大型筒體鍛件差溫?zé)崽幚磉^程研究

發(fā)布時間：

2020-03-20

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　　大型鑄鍛件由于形大體重，生產(chǎn)品種多數(shù)量少，工序多周期長，而且產(chǎn)品質(zhì)量要求高，生產(chǎn)技術(shù)管理復(fù)雜，所以后續(xù)熱處理非常重要。由于大型鍛件的熱處理一般在井式爐中進(jìn)行，所以井式爐的加熱性能是熱處理過程的關(guān)鍵，但是其工藝特點決定了試驗成本較高。而計算機(jī)模擬具有快速、低成本特點，因此利用計算機(jī)模擬大型鑄鍛件的熱處理過程具有極大優(yōu)勢。本文通過在加熱過程引入修正換熱系數(shù)，采用逆運算法，模擬筒體加熱過程，通過計算機(jī)模擬確定試驗過程的各項參數(shù)，研究筒體加熱過程中溫度以及綜合換熱系數(shù)的變化，對工程技術(shù)人員設(shè)計相關(guān)的熱處理工藝具有實踐指導(dǎo)意義。

　　1 筒體加熱試驗

　　試驗對外形尺寸為φ1940mm×φ1240mm×3200mm的2.25cr1mo鋼筒形工件圖1進(jìn)行加熱，工件放置在托盤上，上面加蓋12mm厚的鋼板封口，并在鋼板表面覆蓋兩層保溫棉，目的是盡量避免上部的輻射對工件內(nèi)表面的影響。在距離工件下端1420mm處的內(nèi)外壁各加裝接觸熱電偶1支，外壁熱電偶標(biāo)為1號，內(nèi)壁為2號。所用的加熱爐由6個筒節(jié)構(gòu)成，在每個硅酸鋁纖維筒體設(shè)置一個電偶測溫孔以測量爐氣的溫度，熱電偶放入深度200mm。其中測量爐氣溫度的8號熱電偶與測量工件表面溫度的1號、2號熱電偶放置在同一高度，爐氣升溫曲線如圖2所示。預(yù)熱階段加熱保溫過程全部在差溫爐中進(jìn)行，將爐氣溫度由室溫經(jīng)135min升高到300℃，保溫120min后，以50℃/h的速度升高到550℃，再保溫240min，此后，按1000kw的全功率向1050℃升溫，同時必須注意工件表面的1號熱電偶在加熱過程中不超過960℃，否則停止全功率升溫，以防止工件過燒。出爐時先打開爐蓋讓橫銷降溫到800℃左右，吊出空冷。

　　工件加熱20h后出爐，筒體熱處理過程中表面及爐氣溫度曲線如圖3所示。由圖3可以看出熱處理過程中內(nèi)外表面及爐氣溫度的變化。爐氣在預(yù)熱過程初期，由于爐體內(nèi)溫度低，加熱功率較大，空間加熱有一定的滯后性，爐氣溫度有一定的波動，在進(jìn)入保溫過程之后，爐氣的溫度與設(shè)定值之間沒有差別，而高速升溫階段爐氣溫度則取決于爐體的加熱性能，爐氣溫度升溫較快。筒體的外表面比內(nèi)表面溫度上升快，在預(yù)熱段，溫度上升較慢，內(nèi)外表面溫度差異不大，約80℃。進(jìn)入高速升溫初期，外表面溫度上升較快，內(nèi)外表面溫度差異變大，加熱1100分，內(nèi)外表面溫差為220℃，表明差溫爐具有差溫效果。

　　2 筒體加熱過程模擬分析

　　建立筒體的實體模型，根據(jù)計算區(qū)域的邊界特性設(shè)定適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，用離散的網(wǎng)格代替筒體的連續(xù)空間，網(wǎng)格中的節(jié)點則是所求解溫度場和淬硬層的幾何位置。輸入2.25cr1mo鋼等材料的熱物性參數(shù)，采用用戶子程序的方式處理加熱過程的換熱系數(shù)變化。

　　由于工件是軸對稱形狀，為了提高運算效率，取其截面作為研究對象，將三維實體簡化為二維模型;因為工件水平放置，在截面上也存在軸對稱性，故只需研究截面的單位長度即可。為了提高表面溫度場的可研究性，并考慮計算的準(zhǔn)確性和迅速性，筒體外表面采用較小單元，越接近內(nèi)表面單元尺寸越大。通過對不同大小單元的實際計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相鄰單元尺寸差在10倍以上時，明顯影響到傳熱過程的計算精度，因此在實際建模時，將相鄰單元尺寸變化控制在5倍以內(nèi)，實現(xiàn)了單元網(wǎng)格的優(yōu)化。具體模型如圖4所示。

　　爐內(nèi)加熱、冷卻過程較為緩慢，表面換熱不受材料導(dǎo)熱能力的限制，僅取決于環(huán)境和工件條件，可以按對流換熱與輻射換熱直接計算表面的換熱系數(shù)，計算步驟如下[7]。

　　式中，hk為對流換熱系數(shù)，λ0為介質(zhì)的導(dǎo)熱率;h為工件尺寸(m)，以軸件為例，垂直時取軸長，水平時取直徑;nu為nusselt數(shù)。

　　式中，gr為grashof數(shù)，pr為prandtl數(shù)，c、n為常數(shù),與爐體結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以輻射換熱系數(shù)hr為：

　　式中，tc、tw分別是爐氣溫度和鍛件的表面溫度，ε為輻射率，由下式推算

　　式中，ε。為爐膛耐火材料輻射率，一般取0.82;εw為工件表面輻射率，隨溫度而變化，一般取0.8。式中，a0、aw相應(yīng)為工件、爐膛表面面積。輻射換熱系數(shù)與對流換熱系數(shù)之和即為總換熱系數(shù)h：

　　按照這種方法計算的換熱系數(shù)在鋼錠或鍛件加熱模擬計算中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其公式的適用性在工程中得到認(rèn)可。但由于具體的爐體條件，加熱條件不同，在應(yīng)用這個公式進(jìn)行計算時還需采用一定的修正，即引入換熱修正系數(shù)ha，利用有限元方法逆算求得ha，獲得總的換熱系數(shù)hˊ：

　　3 模擬結(jié)果分析

　　經(jīng)過計算得到不同時刻的換熱修正系數(shù)h a分別是：①在預(yù)熱階段，爐氣從常溫升高到300℃，換熱修正系數(shù)為30w/(m2·℃);②在隨后的過程直至預(yù)熱過程結(jié)束換熱修正系數(shù)為10 w/(m2·℃);③進(jìn)入高速升溫過程，按全功率向1050℃升溫，由于爐氣溫度的急劇變化，前10min換熱修正系數(shù)為170w/(m