青.提高热处理钢轨水平的措施J.铁道建筑,2005,8:97-99.3 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