【摘要】：大型鑄鍛件形大體重、制造技術(shù)難度大、質(zhì)量要求高,是冶金、電力、石化、交通、礦山、兵器等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各部門所需的各種大型關(guān)鍵設(shè)備的重要基礎(chǔ)件。同時,大型鑄鍛件行業(yè)既是裝備制造的基礎(chǔ)行業(yè),也是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性行業(yè),是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志。當(dāng)前,我國重型裝備制造業(yè)面臨國內(nèi)外市場需求低迷、經(jīng)濟(jì)下行壓力加大的雙重挑戰(zhàn)與考驗(yàn),如何從產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級、生產(chǎn)流程再造、技術(shù)與管理創(chuàng)新等領(lǐng)域?qū)ふ彝黄瓶?對于重型機(jī)械制造企業(yè)已刻不容緩。特別是在大型鑄鍛件熱加工領(lǐng)域,工業(yè)鍛造及熱處理加熱透燒時刻尚無法實(shí)現(xiàn)便捷無損預(yù)報,對不同材質(zhì)/類型大型鑄鍛件加熱透燒后保溫時間缺少明確的確定準(zhǔn)則,且無任何透燒智能預(yù)報系統(tǒng)及短流程工藝制度與現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對接和功能嵌入,而工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低下、能源工時耗用巨大等問題一直是大型鑄鍛件熱加工領(lǐng)域的難題。本文通過對大型鑄鍛件加熱過程中設(shè)備耗能狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與解析,研究并提出了大型鑄鍛件加熱透燒時刻的便捷、準(zhǔn)確及無損預(yù)報新方法,建立了典型大型鑄鍛件透燒后保溫工藝制度的確定準(zhǔn)則,并與爐溫儀表檢測、埋敷電偶實(shí)測以及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上開發(fā)出大型鑄鍛件加熱過程智能控制系統(tǒng)并用于若干典型件的熱加工流程的工業(yè)實(shí)踐。取得如下主要研究結(jié)果:結(jié)合大型鑄鍛件加熱過程的傳熱學(xué)與物理冶金學(xué)基礎(chǔ)理論,系統(tǒng)分析了大型鑄鍛件加熱的物理過程,討論了加熱爐系統(tǒng)散熱及能量平衡準(zhǔn)則,建立了大型鑄鍛件加熱過程中等溫面的遷移模型,給出了能量平衡與工件尺寸的函數(shù)關(guān)系,闡釋了加熱方式及能量輸入形式與節(jié)能降耗之間的關(guān)系。大型鑄鍛件的熱傳導(dǎo)加熱過程主要決定于加熱介質(zhì)與被加熱工件間的溫度梯度以及被加熱工件的導(dǎo)熱性,在不同的加熱介質(zhì)以及不同的加熱溫度條件下,起主導(dǎo)作用的傳熱方式各不不同。工件實(shí)際加熱過程中滿足能量守恒定律,且當(dāng)工件透燒后,工件與介質(zhì)之間達(dá)到熱交換平衡,此時單位時間內(nèi)用于加熱消耗的輸入能量基本上保持穩(wěn)定。單個或多個工件的加熱過程均可按整體處理,當(dāng)爐中工件開始加熱至全部透燒時,可基于能量平衡準(zhǔn)則評估爐內(nèi)全部工件的透燒狀態(tài)。提出了一種基于解析加熱爐能量耗用速率來準(zhǔn)確判定大型鑄鍛件加熱透燒時刻的無損預(yù)報新方法,確定了某大型支承輥、餅類鍛件、L側(cè)鍛軸鍛件等分別在熱處理及鍛造加熱過程中的透燒時刻,并與爐溫儀表檢測、埋敷偶實(shí)測及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,同時建立了支承輥鍛件分別在850°C、950°C和1030°C加熱保溫條件下,燃?xì)夂挠盟俾逝c透燒深度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。發(fā)現(xiàn)加熱爐能量輸入速度的瞬時變化可以用來準(zhǔn)確表征大型鑄鍛件實(shí)際加熱過程中的透燒時刻,藉此實(shí)現(xiàn)大型工件透燒時刻的便捷、準(zhǔn)確及無損預(yù)報。所提出的大型鑄鍛件加熱透燒預(yù)報新方法既不受大型鑄鍛件材質(zhì)、形狀、尺寸及裝爐量的影響,也無需在工件中心敷埋電偶,對于優(yōu)化大型鑄鍛件熱加工工藝、節(jié)能減排及降本增效,意義重大。開發(fā)了新型加熱爐智能控制系統(tǒng),并針對單件支承輥鍛件和核電鍛件的加熱過程進(jìn)行了時間、溫度及燃料耗用速率的采集與測算,通過控制系統(tǒng)的LED燈和蜂鳴器報警實(shí)現(xiàn)了工件加熱透燒時刻的便捷、準(zhǔn)確及無損預(yù)報�？刂葡到y(tǒng)所采集的支承輥鍛件熱處理數(shù)據(jù)與實(shí)際加熱爐控制系統(tǒng)幾乎一致,且最高峰對應(yīng)時刻與爐溫保溫初始點(diǎn)吻合較好,在爐溫升高至930°C的保溫階段,該支承輥鍛件透燒所需保溫時間約為23 h。利用該系統(tǒng)采集并測算了一核電鍛件在鍛前加熱過程中的時間、溫度及煤氣耗用速率等參數(shù),發(fā)現(xiàn)保溫前煤氣耗用速率的最高峰對應(yīng)時刻與爐溫保溫初始點(diǎn)吻合較好,該核電鍛件在1280°C的保溫時的透燒時間約為7.2 h。在大型法蘭蓋鋼錠、低碳鋼鋼錠及高中壓轉(zhuǎn)子的鍛前加熱、保溫以及鐓拔處理工藝實(shí)踐中,通過解析燃?xì)庀目偭孔兓瘮?shù)據(jù)預(yù)報了工件的透燒時間。產(chǎn)品最終質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明,法蘭蓋鋼錠在1250°C和5.7 h、8.5 h與17.5 h三種鍛前保溫制度下,鍛后力學(xué)性能均顯著高于相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,鍛后樣品的晶粒度級別在5.5~7.0范圍,基體主要由貝氏體回火組織組成;低碳鋼錠在1250°C和7.0 h、26.3 h條件下分別加熱及鍛造處理后的晶粒級別及力學(xué)性能均達(dá)標(biāo),實(shí)現(xiàn)了透燒后“零”保溫鍛造工藝下的合格制造;高中壓轉(zhuǎn)子在1250°C和11.8 h、18 h不同鍛前保溫制度鐓拔處理后的質(zhì)量也均達(dá)標(biāo)。結(jié)果證實(shí)本文所提出的透燒預(yù)報及保溫時間確定準(zhǔn)則可較好應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。采用本文所提出的透燒預(yù)報技術(shù)可使某大型重機(jī)廠的百噸級軋電產(chǎn)品的單件鍛件制造成本節(jié)省2850元左右,全年平均至少節(jié)省160萬余元,而且還使單件鍛件單火次效率提高了33%,單件鍛件鍛造總火次效率提高了17.6%。
【圖文】：

會造成能源的損耗，又會使母材晶粒粗大，從而影響工件的鍛件在保溫和均勻化時間的控制性方面沒有明確的技術(shù)依據(jù)般，這也是制造業(yè)能源消耗巨大的主要原因之一。工業(yè)爐溫控原理與方法加熱爐是一個具有典型復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合、時變、不確和純滯后等特點(diǎn)的工業(yè)設(shè)備[55-58]。傳統(tǒng)的工業(yè)加熱爐控制系或 PLC 系統(tǒng)自動控制。隨著微機(jī)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，計(jì)應(yīng)用到加熱爐系統(tǒng)的優(yōu)化控制中[59-61]。爐爐溫控制原理講，爐溫控制屬于自動控制范疇，微機(jī)技術(shù)可以智能地控制制多點(diǎn)位溫度的恒溫[62-65]。圖 1-1 給出了工業(yè)加熱爐溫度控制

燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 K)。流換熱邊界條件表明，固體邊界熱流密度與流體介質(zhì)和固體之間的質(zhì)上是 Robin 條件的另一種表現(xiàn)形式[95]。通常將流體介質(zhì)的溫度為常數(shù)，特殊情況下也可以是溫度、時間與位置的某種函數(shù)。換熱的物性、流動速度、流體與固體間的溫差等因素有關(guān)，且多數(shù)情況定[96]。長圓柱體的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱半徑為 R 的長圓柱體的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，這里討論的前提是材為常數(shù)，同軸圓柱面為等溫面，環(huán)境溫度fT 為常數(shù)，而且長圓柱外熱系數(shù) 是均勻的[97-99]，，如圖 2-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG316.17

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