潘健生院士作《计算机模拟在提高热处理质量和节能减排的作用》学术报告（转载）

stigershu

2008年1月15日上午，由上海市热处理学会发起、以上海市热处理专业团体联合会名义在市科学会堂组织召开了学术报告会，特邀请中国工程院院士、上海市热处理学会理事长、上海交通大学潘健生教授作题为“计算机模拟在提高热处理质量和节能减排的作用”的学术报告。通过列举一些重大工程的实例，介绍和探讨计算机模拟在提高热处理质量和节能减排中的作用。内容摘要如下：
    热处理是保证金属材料内在质量，提高产品使用性能和可靠性的关键技术，但也是制造业中能耗最大、污染严重的环节。为了可持续发展，就要开发和推广能提高材料性能又节能减排的热处理技术。热处理计算机模拟(也称数值模拟)是在多学科交叉和集成的基础上，建立数学模型，用计算机演绎热处理过程各种物理现象的数字化方法，是热处理工程技术人员强有力的辅助决策工具。虽然它还很不成熟，但在一些工程应用的尝试中已可窥见其巨大的潜力。本文拟结合几个案例，探讨计算机模拟在提高热处理质量和节能减排中的作用。
    一、125MN挤压机主柱塞差温加热计算机模拟
    125MN挤压机是国家急需的重型工艺装备，能体现国家实力，属极端制造范畴。其油压机主柱塞直径2.168m，重约150吨，用45钢制造。要求柱面表面淬硬层深度达10mm以上。采用差温加热，当表面完全奥氏体化层超过10mm时即出炉，使工件内保持较大的温度梯度，减少整体蓄热量，有助于提高后续喷水时的冷却速度，以求使淬透性低而又体积巨大的柱塞得到必要的淬硬层。采用将数值模拟的空间域扩展至足够大的区域，使之能包含对工件温度场产生影响的整个区域的数值模拟方法，简称为“温度场扩展域”模拟方法，收到了一次投产成功的效果，满足了重大工程的急需。节能效果显著，在高于550℃的快速加热阶段的加热时间只需约6小时。按传统的经验公式计算，则均温和保温约15小时。二者相比较，节电10000千瓦小时以上。此外，采用虚拟生产技术，可以减少生产性试验的次数和避免热处理返工，对节能也有重大作用。
    二、真空加热高压气淬炉流场与温度场的计算机模拟
    真空加热高压气淬替代保护气氛或可控气氛加热后油淬，对于减少温室气体排放和克服环境污染有重大意义。然而在许多情况下，高压气淬的热处理畸变并未减少，反而增大，恰与人们的期望相反。原因何在？为此对一台典型的国产真空加热高压气淬炉进行流场与温度场耦合的计算机模拟。
    利用Fluent软件对一台典型的国产真空高压气淬炉进行数值模拟型，发现高压气淬炉中流场很不均匀，而且装料区内的流速很低，同炉中不同位置上的零件冷却效果差异很大。即使只有单独一个零件在这种炉膛内气淬，冷却也很不均匀。同一工件内部出现不对称的温度场。这种状况对淬火的组织性能控制和减少淬火畸变都是很不利的。
    高压气淬耦合传热的数值模拟揭示出目前国产真空气淬炉普遍采用的典型结构所存在的问题及其复杂性，亟需作深入的研究。显然应用计算机模拟技术解决高压气淬的均匀性和畸变控制问题，将是取代可控气氛加热和油淬，实现热处理清洁生产的关键之一。
    三、气体渗氮炉的流场模拟与结构设计
    首先对传统的钟罩式气体氮化炉采用气体流场模拟，发现炉罐内的每一个构件的形状对流场有重大影响。分析流场不均匀的原因，应用数值模拟技术进行虚拟设计，优选导流板配置的方案，可使料框内流场相当均匀，将有利于提高渗氮零件质量的一致性。 这一研究成果已被顺德世创集团所采用，新型渗氮炉正在抓紧制造中，以上结果可以说明流场数值模拟在热处理设备设计中的重要作用。渗氮计算机模拟可以克服传统的热处理炉设计的局限性，正确反映各种复杂的导热状况，有助于提高炉温均匀性，扩大炉内均温区(有效装料区)的范围，提高炉膛利用率，以及尽可能减少热短路损失，可望取得显著的节能效果。
    四、计算机模拟在塑料模具钢大型模块淬火技术中大型厚壁合金钢焊接局部加热退火的应用等。
    用数值模拟进行虚拟生产，研究成功P20钢预冷→水淬→自回火→水淬→自回火的工艺。预冷时棱边和棱角处已分解为珠光体，避免了随后浸水或喷水冷却时产生裂纹。水淬使截面上获得均匀的组织和硬度。自回火避免了淬裂。已在抚顺特钢厂大量生产中应用。对于718钢通过虚拟生产找到了一种用间隙脉冲喷水使截面获得均匀的贝氏体组织的方法，通过虚拟生产可以确定合理的脉冲周期和占空比，截面上不同深度处的冷却曲线模拟结果。构成了不用等温槽的贝氏体淬火发明专利技术。行将着手进行生产性试验。
    基于数值模拟的大型模块(25~30吨)预冷→水冷→分段自回火的智能淬火成套设备已在东北特钢抚顺钢厂投入使用，收到显著效果。
    1）用水和空气替代油，克服油烟和残油对环境污染，杜绝火灾隐患，实现清洁、安全生产；
    2）节省淬火介质成本；
    3） 扩大了中低合金钢使用尺寸。P20由250mm扩大至400mm。718由500mm扩大至700mm以上(估计可望达到1mm)；
    4）提高组织与硬度均匀性；
    5）避免了淬火开裂；
    6）自动化操作，保证质量重现性。
    五、上海锅炉厂超超临界发电机组主蒸汽管道重约50余吨，其中外径约800㎜，厚度约90㎜，长约10m部位，焊后热处理要求很高，经过计算机模拟研究，采用感应加热局部去应力新工艺，性能和残余应力均达到要求，保证了超超临界发电机组试制成功。与整体装炉加热的方法相比单件可节电约1万度，目前存在煤液化和煤气化等设备制造中也存大量类似问题有待进一步解决。
     结论
    应用热处理计算机模拟技术进行虚拟生产，实现工艺优化，收到保证重大工艺装备关键零件质量，缩短加热时间，节约能量消耗的效果。基于计算机模拟的智能淬火冷却技术，用水和空气替代油或聚合物淬火介质，消除了火灾隐患和环境污染，并且扩大了中、低合金钢使用的尺寸范围，充分发挥了材料的潜力。计算机模拟技术在热处理设备中同样具有重要作用。通过虚拟设计提高炉内流场和温度场均匀性，可以明显提高炉膛的利用率和保证热处理质量，从以上实例可以看出，虽然热处理计算机模拟技术还很不成熟，计算精度尚未能令人满意，一系列相关的基础研究尚得深入开展，但只要正确认识和对待其计算精度问题，在工程应用中将计算机模拟与生产试验验证相结合并认真估计用虚拟生产方法所得出的工艺方案或设计方案的宽容度。则热处理计算机模拟作为一种辅助决策的技术已具备工程应用的价值，对节能减排有重大作用。
            


   上海市热处理学会秘书长　徐兴宝主持会议



潘健生院士在作《计算机模拟在提高热处理质量和节能减排的作用》学术报告


         上海大学学生向潘院士请教学术问题

lbaoyi

确实不错，受益匪浅，楼主能否给介绍几本相关的资料书籍，谢谢。