釹鐵硼時效處理真空爐結構與料盒擺放優化研究

邵宇嵩，趙新穎*，謝元華，杜雪峰，孫寶玉，段永利，楊雙，齊麗君

釹鐵硼時效處理真空爐結構與料盒擺放優化研究

邵宇嵩1，趙新穎1*，謝元華2，杜雪峰1，孫寶玉3，段永利3，楊雙4，齊麗君3

（1. 沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110158;2. 東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110167；3. 沈陽中北通磁科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110623；4. 沈陽鵬悅科技有限公司，遼寧 沈陽 110122）

為提升用于釹鐵硼時效處理的真空熱處理爐在冷卻階段的冷卻效率，采用FLUENT軟件對氣體流場進行數值模擬，對比了料盒擺放方式、料盒間隙、進氣口列數、出氣口個數與尺寸等對心部料盒周圍平均風速的影響。結果表明：錯位擺放利于提高心部料盒側面風速的均勻性；增加料盒間隙可提高平均風速，但綜合考慮物料體積比，在軸徑向錯位且料盒間隙為20 mm時，具有較優平均風速；進風口列數為13，且中間增加一個尺寸為110 mm×110 mm的出風口時，平均風速較大；在中間位置加設出風口可改善出口附近渦流區的形成。

釹鐵硼；熱處理；數值模擬；料盒擺放；爐體結構

釹鐵硼永磁材料因具有優越的磁性能被廣泛應用于軌道交通、艦船車輛、核電、航空發動機、航天裝備等行業，其剩磁、矯頑力、最大磁能積等磁性參數受釹鐵硼微觀組織結構影響。為使合金產生有利于磁性能的相變，需對燒結后的釹鐵硼進行時效處理。研究表明：同種物質組成的燒結釹鐵硼合金，經時效處理，磁性能可提升幾倍，甚至更高[1]。經時效處理后，釹鐵硼主相體積分數增加，晶界變得清晰，晶粒尺寸逐漸均勻；顆粒狀富Nd相減小，富Nd相沿晶界均勻分布，成分趨于共晶富Nd相的成分[2]，矯頑力顯著提高。

時效處理溫度、保持時間、降溫速率等參數都對釹鐵硼的微觀組織結構具有顯著影響。趙國仙[3]等研究了時效處理溫度對釹鐵硼矯頑力的影響，認為600 ℃時可獲得較高的矯頑力。關于冷卻階段，羅筠[4]、王志堅等[5]對冷卻介質種類、壓力和進口速度對冷卻效率的影響開展研究，認為風機流量一定時，用氦氣可降低風機能耗，但氦氣較貴。提高爐內壓力和氣體進口速度都利于提高冷卻效率。曹潤辰等[6]研究了工件擺放對冷卻效率的影響，給出了基本原則，但未對料盒間隙、形式等擺放方案進行優化。目前的研究主要基于既有的熱處理設備，研究其工藝參數的影響，但爐體結構是工藝實施的主體，爐體結構、料盒形式與擺放顯著影響爐內流場，決定了冷卻效率，進而影響釹鐵硼磁性能。

本文針對噴嘴流動式內循環釹鐵硼時效處理真空熱處理爐，采用Fluent軟件開展了冷卻階段模擬研究，考察了爐體進風口分布、出風口結構、出風口尺寸、料盒大小、料盒擺放間隔等因素對爐內流場及核心位置風速的影響，優化了真空熱處理爐的結構參數和料盒擺放方式。

1 模型建立

1.1 真空熱處理爐爐體結構模型

如圖1所示，某熱處理爐爐體內設有圓柱形隔熱屏（Φ1 100 mm×2 000 mm），其內部均溫區尺寸為600 mm×600 mm×1 400 mm，裝載片狀釹鐵硼的料盒置于均溫區內進行時效處理。在冷卻階段，氬氣由分布在隔熱屏側壁的列進風口進入均溫區（初始溫度1 150 ℃），流經料盒周圍及間隙，在端部出口流出，經由出口處的換熱器，冷卻后的氬氣將再次通過進風口進入均溫區，在內部完成循環。在固定風機功率下（55 kW），研究進風口列數、出風口數量及中間出風口尺寸對隔熱屏內部流場風速的影響，從而確定爐體結構優化方案。

圖1 部分爐體結構模型

1.2 料盒形狀及擺放方式模型

如圖2所示，爐體均溫區內料盒形狀及擺放方式共設計了4種模型：（1）料盒規整擺放（圖2(a)），料盒規格統一，尺寸均為200 mm×200 mm×350 mm；（2）料盒徑向錯位擺放（圖2(b)），料盒有2種規格，尺寸分別為200 mm×200 mm×350 mm、100 mm×200 mm×350 mm；（3）料盒軸徑向錯位擺放（圖2(c)），料盒有3種規格，尺寸分別為200 mm×200 mm×280 mm、100 mm×200 mm×280 mm、200 mm×200 mm×350 mm；

圖2 料盒形狀及擺放方式模型

（4）離散擺放（圖2(d)），料盒有3種規格，尺寸分別為200 mm×200 mm×350 mm、100 mm×100 mm×350 mm、100 mm×200 mm×350 mm，在軸徑向錯位的基礎上進一步減小料盒側向尺寸，形成與進風口距離更近的間隙通道。針對4種料盒擺放方式模型，分別對間隙為10 mm、20 mm、30 mm時的流場進行模擬，比較不同錯位方式和間隙大小對風速的影響。

1.3 控制方程

使用Fluent軟件中的-模型對真空熱處理爐內部流場進行模擬，做如下假設：（1）忽略氣體密度變化產生浮升力對氣體流動的影響；（2）不計風機的鼓風時間和再充氣時間，爐內氣體壓力直接達到工作壓力；（3）進風噴嘴處風速均勻。

對爐體內部流場的模擬受料盒影響，屬于流固耦合問題，其質量守恒方程[7]和動量方程如下：

式中：—流體密度，kg·m-3；

式中：—靜壓，Pa；

1.4 邊界條件

熱處理爐內計算域以噴嘴為流體入口，進口處風速主要由風機性能以及進風管道決定；每根進風管道上設置6個進風口，設置為速度入口，風速為20 m·s-1，使用氬氣作為冷卻氣體，料盒壁面為無滑移壁面。爐體系統內流場為內循環系統，認為風機對氣體施加靜壓到達出口已被各種損失消耗掉[8]，出口壓力設置為101 325 Pa。

2 結果與分析

料盒冷卻主要通過對流換熱完成，在一定風量和功率條件下，風速決定了冷卻速率。在一定范圍內提高風速，可提高冷卻速率。冷卻過程中，核心位置料盒風速最小，冷卻效率最低。本文以核心位置料盒（圖3(a)）為目標，選取其各側面對應間隙的中間面為風速觀測面，即前風速面①、上風速面②、側風速面③和后風速面④（圖3(b)），采集各面平均風速為特征風速，并將其平均值（(①+2×②+2×③+④)/6）作為冷卻速率的衡量指標，進行料盒擺放方式、爐體進風口和出風口結構等參數的優化。

2.1 料盒擺放方式對平均風速的影響

4種料盒擺放方式主要改變的是間隙的貫通性。

圖3 核心位置料盒與風速觀測面

在料盒擺放區，有3種典型間隙方向：（1）豎直縱向間隙，如圖4(a)中的截面Ⅰ（貫通）與圖4(b)中的截面Ⅲ（不貫通）；（2）水平縱向間隙，如圖4(c)中的截面Ⅴ（貫通）；（3）橫向間隙，如圖4(b)中的面Ⅱ（貫通）或圖4(c)中的面Ⅳ（不貫通）。由于進風口在圓柱面上呈軸對稱分布，出風口在圓柱兩端面，因此氣體自3種間隙向物料心部流入，經由水平縱向和豎直縱向間隙向兩端流出。若核心位置料盒表面風速快且均勻，則冷卻效率高。

對于規整擺放方式，氣體可自3種間隙由外而內流入，在中軸位置碰撞后改變運動方向，沿水平縱向和豎直縱向間隙向兩端流出，圖4(a)是圖2(a)中截面Ⅰ處的風速云圖，此時中間兩列料盒間隙中，由于氣流碰撞轉向而使風速減小，不利于核心部位料盒的冷卻。

在徑向錯位擺放方式中，橫向間隙和水平縱向間隙是貫通的，這兩方向流入的氣體在軸線附近對沖，將導致氣體不均勻地流經料盒表面，貫通間隙截面Ⅱ的流場風速如圖4(b)所示，對料盒有一定的冷卻作用。徑向錯位擺放的豎直縱向間隙沿豎直方向不貫通，沿水平縱向貫通，如圖2(b)中截面Ⅱ所示，該錯位使橫向間隙中上下方向的進氣不形成對沖，直接由料盒壁面折射，進入縱向間隙流動，此時圖2(b)中的豎直縱向截面上的風速云圖如圖4(c)所示，在中間固壁的阻擋下，氣流均勻地分布在上下層料盒表面，可均勻冷卻料盒。

對于軸徑向錯位擺放方式，除了豎直縱向間隙不貫通之外，其橫向間隙沿豎直方向也不貫通，上下方流入的氣體遇到料盒固壁反射與折射，從而使間隙兩側料盒表面風速趨于均勻，如圖4(d)所示。水平縱向截面Ⅴ是貫通的，其風速云圖如圖4(e)所示，風速分布趨同，利于核心位置料盒的冷卻。

在軸徑向錯位基礎上獲得的離散擺放，具有貫通的橫向間隙，豎直方向不貫通的豎直縱向間隙，和部分貫通的水平縱向間隙。這三種間隙的貫通性對流場的影響與前述描述一致。因此從風速分布來看，有錯位的擺放方式利于風速均勻分布，使內外料盒冷卻速度趨同。

在12列進風口，4個出風口的腔體結構下，4種料盒擺放方式及不同間隙時，特征風速面風速平均值及該條件下物料體積比結果如圖5所示。

圖5 不同料盒擺放方式及間隙時的平均風速與物料體積百分比

對每種擺放方式，平均風速都隨間隙的增加而增加。其中規整擺放和離散擺放時風速增加幅度較大，徑向錯位擺放和軸徑向錯位擺放時風速增加幅度較小。規整擺放時，由于橫向和縱向間隙均貫通，氣流在通過間隙時不受阻礙，因此隨著間隙尺寸增加，風速明顯增加。離散擺放時全部橫向間隙與部分縱向間隙貫通，且離散擺放使間隙數增加，通過核心料盒的氣體總量增加，風速增加顯著。

離散擺放間隙為30 mm時平均風速最大，達到1.46 m·s-1，但此時物料體積比僅為57.7%，裝料量太小，因此不考慮此種擺放。此外，徑向錯位擺放與軸徑向錯位擺放比其他擺放方式具有較高的平均風速，且間隙寬度相同時徑向錯位擺放的平均風速略高于軸徑向錯位擺放，但軸徑向錯位擺放時物料體積比高于軸向錯位擺放。綜合考慮平均風速與物料體積比，軸徑向錯位擺放方式更佳。軸徑向錯位擺放在間隙寬度為20 mm時，綜合效果最佳，此時平均風速達1.11 m·s-1，物料體積比為77.3%。

2.2 爐體結構對平均風速的影響

針對軸徑向錯位擺放方式，在間隙寬度為20 mm時，保持出風口數量為4，對進風口列數為12、13、14、15時的流場進行模擬，研究進風口列數對核心位置料盒平均風速的影響（圖6）。由圖6可知，在進風口列數為13時，風速最大，達到1.20 m·s-1。此外，當進風口與料盒間隙相對時，氣流更加容易進入間隙內部，有利于心部料盒降溫，因此對進風口進行優化需注意進風口與間隙的相對位置。

圖6 不同進風口列數對平均風速的影響

料盒保持軸徑向錯位擺放方式，在間隙寬度為20 mm、進風口列數為13時，將出風口增加為5個，模擬不同第5出風口邊長（110、150、190 mm）下的流場分布。由圖7可知，4個出風口結構下，流場中靠近出風口位置有小的渦流，導致氣體流動效率低，影響冷卻。在中間加設出風口后，出口附近渦流得到顯著改善，間隙間流場更為均勻，且通過中間出風口的風速大于其他4個出風口，有利于心部物料的冷卻。

圖7 出風口數量對流場的影響

圖8為4個出風口及3種不同第5出風口尺寸下的平均風速。5個出風口時，隨第5出風口尺寸的增加，平均風速降低，這是因為出口尺寸過大，附近入口處的氣體不經料盒及間隙就直接從出口流走，心部氣體通過量減小，冷卻效果不佳。當第5出風口邊長為110 mm時，平均風速大于4個出風口情況，達到1.24 m·s-1，此時冷卻效果最優。

圖8 不同出風口結構對平均風速的影響

3 結 論

對釹鐵硼時效處理真空熱處理爐的冷卻階段進行數值模擬，考察了料盒擺放方式、料盒間隙、進氣口列數、出氣口個數與尺寸等對核心位置料盒平均風速的影響，得出以下結論：

1） 對比規整擺放、徑向錯位擺放、軸徑向錯位擺放和離散擺放四種料盒擺放方式，錯位擺放方式有利于提高心部料盒側面風速的均勻性；

2） 料盒間隙相同時，徑向錯位擺放和軸徑向錯位擺放的平均風速相對較大；料盒擺放方式相同時，增加料盒間隙有利于提高平均風速，但物料體積比隨之降低。綜合考慮均風速與物料體積比，軸徑向錯位擺放且料盒間隙為20 mm時平均風速較優；

3） 在軸徑向擺放、進風口數量為13時，核心位置料盒平均風速較優；

4） 在中間位置增加出風口能有效改善出口附近渦流情況，使間隙間流場更為均勻；

5）當采用軸徑向錯位擺放方式、間隙寬度為20 mm、進風口列數為13、中間位置第5出風口邊長為110 mm時，核心位置料盒平均風速達1.24 m·s-1，冷卻效果最佳。

［1］周壽增. 超強永磁體[M]. 北京：冶金工業出版社, 1999.

［2］譚春林, 白書欣, 張虹, 等. 回火處理對燒結釹鐵硼永磁材料組織和磁性能的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2002 (S1): 64-66.

［3］趙國仙, 宋曉平, 閆阿儒, 等. 時效對NdFeB燒結磁體的矯頑力和顯微組織的影響[J]. 稀土, 1997 (06): 30-33.

［4］羅筠, 康進武, 柳百成, 等. 工件氣體淬火過程數值模擬[J]. 熱加工工藝, 2007 (04): 63-67.

［5］王志堅,尚曉峰.真空高壓氣淬爐中淬火氣體壓力、流速和類型對工件冷卻性能影響的數值模擬[J].真空,2011,48(06):76-80.

［6］曹潤辰,王婧,王琦,等.真空高壓氣淬爐流場和溫度場的數值模擬[J].熱處理,2014,29(01):54-58.

［7］張銳征,左永剛,肖杰,等.機動管線順序輸送混油優化的數值模擬[J].當代化工,2021,50(7):1636-1639.

［8］王志堅,尚曉峰.空爐冷態和滿裝爐量下真空高壓氣淬過程流場與溫度場數值模擬和實驗研究[J].真空,2012,49(01):83-86.

Optimization Research on the Structure of Vacuum Furnace and the Layout of Loading Boxes During the Aging Treatment of NdFeB

1,1*,2,1,3,3,4,3

（1. Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110158, China; 2. Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 3. Shenyang General Magnetic Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110623, China; 4. Shenyang Pengyue Technology Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110122, China）

In order to improve the cooling efficiency of the vacuum heat treatment furnace for NdFeB aging treatment in the cooling stage, the gas flow field was numerically simulated. The influences of the layout of loading boxes, the gap between boxes, the number of gas inlets and outlets, and the size of outlets on the average wind speed around the inner box were studied. The results showed that dislocated layout was conducive to improving the uniformity of the wind speed around the inner box. The average wind speed was improved along with the increase of the gap width. At the same time, the loading rate was reduced by increasing the gap width. So the better average wind speed was obtained when the gap width was 20mm, the number of columns for inlets was 13, and an outlet (110 mm × 110 mm) was added. The outlet in the middle position was beneficial to avoid vortex.

NdFeB; Heat treatment; Numerical simulation; Layout of loading boxes; Structure of the vacuum furnace

中央引導地方科技發展專項資金（項目編號：2021JH6/10500066）；2020年沈陽市科技計劃（項目編號：20-202-1-13）。

2021-11-05

邵宇嵩（1998-），男，碩士研究生，遼寧省鐵嶺市人，研究方向：軍用材料制備與應用。

趙新穎（1978-），女，副教授，研究方向：流體力學。

TG156.92

A

1004-0935（2021）12-1748-05