CN110773577B - 一种厚壁环件差温轧制温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厚壁环件差温轧制温控方法，主要包括：(a)对环件进行网格划分；(b)给定n时刻环件的初始温度场；(c)给定最小临界温差值，分别计算环件内壁层平均温度、环件外壁层平均温度、环件中心层平均温度，并判断环件中心层平均温度与环件内壁层平均温度、环件外壁层平均温度中的最小值之差是否超过最小临界温差值；(d)计算n时刻环件所需的冷却热流密度；(e)给定轧制总时间t，并判断是否需要对环件进行冷却；(f)得到整个环轧过程中所需的冷却热流密度变化值。本发明使厚壁环件表层与心部始终保持一定的温差，有利于心部缺陷的消除，改善环件成形均匀性，提高环件综合性能。
Description
技术领域
本专利涉及环件轧制技术领域，尤其涉及一种厚壁环件差温轧制温控方法。
背景技术
环件轧制又称辗环或扩孔，是利用轧辊驱动环件转动，通过轧制孔型的连续轧制变形，使环件直径不断增大，壁厚减小，截面逐渐成形的特殊塑性加工过程。与传统的模锻、自由锻造、火焰切割工艺相比，由于其具有环件精度高、质量好、生产效率高、节能节材、生产成本低等技术经济优势，成为目前生产各种无缝环形锻件的常用方法，被广泛应用于航天航空、造船、原子能工业、建筑机械、矿山机械等各种工业领域。
在环轧过程中，环件的表层心部所受应变状态不同，会出现内外等效应变不均匀的现象，轧制变形难以渗透到心部，中心变形很小，使心部再结晶不充分，导致心部晶粒粗大不均匀，造成成品环件质量差，这对于厚壁环件尤其严重，单纯增加道次压下率的方法可以使轧制变形深入到心部，但是提高道次的压下率的同时必然会增加轧制力，又会增加轧件的咬入难度，使轧机负荷增加，造成资源浪费，有时还会无法达到生产工艺所需。因此，急切寻求在不增加道次压下率的情况下可以使轧制变形深入到心部，使组织性能更加优越。
差温轧制工艺是指在轧制过程中边冷却、边轧制，而冷却未深入到坯料内部，导致在坯料厚度方向上出现表层温度低心部温度高的分布状态。由于特殊的温度分布，坯料在轧制时上下表层由于低温情况，其变形抗力变大，导致变形困难，同时心部温度高，容易变形。如此由表层向心部变形逐步深入，这样有利于心部缺陷的消除，提高心部质量，改善环件成形均匀性，同时降低了表层变形不能深入引起的双鼓形缺陷、甚至边部折叠情况，从而提高环件的成材率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚壁环件差温轧制温控方法，在轧制过程中边冷却、边轧制，而冷却未深入到坯料内部，使厚壁环件表层与心部始终保持一定的温差，即出现表层温度低心部温度高的分布状态。这样上下表层由于低温情况，其变形抗力变大，导致变形困难，同时心部温度高，容易变形。如此由表层向心部变形逐步深入，这样有利于心部缺陷的消除，提高心部质量，改善厚壁环件成形均匀性，同时降低了表层变形不能深入引起的双鼓形缺陷、甚至边部折叠情况，从而提高环件的成材率。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
(a)对环件进行网格划分，得到有限个离散的网格节点；
(b)给定n时刻环件任一节点的温度值
(c)给定最小临界温差值ΔT，分别计算环件内壁层平均温度
环件外壁层平均温度
环件中心层平均温度
并判断
是否成立？若成立，则环件所需的冷却热流密度
转入步骤(e)，否则，转入步骤(d)；
(d)通过冷却热流密度计算公式计算n时刻环件所需的冷却热流密度
(e)给定轧制总时间t，并判断n+1<t是否成立？若成立，则利用步骤(d)计算的冷却热流密度选取合适的冷却方式对环件进行冷却，再通过步骤(b)中的节点温度值
和环件温度差分公式计算环件下一时刻的节点温度值
并使n＝n+1，转入步骤(b)，否则，转入步骤(f)；
(f)得到整个环轧过程中所需的冷却热流密度变化值。
上述方案中，所述的步骤(c)中环件内壁层平均温度计算公式为：
式中，i—节点在径向方向的位置，i＝0,1,2,3…,r/Δr；
r—网格区域的半径；
Δr—径向网格单位长度；
j—节点在周向方向的位置，j＝0,1,2,3…,φ/Δφ；
φ—网格区域的弧度；
Δφ—周向网格单位弧度。
上述方案中，所述的步骤(c)中环件外壁层平均温度计算公式为：
上述方案中，所述的步骤(c)中环件中心层平均温度计算公式为：
上述方案中，所述的步骤(e)中冷却热流密度计算公式为：
式中，ρ—材料密度，kg/m3；
c—材料比热，J/(kg·℃)；
h—环件轴向高度，m。
上述方案中，所述的步骤(e)中环件温度差分公式为：
式中，
—n+1时刻节点温度值，℃，未知量；
Δt—时间间隔长度；
λ—材料导热系数，W/(m·℃)；
不同边界条件下的等效内热源主要包括：
1)轧制区环件等效内热源：径向轧制区驱动辊与环件接触表面等效内热源、芯辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源，以及轴向轧制区上锥辊与环件接触表面等效内热源、下锥辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源；
2)非轧制区环件等效内热源：左抱辊与环件接触表面等效内热源、右抱辊与环件接触表面等效内热源、空气与环件接触表面等效内热源，由于非轧制区不产生塑性变形，所以在非轧制区环件内部等效内热源均为零；
特别地，本发明假设环件内部介质均匀连续，且存在连续的温度场、热流密度矢量场和导热系数场；
特别地，本发明假设轧制过程为稳态轧制，环件全部吸收其塑性变形热，产生的摩擦热按比例传递给环件和轧辊；
上述方案中，所述的步骤(e)中冷却方式为喷水冷却或喷雾冷却。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
与现有技术相比，本发明提供一种厚壁环件差温轧制温控方法，在轧制过程中边冷却、边轧制，而冷却未深入到坯料内部，使厚壁环件表层与心部始终保持一定的温差，即出现表层温度低心部温度高的分布状态。这样上下表层由于低温情况，其变形抗力变大，导致变形困难，同时心部温度高，容易变形。如此由表层向心部变形逐步深入，这样有利于心部缺陷的消除，提高心部质量，改善厚壁环件成形均匀性，改善材料组织性能，提高了环件的综合性能，同时降低了表层变形不能深入引起的双鼓形缺陷、甚至边部折叠情况，从而提高环件的成材率，提高了经济效益。
附图说明
图1一种厚壁环件差温轧制温控方法总流程图；
图2实施例中环件轧制温度场网格划分示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
一种厚壁环件差温轧制温控方法，包括以下步骤(计算框图如图1所示)：
(c)如图2所示，对环件进行网格划分，得到有限个离散的网格节点；
(d)给定n时刻环件任一节点的温度值
(c)给定最小临界温差值ΔT＝70℃，分别计算环件内壁层平均温度
环件外壁层平均温度
环件中心层平均温度
并判断
是否成立？若成立，则环件所需的冷却热流密度
转入步骤(e)，否则，转入步骤(d)；
其中，环件内壁层平均温度计算公式为：
式中，i—节点在径向方向的位置，i＝0,1,2,3…,r/Δr；
r—网格区域的半径；
Δr—径向网格单位长度；
j—节点在周向方向的位置，j＝0,1,2,3…,φ/Δφ；
φ—网格区域的弧度；
Δφ—周向网格单位弧度。
其中，环件外壁层平均温度计算公式为：
其中，环件中心层平均温度计算公式为：
(d)通过冷却热流密度计算公式计算n时刻环件所需的冷却热流密度
(e)给定轧制总时间t，并判断n+1<t是否成立？若成立，则利用步骤(d)计算的冷却热流密度选取喷水冷却对环件进行冷却，再通过步骤(b)中的节点温度值
和环件温度差分公式计算环件下一时刻的节点温度值
并使n＝n+1，转入步骤(b)，否则，转入步骤(f)；
其中，冷却热流密度计算公式为：
式中，ρ—材料密度，kg/m3；
c—材料比热，J/(kg·℃)；
h—环件轴向高度，m。
其中，环件温度差分公式为：
式中，
—n+1时刻节点温度值，℃，未知量；
Δt—时间间隔长度；
λ—材料导热系数，W/(m·℃)；
不同边界条件下的等效内热源主要包括：
1)轧制区环件等效内热源：径向轧制区驱动辊与环件接触表面等效内热源、芯辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源，以及轴向轧制区上锥辊与环件接触表面等效内热源、下锥辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源；
2)非轧制区环件等效内热源：左抱辊与环件接触表面等效内热源、右抱辊与环件接触表面等效内热源、空气与环件接触表面等效内热源，由于非轧制区不产生塑性变形，所以在非轧制区环件内部等效内热源均为零；
特别地，本发明假设环件内部介质均匀连续，且存在连续的温度场、热流密度矢量场和导热系数场；
特别地，本发明假设轧制过程为稳态轧制，环件全部吸收其塑性变形热，产生的摩擦热按比例传递给环件和轧辊；
(f)得到整个环轧过程中所需的冷却热流密度变化值。
需要说明的是，本发明所计算的轧辊包括驱动辊、芯辊、左抱辊、右抱辊、上锥辊、下锥辊，对于大部分的环轧过程而言，这六个轧辊均或增加或减少地设置，为了实现厚壁环件差温轧制的温度控制，只需在本发明提出的计算方法基础上稍加改进即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种厚壁环件差温轧制温控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(a)对环件进行网格划分，得到有限个离散的网格节点；
(b)给定环件n时刻节点温度值
(c)给定最小临界温差值ΔT，分别计算环件内壁层平均温度
环件外壁层平均温度
环件中心层平均温度
并判断
是否成立？若成立，则环件所需的冷却热流密度
转入步骤(e)，否则，转入步骤(d)；
(d)通过冷却热流密度计算公式计算n时刻环件所需的冷却热流密度
(e)给定轧制总时间t，并判断n+1<t是否成立？若成立，则利用步骤(d)计算的冷却热流密度选取合适的冷却方式对环件进行冷却，再通过步骤(b)中的n时刻节点温度值
和环件温度差分公式计算得到n+1时刻节点温度值
并使n＝n+1，转入步骤(b)，否则，转入步骤(f)；
(f)得到整个环轧过程中所需的冷却热流密度变化值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(c)中环件内壁层平均温度计算公式为：
式中，i—节点在径向方向的位置，i＝0,1,2,3…,r/Δr；
r—网格区域的半径；
Δr—径向网格单位长度；
j—节点在周向方向的位置，j＝0,1,2,3…,φ/Δφ；
φ—网格区域的弧度；
Δφ—周向网格单位弧度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的步骤(c)中环件外壁层平均温度计算公式为：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的步骤(c)中环件中心层平均温度计算公式为：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的步骤(e)中冷却热流密度计算公式为：
式中，ρ—材料密度，kg/m3；
c—材料比热，J/(kg·℃)；
h—环件轴向高度，m。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的步骤(e)中环件温度差分公式为：
式中，
—n+1时刻节点温度值，℃，未知量；
Δt—时间间隔长度；
λ—材料导热系数，W/(m·℃)；
不同边界条件下的等效内热源主要包括：
1)轧制区环件等效内热源：径向轧制区驱动辊与环件接触表面等效内热源、芯辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源，以及轴向轧制区上锥辊与环件接触表面等效内热源、下锥辊与环件接触表面等效内热源、环件内部等效内热源；
2)非轧制区环件等效内热源：左抱辊与环件接触表面等效内热源、右抱辊与环件接触表面等效内热源、空气与环件接触表面等效内热源，由于非轧制区不产生塑性变形，所以在非轧制区环件内部等效内热源均为零；
假设环件内部介质均匀连续，且存在连续的温度场、热流密度矢量场和导热系数场；
假设轧制过程为稳态轧制，环件全部吸收其塑性变形热，产生的摩擦热按比例传递给环件和轧辊。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤(e)中冷却方式为喷水冷却。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤(e)中冷却方式为喷雾冷却。
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