30Cr2Ni4MoV低壓轉子加熱過程的計算機模擬

王子榮　黨淑娥　侯　微　劉海龍　秦尚武

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

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30Cr2Ni4MoV低壓轉子加熱過程的計算機模擬

王子榮黨淑娥侯微劉海龍秦尚武

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

摘要：運用DEFORM-HT模塊以30Cr2Ni4MoV低壓轉子為對象研究其升溫過程中內部產生的溫度場和熱應力，獲得了加熱過程中低壓轉子截面幾個關鍵位置處的升溫曲線及熱應力曲線，分析了最大截面上的溫度分布以及溫差對熱應力的影響，得出了加熱速度和保溫時間與溫差和熱應力之間的關系。

關鍵詞：30Cr2Ni4MoV鋼；低壓轉子；溫度場；熱應力；計算機模擬

大型低壓轉子的熱加工因其存在尺寸效應，所以在加熱過程中會受到傳熱和導熱等因素的影響。當加熱工藝參數設定不當時，轉子內部溫度分布極不均勻，由此會引起轉子內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生過熱甚至過燒，而心部可能未發生完全奧氏體化，會導致高溫狀態下轉子內部力學性能不均勻。尤其轉子的半徑方向會產生明顯的溫度差，這直接導致了熱應力及組織應力的產生和累計，且溫差越大，兩者相互影響疊加后的綜合應力就越大。當綜合應力大于低壓轉子鋼在設定溫度下的屈服強度時就會造成工件變形，而大于抗拉強度則會造成斷裂[1～5]。由于近年來計算機熱處理模擬技術飛速發展產生了質的飛躍，融入了奧氏體化相變動力學和傳熱學等，所以不用實驗也可以求出零件在熱處理過程中任一時刻的溫度場分布及熱應力分布[6～11]。所以，若工件結構、加熱介質和各種參數等詳細而準確，就能實現實際生產過程的精準計算[12]。

本文運用DEFORM-HT模塊以30Cr2Ni4MoV低壓轉子為對象研究其升溫過程中內部產生的溫度場和熱應力。對加熱過程轉子截面幾個關鍵位置處的升溫曲線、最大截面上的溫度分布、轉子截面溫差對熱應力的影響進行了分析，從而根據模擬結果對轉子加熱過程所使用的工藝的合理性進行分析，為接下來改進加熱工藝提供了理論指導。

1加熱過程數值模型的建立

本文選取的低壓轉子見圖1，加熱工藝曲線如圖2，以兩者為基礎進行溫度場模擬，在此模擬基礎上將其模擬結果作為輸入參數進行瞬時應力-應變模擬。

圖1　工件尺寸圖

圖2　熱處理工藝曲線

汽輪機低壓轉子作為非常典型的軸對稱工件，其在柱狀坐標系下的溫度場方程為：

(1)

式中，ρ為材料密度；Cp為材料比定壓熱容；T為工件瞬態溫度；λ為材料導熱系數；t為過程進行的時間；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。

對瞬態溫度場進行求解時，既需要相應的邊界條件，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態傳熱問題在初始時刻區域中各點的溫度，即工件裝爐時的溫度[13]。常用的換熱邊界條件為：

(2)

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

2DEFORM-HT有限元模擬

2.1材料熱物性參數的確定

低壓轉子鋼30Cr2Ni4MoV導熱系數λ與比熱容Cp均為溫度函數[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熱系數，見表1和表2。

表1　30Cr2Ni4MoV鋼不同溫度的導熱系數

表2　30Cr2Ni4MoV鋼比熱容隨溫度的變化

2.2模型的建立

圖1所示的低壓轉子為典型軸對稱階梯軸，所以選取最大直徑的1/4處為模擬對象，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點，P4點表示轉子棱邊，P1-P3表示心部至表面的三等劃分。

圖3　工件網格劃分和取點位置

2.3生產工藝和所需各類條件確定

大型鍛件由于尺寸效應，加熱過程中會產生很大的溫差，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℃)時將轉子裝入爐中，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流，換熱系數經驗公式如下所示：

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模擬結果與分析

3.1溫度場模擬結果及分析

本文運用DEFORM-HT模塊，模擬可得低壓轉子徑向截面從表層至軸心不同深度幾個位置的升溫曲線，見圖4。從圖4可知，加熱過程中轉子表面及棱邊處溫度升高較快，且接近原設定工藝，棱邊和表層最大溫差為34℃，但棱邊達到指定溫度要比表層早54 h，表明越接近設定工藝溫度溫升越慢，尤其當從885℃升高到890℃時耗時34 h，所以設定工藝時在溫差允許范圍內可適當提高溫度上限以大大縮減加熱時間。越靠近心部溫度升高越慢，其升溫過程已近似于一條斜線，其與設定工藝偏差較大，且越靠近表面處溫差越大，轉子表面與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　轉子最大截面處特殊部位的升溫曲線

圖5為轉子加熱過程中棱邊、R/2、心部與表層的溫差。可以看出，隨著加熱溫度增大，轉子徑向溫度差值飛速加大，且停止加熱時其溫度差值達到巔峰。保溫時間越久轉子徑向溫度差值漸漸變小，停止保溫時溫度差值變為最小。如當加熱至650℃時，表面與心部溫差達到最大值268℃，當650℃保溫35 h后，溫差減小至62℃，保溫前后共減小溫差達206℃。由此表明，階梯式加熱會有效減小大尺寸低壓轉子表面與心部溫差，且加熱過程階梯越多，表面與心部溫差越小。為了預測該轉子在以上加熱工藝條件下的熱應力，以溫度場模擬結果作為輸入參數，對轉子在加熱過程中的瞬時應力分布進行簡單分析，結果如圖6所示。將圖6與圖5對比可以看出，熱應力變化趨勢與溫差變化趨勢相對一致，但不完全一致。轉子棱邊、表層、R/2、心部的最大熱應力分別為15.3 MPa、21.6 MPa、23.6 MPa、23.4 MPa。棱邊和表層的最大熱應力發生在35 600 s處，由圖4可知，該處是棱邊和表層實際升溫速率最大值的終了處，而R/2點極大熱應力發生在159 000 s時，心部極大熱應力發生在61 400 s時，兩者均是實際加熱速率極大值的終了處。由此可得，最大熱應力并不是發生在最大溫差處而是發生在最大升溫速率終了處。由于低壓轉子一般要求其屈服應力為690 MPa～820 MPa，斷裂應力約為830 MPa，如果不考慮其加熱過程中的組織應力，單獨來看熱應力并不會致使其產生裂紋。

圖5　工件升溫過程中不同位置和表層之間溫差

圖6　轉子軸向應力與時間變化的關系曲線

4結論

(1)低壓轉子最大截面處即使以0.29℃/min速度加熱，也依然會造成表面與心部268℃的溫差。所以在實際生產中一味降低加熱速度并不能很好控制轉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子的表面與心部溫差，得到較均勻的溫度分布。

(3)低壓轉子表面溫度在升溫過程中越接近設定溫度，升溫越緩慢，所以為了使工件盡快到達設定溫度，可將爐溫在誤差允許范圍內上調，這樣可節省大量時間，縮短生產周期。

(4)低壓轉子最大截面上溫差造成的熱應力遠遠小于工件允許的變形及斷裂應力，以給定的加熱工藝曲線進行加熱，其最大截面上的溫差引起的熱應力并不會對轉子造成嚴重的變形及開裂。

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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，熱處理數值模擬。電話：15035123077，E-mail：244706565@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275330)；山西省自然科學基金資助項目(2012011022-4)。

收稿日期：2015—09—14

中圖分類號：O242.1

文獻標志碼：A