王子榮　黨淑娥　侯　微　劉海龍　秦尚武

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

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30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子加熱過程的計(jì)算機(jī)模擬

王子榮黨淑娥侯微劉海龍秦尚武

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

摘要：運(yùn)用DEFORM-HT模塊以30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子為對(duì)象研究其升溫過程中內(nèi)部產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，獲得了加熱過程中低壓轉(zhuǎn)子截面幾個(gè)關(guān)鍵位置處的升溫曲線及熱應(yīng)力曲線，分析了最大截面上的溫度分布以及溫差對(duì)熱應(yīng)力的影響，得出了加熱速度和保溫時(shí)間與溫差和熱應(yīng)力之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：30Cr2Ni4MoV鋼；低壓轉(zhuǎn)子；溫度場(chǎng)；熱應(yīng)力；計(jì)算機(jī)模擬

大型低壓轉(zhuǎn)子的熱加工因其存在尺寸效應(yīng)，所以在加熱過程中會(huì)受到傳熱和導(dǎo)熱等因素的影響。當(dāng)加熱工藝參數(shù)設(shè)定不當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度分布極不均勻，由此會(huì)引起轉(zhuǎn)子內(nèi)部不同部位在加熱過程奧氏體化的程度不一樣，即奧氏體晶粒大小分布不均勻，表層一定深度可能產(chǎn)生過熱甚至過燒，而心部可能未發(fā)生完全奧氏體化，會(huì)導(dǎo)致高溫狀態(tài)下轉(zhuǎn)子內(nèi)部力學(xué)性能不均勻。尤其轉(zhuǎn)子的半徑方向會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度差，這直接導(dǎo)致了熱應(yīng)力及組織應(yīng)力的產(chǎn)生和累計(jì)，且溫差越大，兩者相互影響疊加后的綜合應(yīng)力就越大。當(dāng)綜合應(yīng)力大于低壓轉(zhuǎn)子鋼在設(shè)定溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)造成工件變形，而大于抗拉強(qiáng)度則會(huì)造成斷裂[1～5]。由于近年來計(jì)算機(jī)熱處理模擬技術(shù)飛速發(fā)展產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，融入了奧氏體化相變動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)等，所以不用實(shí)驗(yàn)也可以求出零件在熱處理過程中任一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力分布[6～11]。所以，若工件結(jié)構(gòu)、加熱介質(zhì)和各種參數(shù)等詳細(xì)而準(zhǔn)確，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)計(jì)算[12]。

本文運(yùn)用DEFORM-HT模塊以30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子為對(duì)象研究其升溫過程中內(nèi)部產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。對(duì)加熱過程轉(zhuǎn)子截面幾個(gè)關(guān)鍵位置處的升溫曲線、最大截面上的溫度分布、轉(zhuǎn)子截面溫差對(duì)熱應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析，從而根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)子加熱過程所使用的工藝的合理性進(jìn)行分析，為接下來改進(jìn)加熱工藝提供了理論指導(dǎo)。

1加熱過程數(shù)值模型的建立

本文選取的低壓轉(zhuǎn)子見圖1，加熱工藝曲線如圖2，以兩者為基礎(chǔ)進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，在此模擬基礎(chǔ)上將其模擬結(jié)果作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行瞬時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變模擬。

圖1　工件尺寸圖

圖2　熱處理工藝曲線

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子作為非常典型的軸對(duì)稱工件，其在柱狀坐標(biāo)系下的溫度場(chǎng)方程為：

(1)

式中，ρ為材料密度；Cp為材料比定壓熱容；T為工件瞬態(tài)溫度；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；t為過程進(jìn)行的時(shí)間；q′為相變潛熱的熱流密度；r、z分別為沿徑向和軸向的坐標(biāo)。

對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)，既需要相應(yīng)的邊界條件，也必須知道工件的初始條件。初始條件指的是所求解的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題在初始時(shí)刻區(qū)域中各點(diǎn)的溫度，即工件裝爐時(shí)的溫度[13]。常用的換熱邊界條件為：

(2)

式中，H為邊界綜合換熱系數(shù)；TC為環(huán)境溫度，TW為低壓轉(zhuǎn)子與環(huán)境接觸邊界上溫度。

2DEFORM-HT有限元模擬

2.1材料熱物性參數(shù)的確定

低壓轉(zhuǎn)子鋼30Cr2Ni4MoV導(dǎo)熱系數(shù)λ與比熱容Cp均為溫度函數(shù)[14]，即

λ=33.44295+0.00224×T-1.57612E-5×T2

(馬氏體，室溫～700℃)

(3)

λ=118.23001-0.16649×T+745954E-5×T2

(奧氏體，800～1050℃)

(4)

Cp=0.5602-4.902×10-4T+1.407×10-6T2

(馬氏體，室溫～725℃)

(5)

Cp=2.746-3.350×10-3T+1.067×10-6T2

(奧氏體，770～900℃)

(6)

由上述公式可得出鋼的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，見表1和表2。

表1　30Cr2Ni4MoV鋼不同溫度的導(dǎo)熱系數(shù)

表2　30Cr2Ni4MoV鋼比熱容隨溫度的變化

2.2模型的建立

圖1所示的低壓轉(zhuǎn)子為典型軸對(duì)稱階梯軸，所以選取最大直徑的1/4處為模擬對(duì)象，如圖3所示。圖3中P1、P2、P3分別表示工件徑向不同距離處的節(jié)點(diǎn)，P4點(diǎn)表示轉(zhuǎn)子棱邊，P1-P3表示心部至表面的三等劃分。

圖3　工件網(wǎng)格劃分和取點(diǎn)位置

2.3生產(chǎn)工藝和所需各類條件確定

大型鍛件由于尺寸效應(yīng)，加熱過程中會(huì)產(chǎn)生很大的溫差，所以采用階梯緩慢加熱的方式來減小表層和心部的溫差。其加熱工藝曲線如圖2所示，即室溫(本文選取20℃)時(shí)將轉(zhuǎn)子裝入爐中，以30℃/h的加熱速度加熱至300℃、保溫10 h，再以17.5℃/h的加熱速度升溫到650℃、保溫35 h，接下來以16℃/h的加熱速度升溫到890℃、保溫75 h。

由于工件軸徑比大，體積大，所以一般情況下利用井式電爐吊掛加熱，工件的初始溫度就是其剛裝爐時(shí)的溫度(本文選取20℃)。邊界條件主要考慮工件和外界之間的熱交換過程，本文換熱邊界條件采用第三類邊界條件，主要是工件和加熱爐氣體的輻射與對(duì)流，換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下所示：

h=2.56(TW-TC)0.25+4.6×10-8×

(7)

h=3.26(TW-TC)0.25+4.6×10-8×

(8)

3模擬結(jié)果與分析

3.1溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

本文運(yùn)用DEFORM-HT模塊，模擬可得低壓轉(zhuǎn)子徑向截面從表層至軸心不同深度幾個(gè)位置的升溫曲線，見圖4。從圖4可知，加熱過程中轉(zhuǎn)子表面及棱邊處溫度升高較快，且接近原設(shè)定工藝，棱邊和表層最大溫差為34℃，但棱邊達(dá)到指定溫度要比表層早54 h，表明越接近設(shè)定工藝溫度溫升越慢，尤其當(dāng)從885℃升高到890℃時(shí)耗時(shí)34 h，所以設(shè)定工藝時(shí)在溫差允許范圍內(nèi)可適當(dāng)提高溫度上限以大大縮減加熱時(shí)間。越靠近心部溫度升高越慢，其升溫過程已近似于一條斜線，其與設(shè)定工藝偏差較大，且越靠近表面處溫差越大，轉(zhuǎn)子表面與R/2處的溫度差值最高值為216℃，但是R/2與軸心處溫度差值最高值只有53℃，由此可知低壓轉(zhuǎn)子加熱過程中同一徑向截面不同位置的溫度差值并非等距縮減，從工件表層到工件軸心處溫度分布差異明顯。

圖4　轉(zhuǎn)子最大截面處特殊部位的升溫曲線

圖5為轉(zhuǎn)子加熱過程中棱邊、R/2、心部與表層的溫差?？梢钥闯?，隨著加熱溫度增大，轉(zhuǎn)子徑向溫度差值飛速加大，且停止加熱時(shí)其溫度差值達(dá)到巔峰。保溫時(shí)間越久轉(zhuǎn)子徑向溫度差值漸漸變小，停止保溫時(shí)溫度差值變?yōu)樽钚?。如?dāng)加熱至650℃時(shí)，表面與心部溫差達(dá)到最大值268℃，當(dāng)650℃保溫35 h后，溫差減小至62℃，保溫前后共減小溫差達(dá)206℃。由此表明，階梯式加熱會(huì)有效減小大尺寸低壓轉(zhuǎn)子表面與心部溫差，且加熱過程階梯越多，表面與心部溫差越小。為了預(yù)測(cè)該轉(zhuǎn)子在以上加熱工藝條件下的熱應(yīng)力，以溫度場(chǎng)模擬結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子在加熱過程中的瞬時(shí)應(yīng)力分布進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，結(jié)果如圖6所示。將圖6與圖5對(duì)比可以看出，熱應(yīng)力變化趨勢(shì)與溫差變化趨勢(shì)相對(duì)一致，但不完全一致。轉(zhuǎn)子棱邊、表層、R/2、心部的最大熱應(yīng)力分別為15.3 MPa、21.6 MPa、23.6 MPa、23.4 MPa。棱邊和表層的最大熱應(yīng)力發(fā)生在35 600 s處，由圖4可知，該處是棱邊和表層實(shí)際升溫速率最大值的終了處，而R/2點(diǎn)極大熱應(yīng)力發(fā)生在159 000 s時(shí)，心部極大熱應(yīng)力發(fā)生在61 400 s時(shí)，兩者均是實(shí)際加熱速率極大值的終了處。由此可得，最大熱應(yīng)力并不是發(fā)生在最大溫差處而是發(fā)生在最大升溫速率終了處。由于低壓轉(zhuǎn)子一般要求其屈服應(yīng)力為690 MPa～820 MPa，斷裂應(yīng)力約為830 MPa，如果不考慮其加熱過程中的組織應(yīng)力，單獨(dú)來看熱應(yīng)力并不會(huì)致使其產(chǎn)生裂紋。

圖5　工件升溫過程中不同位置和表層之間溫差

圖6　轉(zhuǎn)子軸向應(yīng)力與時(shí)間變化的關(guān)系曲線

4結(jié)論

(1)低壓轉(zhuǎn)子最大截面處即使以0.29℃/min速度加熱，也依然會(huì)造成表面與心部268℃的溫差。所以在實(shí)際生產(chǎn)中一味降低加熱速度并不能很好控制轉(zhuǎn)子截面溫度分布的均勻性。

(2)采用階梯式加熱可以有效地減小大截面低壓轉(zhuǎn)子的表面與心部溫差，得到較均勻的溫度分布。

(3)低壓轉(zhuǎn)子表面溫度在升溫過程中越接近設(shè)定溫度，升溫越緩慢，所以為了使工件盡快到達(dá)設(shè)定溫度，可將爐溫在誤差允許范圍內(nèi)上調(diào)，這樣可節(jié)省大量時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期。

(4)低壓轉(zhuǎn)子最大截面上溫差造成的熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工件允許的變形及斷裂應(yīng)力，以給定的加熱工藝曲線進(jìn)行加熱，其最大截面上的溫差引起的熱應(yīng)力并不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子造成嚴(yán)重的變形及開裂。

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編輯杜青泉

Computer Simulation of Heating Process of

30Cr2Ni4MoV Low Pressure Rotor

Wang Zirong, Dang Shu′e, Hou Wei, Liu Hailong, Qin Shangwu

Abstract：By adopting DEFORM-HT module, the internally generated temperature field and thermal stress during the temperature rise period of 30Cr2Ni4MoV low pressure rotor have been studied. Then, the temperature rising curve and the thermal stress curve at several key points of cross section of rotor during the heating process have been obtained. Meanwhile, the distribution of temperature on the maximum cross section and the influence of thermal stress on temperature difference have been analyzed. Finally, the relationships between heating rate and holding time, temperature difference and thermal stress have been reached.

Key words：30Cr2Ni4MoV steel; low pressure rotor; temperature field; thermal stress; computer simulation

作者簡(jiǎn)介：王子榮(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向：大型鍛造理論與新技術(shù)，熱處理數(shù)值模擬。電話：15035123077，E-mail：244706565@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275330)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011022-4)。

收稿日期：2015—09—14

中圖分類號(hào)：O242.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A