王四芳，解寺明，張繼鋒

(一重集團(tuán)海洋工程事業(yè)部，遼寧 大連 116113)

從上世紀(jì)90年代至今，金屬熱處理節(jié)能技術(shù)始終備受關(guān)注［1－3］，學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外的金屬熱處理技術(shù)、發(fā)展熱處理節(jié)能減排與環(huán)保技術(shù)。近年來(lái)，我國(guó)金屬熱處理新工藝和新裝備不斷發(fā)展，熱處理技術(shù)水平明顯提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨著我國(guó)將節(jié)能減排作為調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要突破口［4］，一些傳統(tǒng)熱處理工藝的轉(zhuǎn)型升級(jí)也迫在眉睫。

淬火是將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。淬火冷卻的目的是使鋼中高溫相－奧氏體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相－馬氏體，從而提高鋼的硬度、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能。因此，淬火冷卻過(guò)程是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。噴水淬火冷卻是目前應(yīng)用較廣的淬火冷卻工藝之一［5］，其優(yōu)點(diǎn)是噴射的水流可以控制水流，更均勻，在膜狀沸騰表面可以打破高溫壁面上的蒸汽膜，強(qiáng)化冷卻效果，因此，噴水冷卻的應(yīng)用廣泛。然而，目前噴水冷卻過(guò)程多采用恒定水流量持續(xù)噴射，冷卻水量大，電能消耗大，該過(guò)程存在著較大的節(jié)能降耗空間。

本文的目標(biāo)是尋求優(yōu)化的大鍛件噴淬工藝，使之在不影響鍛件淬火質(zhì)量的前提下，盡可能節(jié)能節(jié)水;所用的方法是先建立包含沸騰邊界條件的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)值模型，考察鍛件內(nèi)部的溫度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)的恒流量淬火工藝和推薦的遞減水量冷卻工藝，從而確定優(yōu)化的工藝，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后計(jì)算出節(jié)約的水量和能量。

1 數(shù)學(xué)模型

類(lèi)似大型低壓轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)軸類(lèi)鑄鍛件，可近似成一個(gè)圓柱體。由于圓柱體的軸對(duì)稱(chēng)性，并且考慮到工件長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于工件直徑，可忽略軸向換熱，模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成一維非穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源導(dǎo)熱模型，其導(dǎo)熱控制方程［3］見(jiàn)式(1)

式中α為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，其計(jì)算如式(2)

式中 λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

ρ——材料的密度/kg·m－3;

c——材料的定壓比熱容/J·kg－1·℃－1。

如果材料給定，以上物性可以由實(shí)驗(yàn)或文獻(xiàn)得到。其中冷卻過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變釋放的潛熱采用等效比熱容的方法考慮。一般根據(jù)材料的TTT轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)［5］，可以得到過(guò)冷奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變、過(guò)冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變、過(guò)冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。各項(xiàng)組織相變潛熱參考文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)值［3］，取46 000 J/kg。

假設(shè)工件開(kāi)始冷卻初始溫度場(chǎng)是均勻的，給定初始條件

式中 T0——起始溫度。

工件芯部軸對(duì)稱(chēng)，因此

工件表面按第三類(lèi)邊界條件處理

式中 To——外表面壁溫/℃;

Tc——冷卻水溫度/℃;

h——工件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W·m－2·℃－1。噴水開(kāi)始后表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)參考文獻(xiàn)［4］的經(jīng)驗(yàn)值，為水流密度與表面溫度的函數(shù)，其中包含淬火開(kāi)始的膜狀沸騰和泡狀沸騰，以及沸騰之后水的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)。以上問(wèn)題采用有限差分法進(jìn)行離散化，用Matlab編程?？臻g步長(zhǎng)2 mm，時(shí)間步長(zhǎng)4 s。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子采用一件大型低壓轉(zhuǎn)子鍛件，材質(zhì)30Cr2Ni4MoV，最大截面直徑 1723mm，長(zhǎng)8 825 mm。

噴水冷卻過(guò)程中，轉(zhuǎn)子鍛件不同位置、不同深度上冷卻速率各不相同，并且軸身由于截面直徑最大，芯部冷卻速率最慢，是噴水冷卻工藝制定需要考慮的重點(diǎn)位置，因此，實(shí)驗(yàn)在工件軸身1/2位置，從表面到心部的4個(gè)不同深度布置4支熱電偶(T1－T4)。測(cè)溫電偶為K型鎧裝熱電偶，直徑5 mm。實(shí)驗(yàn)采用無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)采集各測(cè)溫點(diǎn)溫度值，每分鐘一組。

實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比考察低壓轉(zhuǎn)子鍛件傳統(tǒng)工藝與優(yōu)化工藝的溫度場(chǎng)，因此，轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)件直接進(jìn)行高溫淬火工藝，淬火溫度840℃，保溫至心部透熱后按照傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行了噴淬，以恒定的水流量Q0(t/h)噴淬一定時(shí)間t0(h)。此次實(shí)驗(yàn)的目的一是用于檢驗(yàn)計(jì)算模型，二是作為改進(jìn)的噴淬工藝的對(duì)比基準(zhǔn)。噴淬工藝流量曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)行噴淬工藝流量曲線(xiàn)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 恒流量噴淬工藝

現(xiàn)行恒流量工藝下，模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)溫結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 模擬結(jié)果與測(cè)溫結(jié)果對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明:噴水冷卻過(guò)程中不發(fā)生過(guò)冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，因此，距離表面893 mm位置600℃以上計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合很好，而在250～600℃區(qū)間內(nèi)模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大，模擬值與測(cè)量值相差近50℃，這是由于過(guò)冷奧氏體向貝氏體、馬氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)相變潛熱等效處理的結(jié)果，這種轉(zhuǎn)變比單純導(dǎo)熱復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型往往不能做到非常精確，存在誤差?；谀壳暗慕Y(jié)果，從節(jié)能工藝改進(jìn)的角度，可以認(rèn)為模擬結(jié)果與測(cè)溫結(jié)果吻合較好，數(shù)學(xué)模型是有效的。

圖2還表明，距離表面越遠(yuǎn)，溫度下降越緩慢。芯部附近的T1溫度在7 h后仍處在約500℃;在450℃由于受組織轉(zhuǎn)變影響放熱，溫度下降變得平緩。T2、T3更快一些。離表面30 mm的T4位置溫度下降最快，大約30 min后，已經(jīng)接近100℃。之后，T4溫度下降變緩，這是由于壁面溫度已經(jīng)降到100℃以下，冷卻水與壁面的換熱轉(zhuǎn)成對(duì)流換熱，對(duì)流傳熱系數(shù)大大降低。需要指出的是:T3和T4在100℃時(shí)各自出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):這是由于電偶孔進(jìn)水后發(fā)生沸騰導(dǎo)致，因而在100℃附近的測(cè)溫不能代表工件的真實(shí)溫度。但在離100℃較遠(yuǎn)的大部分區(qū)域，測(cè)溫仍然是有效的。

3.2 水量遞減噴淬優(yōu)化工藝

從3.1節(jié)可見(jiàn)，噴淬大約30 min后，距工件表面30 mm處已經(jīng)降到100℃以下，表面的溫度更低，此時(shí)冷卻水流量可以適當(dāng)降低。

根據(jù)模型計(jì)算的工件溫度分布情況，可通過(guò)傅里葉定律計(jì)算冷卻過(guò)程中，各時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上通過(guò)工件表面的熱通量。假設(shè)冷卻水最大溫升的設(shè)計(jì)值為5℃，根據(jù)熱量衡算可得到所需要的冷卻水流量曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 理想噴淬工藝?yán)鋮s水流量曲線(xiàn)

結(jié)合溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，在理想冷卻水流量曲線(xiàn)下噴淬，可以保證淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)與原始工藝一致，說(shuō)明冷卻水量降低不會(huì)影響鍛件的淬火質(zhì)量。

從圖3可以看出，噴淬初始，冷卻水在工件表面發(fā)生沸騰現(xiàn)象，理想冷卻水流量需求量大(Qmax)，隨著表面溫度的降低，冷卻水需求量急劇下降。經(jīng)過(guò)約30 min的冷卻，理想冷卻水流量?jī)H需約裝置運(yùn)行量Q0的一半，在約2 h后只需裝置運(yùn)行量的四分之一，隨著噴淬時(shí)間的延續(xù)，噴淬終了時(shí)所需冷卻水流量最小(Qmin)。按理想冷卻水流量曲線(xiàn)噴淬運(yùn)行16 h，噴水量可節(jié)約82.1%的冷卻水用水量。

以上立項(xiàng)噴淬工藝需要流量實(shí)時(shí)變化，不太容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作中，在優(yōu)化噴淬水量時(shí)考慮了以下原則:(1)不影響鍛件的淬火質(zhì)量，因此淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)變化需基本與傳統(tǒng)工藝一致;(2)工藝可靠，帶有一定安全裕度;(3)便于實(shí)際操作和控制。

根據(jù)以上原則，這里選定了水量遞減的三級(jí)優(yōu)化噴淬工藝，見(jiàn)圖4。

圖4 水量三級(jí)優(yōu)化噴淬工藝流量曲線(xiàn)

其中從開(kāi)始至t1的時(shí)間內(nèi)，隨著表面溫度的降低，蒸汽膜更容易打破，理論上水量可以逐漸減小，但是為了操作簡(jiǎn)便，維持與傳統(tǒng)工藝相同的噴水量Q0;從時(shí)間t1開(kāi)始，水量減小。t1可以設(shè)定為大約30 min，相當(dāng)于表面溫度已經(jīng)充分降低到100℃以下，但實(shí)際中為了保持噴淬工藝可靠，可以設(shè)為1小時(shí)或更長(zhǎng)，而且水量也維持在一個(gè)恒定值為0.5 Q0;從t2開(kāi)始至結(jié)束，表面溫度更低，流量選取得更小，時(shí)間t2和流量0.4 Q0的選取不是唯一的，可以根據(jù)可靠性和操作簡(jiǎn)便的要求適當(dāng)選取。

以上三級(jí)遞減的工藝得到的溫度場(chǎng)表明，此工藝可以滿(mǎn)足噴淬的要求。之后本文對(duì)改進(jìn)的遞減水量工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)樵O(shè)置了變頻泵，只要所需流量處于泵的最大和最小流量之間，基本可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝需要的流量。

優(yōu)化工藝和傳統(tǒng)工藝的測(cè)量的溫度場(chǎng)比較結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，兩種工藝測(cè)溫較大的誤差出現(xiàn)在100℃附近，這里有電偶孔進(jìn)水的影響。除此之外，兩種工藝的曲線(xiàn)基本重合。

圖5 兩種工藝噴淬測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

溫度場(chǎng)的一致性說(shuō)明:兩次噴淬工藝過(guò)程工件內(nèi)部組織場(chǎng)應(yīng)該一致，三級(jí)優(yōu)化節(jié)能工藝的調(diào)整對(duì)工件溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)沒(méi)有影響，仍可以保證工件各點(diǎn)的噴淬冷卻速率，確保工件熱處理質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化噴淬工藝的水耗能耗分析

從圖1和圖4可以積分得到傳統(tǒng)噴淬工藝與三級(jí)優(yōu)化工藝的噴水總量。采用優(yōu)化的工藝，噴水量比傳統(tǒng)的恒流量節(jié)約46.9%，根據(jù)鍛件大小和噴淬時(shí)間的長(zhǎng)短，一次噴淬節(jié)水量可以在萬(wàn)噸以上。一般噴淬過(guò)程中使用循環(huán)水，但根據(jù)損耗補(bǔ)充新水，補(bǔ)充量在2%左右。即使如此，這里的優(yōu)化工藝一次噴淬節(jié)水也會(huì)達(dá)240 t。

除此以外，三級(jí)優(yōu)化工藝泵的能耗也隨之降低。在本次實(shí)驗(yàn)的三級(jí)工藝中，初始階段采用兩臺(tái)泵，中期采用一臺(tái)，最后采用一臺(tái)降頻運(yùn)行。單臺(tái)泵額定功率250 kW，根據(jù)離心泵變頻運(yùn)行的比例定律［6］，變頻運(yùn)行時(shí)功率之比為供水流量之比成3次方的比例關(guān)系。與傳統(tǒng)工藝相比，三級(jí)噴淬總共可節(jié)電4 120 kW·h，合54.4%，即電耗的節(jié)省幅度比水耗幅度更大。從節(jié)能降耗的角度來(lái)看，總體上，這里提出的三級(jí)優(yōu)化淬火工藝是一個(gè)顯著的改進(jìn)。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)費(fèi)用巨大，作為第一次嘗試，上述工藝選取的略微保守。之前的理想優(yōu)化的工藝節(jié)水節(jié)能幅度可更高，但考慮到實(shí)際工況中，變頻泵的頻率不能無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)，保證一定的揚(yáng)程有最低流量限制等，實(shí)際情況的流量要略大一些，但節(jié)水節(jié)電仍可設(shè)計(jì)在60%以上。在冶金、重工行業(yè)對(duì)節(jié)能降耗越來(lái)越重視的今天，這樣的工作無(wú)疑有很重要的意義。

4 結(jié)論

本文從轉(zhuǎn)子鍛件淬火冷卻過(guò)程的傳熱機(jī)理出發(fā)，考慮工件材質(zhì)、組織轉(zhuǎn)變潛熱的影響，建立了數(shù)學(xué)模型，Matlab編程模擬計(jì)算了淬火冷卻過(guò)程工件的溫度場(chǎng)變化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型吻合良好。模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，噴淬開(kāi)始不久，表面不再有沸騰現(xiàn)象發(fā)生，工件溫度場(chǎng)分布主要由內(nèi)部導(dǎo)熱控制，表面噴水量可以大幅度降低。

根據(jù)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，本文計(jì)算了隨時(shí)間變化的冷卻水流量曲線(xiàn)，即理想的優(yōu)化噴淬工藝。考慮實(shí)際供水系統(tǒng)泵的變頻能力，以及系統(tǒng)的安全、可靠、可控的調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了三級(jí)水量遞減的噴淬優(yōu)化工藝，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)的噴淬工藝對(duì)工件的溫度場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響，可保證工件的熱處理質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)的能耗分析表明，對(duì)于一個(gè)典型的直徑1.73 m、長(zhǎng)8.8 m的大鍛件，本文提出的三級(jí)優(yōu)化工藝比傳統(tǒng)恒水量噴淬實(shí)現(xiàn)了節(jié)水46.9%、節(jié)電54.4%，即一次噴淬可節(jié)約循環(huán)水新鮮補(bǔ)充水超過(guò)500 t，采用變頻調(diào)節(jié)降低供水流量可節(jié)約用電超過(guò)4 100 kW·h，大大節(jié)約了淬火成本。

本文將數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合，應(yīng)用于大鍛件噴水淬火過(guò)程的水量遞減的優(yōu)化工藝，為我國(guó)冶金、重工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和節(jié)能減排提供了新的思路和重要參考。

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