铝合金带材气垫式热处理漂浮加热与快速冷却模拟研究

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高端高精铝合金薄板带材作为铝合金材料中的顶级产品是航空航天及汽车工业中理想的轻量化材料,而气垫式连续热处理生产线具有加热和冷却速度快、产品表面质量高、温控精度高等优点,是高端铝合金薄板带材生产过程中必不可少的核心设备。但由于目前我国无论是技术还是设备都依赖进口,严重制约了我国高端铝产品的发展。因此,为提高我国铝合金薄板的生产技术水平,本文以数值模拟作为实验手段,从不同结构气垫喷箱在固溶过程中流场、气垫动力学、强对流换热能力以及淬火过程中的喷嘴外流场、铝板温度场等方面进行了研究,分别得到不同气垫喷箱结构和不同工艺参数对铝合金薄板热处理过程的影响规律,为气垫式连续热处理生产线的研发与制备提供理论性依据。主要工作如下:(1)分别以对称结构喷箱、非对称结构扇形侧喷嘴喷箱、非对称结构矩形侧喷嘴喷箱为计算模型,分析了不同入口风速、不同循环热风温度对气垫静压强的影响规律。研究发现:不同结构喷箱的气垫区静压强和气垫力随着入口风速增大而增大,随着炉内循环热风的温度升高而减小,且对比两种入口边界条件类型,入口风速对气垫静压强影响更明显。喷箱结构对气垫静压强影响较大,在相同边界条件下,气垫区静压强由大到小依次是对称结构喷箱、非对称扇形侧喷嘴喷箱、非对称矩形侧喷嘴;(2)结合不同入口边界条件对三种气垫喷箱结构的气垫力进行计算,得到气垫力与入口风速和循环热风温度的数学关系模型,为气垫式热处理漂浮技术提供理论依据;(3)通过对冲击对流换热效果进行研究发现:不同的气垫喷箱结构对换热效果影响较大,对称结构喷箱有两条明显的加热带,而非对称结构仅有一条加热带。喷箱入口风速对铝合金薄板升温速率影响较大,炉内循环热风温度对铝板的升温速率影响较小。面平均对流换热系数与入口风速成正比,与循环热风温度成反比,在相同入口边界条件下,对称结构喷箱的对换热能力优于非对称结构的对流换热系数;(4)对气垫式连续热处理生产线的淬火段进行模拟分析,结果表明不同喷嘴出口流量下冲击滞止区的冷却曲线变化规律一致,随着喷嘴流量的增大,铝板淬火冷却速率越大,铝板达到稳态温度的时间越短。
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