大锻件喷水淬火工艺优化与节能减排

王四芳，解寺明，张继锋

(一重集团海洋工程事业部，辽宁 大连 116113)

从上世纪90年代至今，金属热处理节能技术始终备受关注［1－3］，学习借鉴国内外的金属热处理技术、发展热处理节能减排与环保技术。近年来，我国金属热处理新工艺和新装备不断发展，热处理技术水平明显提升，产业规模不断扩大，随着我国将节能减排作为调整经济结构、转变经济增长的重要突破口［4］，一些传统热处理工艺的转型升级也迫在眉睫。

淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。淬火冷却的目的是使钢中高温相－奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相－马氏体，从而提高钢的硬度、强度和韧性等力学性能。因此，淬火冷却过程是影响淬火质量的重要环节。喷水淬火冷却是目前应用较广的淬火冷却工艺之一［5］，其优点是喷射的水流可以控制水流，更均匀，在膜状沸腾表面可以打破高温壁面上的蒸汽膜，强化冷却效果，因此，喷水冷却的应用广泛。然而，目前喷水冷却过程多采用恒定水流量持续喷射，冷却水量大，电能消耗大，该过程存在着较大的节能降耗空间。

本文的目标是寻求优化的大锻件喷淬工艺，使之在不影响锻件淬火质量的前提下，尽可能节能节水;所用的方法是先建立包含沸腾边界条件的非稳态导热数值模型，考察锻件内部的温度场，通过对比分析传统的恒流量淬火工艺和推荐的递减水量冷却工艺，从而确定优化的工艺，然后进行实验验证，最后计算出节约的水量和能量。

1 数学模型

类似大型低压转子的长轴类铸锻件，可近似成一个圆柱体。由于圆柱体的轴对称性，并且考虑到工件长度远大于工件直径，可忽略轴向换热，模型可进一步简化成一维非稳态无内热源导热模型，其导热控制方程［3］见式(1)

式中α为材料的热扩散系数，其计算如式(2)

式中 λ——材料的导热系数/W·m－1·℃－1;

ρ——材料的密度/kg·m－3;

c——材料的定压比热容/J·kg－1·℃－1。

如果材料给定，以上物性可以由实验或文献得到。其中冷却过程中发生组织转变释放的潜热采用等效比热容的方法考虑。一般根据材料的TTT转变曲线［5］，可以得到过冷奥氏体向珠光体的转变、过冷奥氏体向贝氏体的转变、过冷奥氏体向马氏体的转变。各项组织相变潜热参考文献经验值［3］，取46 000 J/kg。

假设工件开始冷却初始温度场是均匀的，给定初始条件

式中 T0——起始温度。

工件芯部轴对称，因此

工件表面按第三类边界条件处理

式中 To——外表面壁温/℃;

Tc——冷却水温度/℃;

h——工件表面传热系数/W·m－2·℃－1。喷水开始后表面传热系数参考文献［4］的经验值，为水流密度与表面温度的函数，其中包含淬火开始的膜状沸腾和泡状沸腾，以及沸腾之后水的强制对流传热系数。以上问题采用有限差分法进行离散化，用Matlab编程。空间步长2 mm，时间步长4 s。

2 实验部分

实验转子采用一件大型低压转子锻件，材质30Cr2Ni4MoV，最大截面直径 1723mm，长8 825 mm。

喷水冷却过程中，转子锻件不同位置、不同深度上冷却速率各不相同，并且轴身由于截面直径最大，芯部冷却速率最慢，是喷水冷却工艺制定需要考虑的重点位置，因此，实验在工件轴身1/2位置，从表面到心部的4个不同深度布置4支热电偶(T1－T4)。测温电偶为K型铠装热电偶，直径5 mm。实验采用无纸记录仪实时采集各测温点温度值，每分钟一组。

实验主要对比考察低压转子锻件传统工艺与优化工艺的温度场，因此，转子实验件直接进行高温淬火工艺，淬火温度840℃，保温至心部透热后按照传统的工艺进行了喷淬，以恒定的水流量Q0(t/h)喷淬一定时间t0(h)。此次实验的目的一是用于检验计算模型，二是作为改进的喷淬工艺的对比基准。喷淬工艺流量曲线见图1。

图1 现行喷淬工艺流量曲线

3 结果分析与讨论

3.1 恒流量喷淬工艺

现行恒流量工艺下，模拟计算结果与测温结果对比见图2。

图2 模拟结果与测温结果对比

计算结果表明:喷水冷却过程中不发生过冷奥氏体向珠光体转变，因此，距离表面893 mm位置600℃以上计算值与实测值吻合很好，而在250～600℃区间内模拟值与实测值相差较大，模拟值与测量值相差近50℃，这是由于过冷奥氏体向贝氏体、马氏体的转变区间内相变潜热等效处理的结果，这种转变比单纯导热复杂，数学模型往往不能做到非常精确，存在误差。基于目前的结果，从节能工艺改进的角度，可以认为模拟结果与测温结果吻合较好，数学模型是有效的。

图2还表明，距离表面越远，温度下降越缓慢。芯部附近的T1温度在7 h后仍处在约500℃;在450℃由于受组织转变影响放热，温度下降变得平缓。T2、T3更快一些。离表面30 mm的T4位置温度下降最快，大约30 min后，已经接近100℃。之后，T4温度下降变缓，这是由于壁面温度已经降到100℃以下，冷却水与壁面的换热转成对流换热，对流传热系数大大降低。需要指出的是:T3和T4在100℃时各自出现了一个平台。经检验发现:这是由于电偶孔进水后发生沸腾导致，因而在100℃附近的测温不能代表工件的真实温度。但在离100℃较远的大部分区域，测温仍然是有效的。

3.2 水量递减喷淬优化工艺

从3.1节可见，喷淬大约30 min后，距工件表面30 mm处已经降到100℃以下，表面的温度更低，此时冷却水流量可以适当降低。

根据模型计算的工件温度分布情况，可通过傅里叶定律计算冷却过程中，各时刻单位时间内、单位面积上通过工件表面的热通量。假设冷却水最大温升的设计值为5℃，根据热量衡算可得到所需要的冷却水流量曲线，见图3。

图3 理想喷淬工艺冷却水流量曲线

结合温度场的计算结果，在理想冷却水流量曲线下喷淬，可以保证淬火过程的温度场与原始工艺一致，说明冷却水量降低不会影响锻件的淬火质量。

从图3可以看出，喷淬初始，冷却水在工件表面发生沸腾现象，理想冷却水流量需求量大(Qmax)，随着表面温度的降低，冷却水需求量急剧下降。经过约30 min的冷却，理想冷却水流量仅需约装置运行量Q0的一半，在约2 h后只需装置运行量的四分之一，随着喷淬时间的延续，喷淬终了时所需冷却水流量最小(Qmin)。按理想冷却水流量曲线喷淬运行16 h，喷水量可节约82.1%的冷却水用水量。

以上立项喷淬工艺需要流量实时变化，不太容易实现。实际操作中，在优化喷淬水量时考虑了以下原则:(1)不影响锻件的淬火质量，因此淬火过程的温度场变化需基本与传统工艺一致;(2)工艺可靠，带有一定安全裕度;(3)便于实际操作和控制。

根据以上原则，这里选定了水量递减的三级优化喷淬工艺，见图4。

图4 水量三级优化喷淬工艺流量曲线

其中从开始至t1的时间内，随着表面温度的降低，蒸汽膜更容易打破，理论上水量可以逐渐减小，但是为了操作简便，维持与传统工艺相同的喷水量Q0;从时间t1开始，水量减小。t1可以设定为大约30 min，相当于表面温度已经充分降低到100℃以下，但实际中为了保持喷淬工艺可靠，可以设为1小时或更长，而且水量也维持在一个恒定值为0.5 Q0;从t2开始至结束，表面温度更低，流量选取得更小，时间t2和流量0.4 Q0的选取不是唯一的，可以根据可靠性和操作简便的要求适当选取。

以上三级递减的工艺得到的温度场表明，此工艺可以满足喷淬的要求。之后本文对改进的递减水量工艺进行了实验。实际运行中，因为设置了变频泵，只要所需流量处于泵的最大和最小流量之间，基本可以实现优化工艺需要的流量。

优化工艺和传统工艺的测量的温度场比较结果见图5。可以看出，两种工艺测温较大的误差出现在100℃附近，这里有电偶孔进水的影响。除此之外，两种工艺的曲线基本重合。

图5 两种工艺喷淬测温数据对比

温度场的一致性说明:两次喷淬工艺过程工件内部组织场应该一致，三级优化节能工艺的调整对工件温度场、组织场没有影响，仍可以保证工件各点的喷淬冷却速率，确保工件热处理质量。

3.3 优化喷淬工艺的水耗能耗分析

从图1和图4可以积分得到传统喷淬工艺与三级优化工艺的喷水总量。采用优化的工艺，喷水量比传统的恒流量节约46.9%，根据锻件大小和喷淬时间的长短，一次喷淬节水量可以在万吨以上。一般喷淬过程中使用循环水，但根据损耗补充新水，补充量在2%左右。即使如此，这里的优化工艺一次喷淬节水也会达240 t。

除此以外，三级优化工艺泵的能耗也随之降低。在本次实验的三级工艺中，初始阶段采用两台泵，中期采用一台，最后采用一台降频运行。单台泵额定功率250 kW，根据离心泵变频运行的比例定律［6］，变频运行时功率之比为供水流量之比成3次方的比例关系。与传统工艺相比，三级喷淬总共可节电4 120 kW·h，合54.4%，即电耗的节省幅度比水耗幅度更大。从节能降耗的角度来看，总体上，这里提出的三级优化淬火工艺是一个显著的改进。

因为实验费用巨大，作为第一次尝试，上述工艺选取的略微保守。之前的理想优化的工艺节水节能幅度可更高，但考虑到实际工况中，变频泵的频率不能无级变速调节，保证一定的扬程有最低流量限制等，实际情况的流量要略大一些，但节水节电仍可设计在60%以上。在冶金、重工行业对节能降耗越来越重视的今天，这样的工作无疑有很重要的意义。

4 结论

本文从转子锻件淬火冷却过程的传热机理出发，考虑工件材质、组织转变潜热的影响，建立了数学模型，Matlab编程模拟计算了淬火冷却过程工件的温度场变化。经实验验证，实验数据与数学模型吻合良好。模型结果与实验结果都表明，喷淬开始不久，表面不再有沸腾现象发生，工件温度场分布主要由内部导热控制，表面喷水量可以大幅度降低。

根据温度场模拟结果，本文计算了随时间变化的冷却水流量曲线，即理想的优化喷淬工艺。考虑实际供水系统泵的变频能力，以及系统的安全、可靠、可控的调节，本文设计了三级水量递减的喷淬优化工艺，并进行了实验验证。结果表明，改进的喷淬工艺对工件的温度场几乎没有影响，可保证工件的热处理质量。

实验的能耗分析表明，对于一个典型的直径1.73 m、长8.8 m的大锻件，本文提出的三级优化工艺比传统恒水量喷淬实现了节水46.9%、节电54.4%，即一次喷淬可节约循环水新鲜补充水超过500 t，采用变频调节降低供水流量可节约用电超过4 100 kW·h，大大节约了淬火成本。

本文将数值计算和实验验证结合，应用于大锻件喷水淬火过程的水量递减的优化工艺，为我国冶金、重工行业的转型升级和节能减排提供了新的思路和重要参考。

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