大型铸锻件加热透烧的无损预报与工业应用研究

发布时间：2020-05-10 13:52

【摘要】：大型铸锻件形大体重、制造技术难度大、质量要求高,是冶金、电力、石化、交通、矿山、兵器等国民经济建设各部门所需的各种大型关键设备的重要基础件。同时,大型铸锻件行业既是装备制造的基础行业,也是关系到国家经济命脉的战略性行业,是衡量一个国家工业发展水平和综合国力的重要标志。当前,我国重型装备制造业面临国内外市场需求低迷、经济下行压力加大的双重挑战与考验,如何从产品转型升级、生产流程再造、技术与管理创新等领域寻找突破口,对于重型机械制造企业已刻不容缓。特别是在大型铸锻件热加工领域,工业锻造及热处理加热透烧时刻尚无法实现便捷无损预报,对不同材质/类型大型铸锻件加热透烧后保温时间缺少明确的确定准则,且无任何透烧智能预报系统及短流程工艺制度与现有工业设备实现对接和功能嵌入,而工艺流程复杂、生产效率低下、能源工时耗用巨大等问题一直是大型铸锻件热加工领域的难题。本文通过对大型铸锻件加热过程中设备耗能状态数据的监测与解析,研究并提出了大型铸锻件加热透烧时刻的便捷、准确及无损预报新方法,建立了典型大型铸锻件透烧后保温工艺制度的确定准则,并与炉温仪表检测、埋敷电偶实测以及数值模拟结果进行了对比验证,在此基础上开发出大型铸锻件加热过程智能控制系统并用于若干典型件的热加工流程的工业实践。取得如下主要研究结果:结合大型铸锻件加热过程的传热学与物理冶金学基础理论,系统分析了大型铸锻件加热的物理过程,讨论了加热炉系统散热及能量平衡准则,建立了大型铸锻件加热过程中等温面的迁移模型,给出了能量平衡与工件尺寸的函数关系,阐释了加热方式及能量输入形式与节能降耗之间的关系。大型铸锻件的热传导加热过程主要决定于加热介质与被加热工件间的温度梯度以及被加热工件的导热性,在不同的加热介质以及不同的加热温度条件下,起主导作用的传热方式各不不同。工件实际加热过程中满足能量守恒定律,且当工件透烧后,工件与介质之间达到热交换平衡,此时单位时间内用于加热消耗的输入能量基本上保持稳定。单个或多个工件的加热过程均可按整体处理,当炉中工件开始加热至全部透烧时,可基于能量平衡准则评估炉内全部工件的透烧状态。提出了一种基于解析加热炉能量耗用速率来准确判定大型铸锻件加热透烧时刻的无损预报新方法,确定了某大型支承辊、饼类锻件、L侧锻轴锻件等分别在热处理及锻造加热过程中的透烧时刻,并与炉温仪表检测、埋敷偶实测及数值模拟结果进行了对比分析,同时建立了支承辊锻件分别在850°C、950°C和1030°C加热保温条件下,燃气耗用速率与透烧深度之间的经验公式。发现加热炉能量输入速度的瞬时变化可以用来准确表征大型铸锻件实际加热过程中的透烧时刻,藉此实现大型工件透烧时刻的便捷、准确及无损预报。所提出的大型铸锻件加热透烧预报新方法既不受大型铸锻件材质、形状、尺寸及装炉量的影响,也无需在工件中心敷埋电偶,对于优化大型铸锻件热加工工艺、节能减排及降本增效,意义重大。开发了新型加热炉智能控制系统,并针对单件支承辊锻件和核电锻件的加热过程进行了时间、温度及燃料耗用速率的采集与测算,通过控制系统的LED灯和蜂鸣器报警实现了工件加热透烧时刻的便捷、准确及无损预报。控制系统所采集的支承辊锻件热处理数据与实际加热炉控制系统几乎一致,且最高峰对应时刻与炉温保温初始点吻合较好,在炉温升高至930°C的保温阶段,该支承辊锻件透烧所需保温时间约为23 h。利用该系统采集并测算了一核电锻件在锻前加热过程中的时间、温度及煤气耗用速率等参数,发现保温前煤气耗用速率的最高峰对应时刻与炉温保温初始点吻合较好,该核电锻件在1280°C的保温时的透烧时间约为7.2 h。在大型法兰盖钢锭、低碳钢钢锭及高中压转子的锻前加热、保温以及镦拔处理工艺实践中,通过解析燃气消耗总量变化数据预报了工件的透烧时间。产品最终质量检验结果表明,法兰盖钢锭在1250°C和5.7 h、8.5 h与17.5 h三种锻前保温制度下,锻后力学性能均显著高于相应技术标准要求,锻后样品的晶粒度级别在5.5~7.0范围,基体主要由贝氏体回火组织组成;低碳钢锭在1250°C和7.0 h、26.3 h条件下分别加热及锻造处理后的晶粒级别及力学性能均达标,实现了透烧后“零”保温锻造工艺下的合格制造;高中压转子在1250°C和11.8 h、18 h不同锻前保温制度镦拔处理后的质量也均达标。结果证实本文所提出的透烧预报及保温时间确定准则可较好应用于工业生产实践。采用本文所提出的透烧预报技术可使某大型重机厂的百吨级轧电产品的单件锻件制造成本节省2850元左右,全年平均至少节省160万余元,而且还使单件锻件单火次效率提高了33%,单件锻件锻造总火次效率提高了17.6%。
【图文】：

示意图,工业加热炉,温控系统,示意图

会造成能源的损耗，又会使母材晶粒粗大，从而影响工件的锻件在保温和均匀化时间的控制性方面没有明确的技术依据般，这也是制造业能源消耗巨大的主要原因之一。工业炉温控原理与方法加热炉是一个具有典型复杂的多变量、强耦合、时变、不确和纯滞后等特点的工业设备[55-58]。传统的工业加热炉控制系或 PLC 系统自动控制。随着微机及自动控制技术的发展，计应用到加热炉系统的优化控制中[59-61]。炉炉温控制原理讲，炉温控制属于自动控制范畴，微机技术可以智能地控制制多点位温度的恒温[62-65]。图 1-1 给出了工业加热炉温度控制

示意图,柱体,示意图,流体介质

燕山大学工学博士学位论文 K)。流换热边界条件表明，固体边界热流密度与流体介质和固体之间的质上是 Robin 条件的另一种表现形式[95]。通常将流体介质的温度为常数，特殊情况下也可以是温度、时间与位置的某种函数。换热的物性、流动速度、流体与固体间的温差等因素有关，且多数情况定[96]。长圆柱体的一维非稳态导热半径为 R 的长圆柱体的一维稳态导热问题，这里讨论的前提是材为常数，同轴圆柱面为等温面，环境温度fT 为常数，而且长圆柱外热系数是均匀的[97-99]，，如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG316.17

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