模拟乙炔气真空渗碳的反应流

唐炽华

真空渗碳是一种强化低质量钢表面的方法。如粗钢类金属用反应气体（例如乙炔或丙酮）在低压（低于大气压）和高温（超过1000 K）炉内渗碳。经渗碳的金属约比粗钢硬1.5倍。这种渗碳金属的工业应用能在旋转和接触状态下抗磨损,例如燃气轮机的齿轮。本文说明了用氩气稀释的乙炔气真空渗碳的数值模拟。把气相和液相都看成真空渗碳过程中的液-固界面。在数值方法中假定在钢的渗碳表面上反应是简单的反应机制,也计算了碳的传输。采用用户能确定功能的商用计算流体动力学软件ANSYS FLUENT 13来计算。本项研究的目的是展示如何用我们提出的方法来描述物理现象,并且能按我们推荐的数值模拟的找到最佳的真空渗碳操作。实验是在一个加热室内进行,由石英管供应的乙炔/氩混合气在室内加热;用Quadrupole质量过滤器测量乙炔、氢和氩的分压;用电子称称渗碳气体在渗碳前后的重量;然而也用电子探针显微分析仪（EPMA）测量局部碳的质量分数;用观察显微组织的金相显微镜研究渗碳钢的表面。数值计算结果给出气体中氢和乙炔的摩尔分数,钢中渗入的碳重量和碳质量分数的分布。我们数值计算的结果和实验的结果很好一致。这表明计算液体动力学能拓展到用于渗碳过程,对改进渗碳工艺是一种有用的工具。