重轨轨端风冷淬火流场的数值模拟研究

论文摘要

我国经济的高速增长对铁路运输的发展起到了强大的推动作用,要求重型铁轨可以承载运货量日益增大的火车,因此,钢轨轨端的热处理技术得到越来越多的重视。淬火冷却方式是重轨热处理最关键的工艺,同时也是重轨淬火质量的主要影响因素之一。目前国内外在钢轨的冷却工艺方面绝大部分采用喷雾冷却和喷风冷却。由于喷雾冷却淬火工艺控制要求严格,对钢轨表面状态敏感,因此质量问题时有发生。喷风冷却速度波动范围较小,对重轨表面状态不敏感,人为影响因素少,可以保证淬火的质量。目前国际上已普遍采用风冷淬火技术,国内的大部分淬火生产线已改建为风冷淬火线。因此,有必要研究喷风头流域内流场、风冷淬火下温度场的分布规律,以便为实际生产做出指导。本文以60kg/m重轨和喷风头作为研究对象,通过有限元软件FLUENT,对重轨轨端的风冷过程进行数值模拟。模拟结果与相关试验结果吻合良好。首先,对于风冷过程中的喷风头的流场进行模拟。对于入风口压力为0.4MPa的喷风头的内部、外部流场进行仿真,分析重轨表面的空气流速。然后,分析了喷风头与重轨踏面距离为10mm、15mm、20mm时的重轨表面气流速度,结果说明10mm的距离是三种情况中的最佳选择。其次,通过设定风冷的表面换热系数,对重轨风冷过程中的温度场进行数值模拟。在此过程中,充分考虑了材料的物性参数随温度变化情况的影响。模拟过程中得到重轨的瞬时温度分布,相关试验结果表明模拟是正确的。最后,根据U71Mn钢的CCT曲线得到其相变温度,由关键节点的降温曲线计算了重轨轨端在相变点的冷却速度,然后通过对比各组织的临界冷却速度,对重轨轨端最终的淬冷组织进行预测。相关试验结果表明预测结果是正确的。本文模拟了喷风头的内外部流场、重轨表面的流场和重轨在风冷过程中的温度场,并通过经验公式和CCT曲线图计算了重轨的最终淬冷组织。整个模拟结果是准确的,生产中可以通过此方法来对喷风头的尺寸参数进行研究、预测重轨的淬火组织,更好的指导工艺改进和现场生产。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 淬火风冷过程的计算机模拟
• 1.3 高压气体淬火的发展现状和发展趋势
• 1.3.1 国外淬火过程的发展现状
• 1.3.2 国内淬火过程的发展现状
• 1.3.3 淬火工艺的发展趋势
• 1.4 高压气体淬火的特点
• 1.4.1 影响高压气体淬火的主要因素
• 1.4.2 工件与淬火气体的温度差
• 1.4.3 总传热系数
• 1.4.4 淬火气体的种类
• 1.4.5 淬火气体的压力和流量
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 重轨风冷过程流场和温度场的理论基础
• 2.1 流动和换热过程的控制方程
• 2.2 湍流流动的数学模型
• 2.2.1 湍流流动的基本方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.3 微分方程的有限体积法
• 2.4 淬火组织场的预测模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 喷风头的内外流场仿真
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 喷风头模型的建立
• 3.1.2 网格的划分
• 3.1.3 边界条件的设置
• 3.1.4 求解器与计算模型
• 3.2 流场的仿真
• 3.2.1 喷风头内外流场的速度场
• 3.2.2 多孔面板小孔处的流速情况
• 3.2.3 重轨与喷风头的距离对重轨表面气流速度的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 重轨风冷的温度场模拟和组织场预测
• 4.1 U71Mn 钢的热物性参数
• 4.2 热交换系数
• 4.2.1 对流换热
• 4.2.2 辐射换热
• 4.2.3 空冷换热系数
• 4.2.4 气体冷却时的表面换热系数
• 4.3 重轨冷却之前初始温度的设定
• 4.4 风冷温度场模拟的相关参数
• 4.5 重轨轨端风冷的温度场模拟
• 4.6 重轨轨头的组织场预测
• 4.6.1 淬火的目标
• 4.6.2 重轨各组织临界冷却速度
• 4.6.3 各关键节点的冷却速度
• 4.6.4 组织场的预测
• 4.6.5 组织场的验证
• 4.7 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间的主要成果
• 致谢