大型筒体锻件差温热处理过程研究

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大型筒体锻件差温热处理过程研究
: ^# w, H& G$ ?+ f* F- d3 a- Y大型铸锻件由于形大体重，生产品种多数量少，工序多周期长，而且产品质量要求高，生产技术管理复杂，所以后续热处理非常重要。由于大型锻件的热处理一般在井式炉中进行，所以井式炉的加热性能是热处理过程的关键，但是其工艺特点决定了试验成本较高。而计算机模拟具有快速、低成本特点，因此利用计算机模拟大型铸锻件的热处理过程具有极大优势。本文通过在加热过程引入修正换热系数，采用逆运算法，模拟筒体加热过程，通过计算机模拟确定试验过程的各项参数，研究筒体加热过程中温度以及综合换热系数的变化，对工程技术人员设计相关的热处理工艺具有实践指导意义。
1 筒体加热试验
; F! _. ?: \3 P* X3 y% V- i试验对外形尺寸为φ1940mm×φ1240mm×3200mm的2.25Cr1Mo钢筒形工件图1进行加热，工件放置在托盘上，上面加盖12mm厚的钢板封口，并在钢板表面覆盖两层保温棉，目的是尽量避免上部的辐射对工件内表面的影响。在距离工件下端1420mm处的内外壁各加装接触热电偶1支，外壁热电偶标为1号，内壁为2号。所用的加热炉由6个筒节构成，在每个硅酸铝纤维筒体设置一个电偶测温孔以测量炉气的温度，热电偶放入深度200mm。其中测量炉气温度的8号热电偶与测量工件表面温度的1号、2号热电偶放置在同一高度，炉气升温曲线如图2所示。预热阶段加热保温过程全部在差温炉中进行，将炉气温度由室温经135min升高到300℃，保温120min后，以50℃/h的速度升高到550℃，再保温240min，此后，按1000kw的全功率向1050℃升温，同时必须注意工件表面的1号热电偶在加热过程中不超过960℃，否则停止全功率升温，以防止工件过烧。出炉时先打开炉盖让横销降温到800℃左右，吊出空冷。
                       
  ^3 [* l2 C) ?* f; p* R5 C工件加热20h后出炉，筒体热处理过程中表面及炉气温度曲线如图3所示。由图3可以看出热处理过程中内外表面及炉气温度的变化。炉气在预热过程初期，由于炉体内温度低，加热功率较大，空间加热有一定的滞后性，炉气温度有一定的波动，在进入保温过程之后，炉气的温度与设定值之间没有差别，而高速升温阶段炉气温度则取决于炉体的加热性能，炉气温度升温较快。筒体的外表面比内表面温度上升快，在预热段，温度上升较慢，内外表面温度差异不大，约80℃。进入高速升温初期，外表面温度上升较快，内外表面温度差异变大，加热1100分，内外表面温差为220℃，表明差温炉具有差温效果。

2 筒体加热过程模拟分析
建立筒体的实体模型，根据计算区域的边界特性设定适当的坐标系，用离散的网格代替筒体的连续空间，网格中的节点则是所求解温度场和淬硬层的几何位置。输入2.25Cr1Mo钢等材料的热物性参数，采用用户子程序的方式处理加热过程的换热系数变化。
) @7 `1 p# @% q' c, [1 `) q4 S由于工件是轴对称形状，为了提高运算效率，取其截面作为研究对象，将三维实体简化为二维模型；因为工件水平放置，在截面上也存在轴对称性，故只需研究截面的单位长度即可。为了提高表面温度场的可研究性，并考虑计算的准确性和迅速性，筒体外表面采用较小单元，越接近内表面单元尺寸越大。通过对不同大小单元的实际计算发现，当相邻单元尺寸差在10倍以上时，明显影响到传热过程的计算精度，因此在实际建模时，将相邻单元尺寸变化控制在5倍以内，实现了单元网格的优化。具体模型如图4所示。
) t+ w: z9 u0 `) r5 I# N4 J
炉内加热、冷却过程较为缓慢，表面换热不受材料导热能力的限制，仅取决于环境和工件条件，可以按对流换热与辐射换热直接计算表面的换热系数，计算步骤如下[7]。

" j; L% m% F5 }* h0 z式中，Hk为对流换热系数，λ0为介质的导热率；h为工件尺寸(m)，以轴件为例，垂直时取轴长，水平时取直径；Nu为Nusselt数。

0 P, |, w! q5 G" n
$ l/ z, D* u* N) ~式中，Gr为Grashof数，Pr为Prandtl数，C、n为常数,与炉体结构有关。所以辐射换热系数Hr为：
" E0 G( ~) G0 i& M. P
式中，tc、tw分别是炉气温度和锻件的表面温度，ε为辐射率，由下式推算


式中，ε。为炉膛耐火材料辐射率，一般取0.82；εw为工件表面辐射率，随温度而变化，一般取0.8。式中，A0、Aw相应为工件、炉膛表面面积。辐射换热系数与对流换热系数之和即为总换热系数H：
4 U- n! E' W4 s" D% u; _) A6 H+ T

$ i6 \; o% Y' e( M$ k+ E7 X# c按照这种方法计算的换热系数在钢锭或锻件加热模拟计算中已经得到广泛的应用，其公式的适用性在工程中得到认可。但由于具体的炉体条件，加热条件不同，在应用这个公式进行计算时还需采用一定的修正，即引入换热修正系数Ha，利用有限元方法逆算求得Ha，获得总的换热系数Hˊ：
6 v, _( b$ e- t' E
3 模拟结果分析
, ^2 P& W: O0 t& P7 O- `( }经过计算得到不同时刻的换热修正系数H a分别是：①在预热阶段，炉气从常温升高到300℃，换热修正系数为30W/(m2·℃)；②在随后的过程直至预热过程结束换热修正系数为10 W/(m2·℃)；③进入高速升温过程，按全功率向1050℃升温，由于炉气温度的急剧变化，前10min换热修正系数为170W/(m2·℃)，再经10min，换热修正系数为120W/(m2·℃)，其后的换热修正系数逐渐降低到40W/(m2·℃)；④经高速升温220min后，换热修正系数为20W/(m2·℃)。在预热阶段，换热系数变化不大，并且有一定的波动，高速升温阶段，换热系数急剧增加，一度达到340 W/(m2·℃)，然后由于炉气温度的降低，换热系数降低到295 W/(m2·℃)。
应用修正的换热系数采用逆算法计算的外表面温度与实际测量温度在整个加热过程的温度差为±13℃。图5为热处理过程筒体内外表面的计算与实际温度测量值。可以看出，在高速升温时，炉气的温度变化大，筒节表面的温度变化也急剧上升。图6为筒体工件在加热过程中，不同时刻工件温度场分布示意图。
在预热升温阶段，炉气升温速度为133℃/h，由于升温速度快、炉气本身在同一水平面上也有一定的温度梯度，因此用热电偶来衡量炉气温度会有一定的误差。应用换热修正系数的目的是弥补这个误差，在随后的升温和保温过程中，温度变化比较缓慢，炉体的炉气温度比较均匀，所以换热修正系数较小。而进入高速升温阶段，炉气的温度急剧上升，各个筒节的热负载能力有差异，同时同一水平位置炉气的温度梯度也很大，因此换热修正系数最大，随着炉气温度升高炉气的温度梯度减小，换热修正系数逐渐减小，到炉气温度4h后达到1050℃时，换热修正系数基本趋近于零。

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( b6 t! d: S: `2 I2 @6 u0 _通过筒节加热试验，除对炉体有了感官的认识之外，对炉体的加热性能也有了进一步的了解，在预热阶段，由于炉体提供的热量比较充足，炉气温度变化可控制性强，计算误差也较小。而在高速升温阶段，由于实际加热过程组成炉体的加热元件有一定的差异，各部分在全功率升温时热输出有一定的差异，炉气本身在高度方向上的温度也有很大的差异，可以推测筒节各部分在高度方向上温度有一定的差异。通过逆算法确定了整个加热过程的换热系数变化，为以后预测柱塞温度场提供有效依据。
) L# k% Q2 \7 O3 R  b4 结论
8 i! s* r& P, n* X6 `# J运用有限元方法确定了大型筒体锻件加热过程中的温度分布，采用逆算法确定了各个过程中材料表面的换热系数，应用修正的换热系数逆算法计算的外表面温度与实际的测量温度在预热及高速升温过程的温度差在±13℃以内。大型筒体锻件工件内部的温度场呈抛物线型分布，表面温度升高较快，内层温度升得较慢，可以达到良好的差温效果。计算结果表明，应用井式电阻炉，可以达到较好的差温效果。从实际情况考虑，采用综合换热系数方式计算的结果比较符合生产实际。