CN114113212A - 一种热模拟装置及工件内部温度场热模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热模拟装置及工件内部温度场热模拟方法，该热模拟装置包括温度场测量装置、加热装置、冷却装置和试棒，其中，温度场测量装置上设置有试棒容置腔和第一开口，试棒容置腔的第一端与第一开口连通，试棒置于试棒容置腔内且试棒的第一端由第一开口露出；加热装置在第一开口处对试棒的第一端进行加热，冷却装置在第一开口处对试棒的第一端进行冷却；并且，试棒在长度方向上设置有多个温度测量装置。本发明的方法和热模拟装置利用专门设计的圆柱形试棒和楔形试棒在热模拟装置中模拟大型工件在实际加热与冷却过程中工件内部温度场的变化。
Description
技术领域
本发明涉及热处理领域，特别是涉及热模拟装置及工件内部温度场热模拟方法。
背景技术
热处理是机械制造业的灵魂，产品的性能最终决定于热处理。热处理由加热、保温、冷却三部分组成，加热时必须保证工件被加热到所需温度，冷却时必须保证所需的冷却速度。加热和冷却均通过工件表面与周围介质的热能交换来完成，加热时工件从周围介质吸取热能，冷却时工件向周围介质放出热能。在加热和冷却时由于工件内外温度不同而将产生热应力及组织应力，如应力过大，超过工件的强度则将导致工件开裂而报废。从周围介质取得热能的加热称为外热源加热，外热源加热多数用气态介质，少数用液态介质。此外还有内热源加热，但用得很少。冷却时无内外之分，工件热能均通过工件表面传递给周围介质。
为保证加热到所需温度，关键是确定加热时间，加热时间过短，加热不能到温，加热时间过长，造成热能浪费。
对于小件热处理可假设工件从表面获得的热能可迅速、均匀分布到工件各部位。按此假设，加热时间τ/sec将正比于工件体积V/mm3，反比于工件受热面积F/mm2，即：
τ＝K(V/F)
式中K为比例系数，单位为sec/mm，可从热处理手册中查到，有了k，即可计算出加热时间τ。
大件不能采用此近似方法计算加热时间，如大轧辊、大轴等。
运用传热学知识在理论上可以计算出在一定加热条件下工件心部到温所需的时间，但计算比较复杂、误差较大，且难以用于形状复杂的工件。
为保证达到淬火要求，必须严格控制冷却速度，冷却速度过低不能达到淬火目的，过高容易导致变形和开裂。
目前对于大件热处理主要采用以下三个方法来确定加热过程中工件内部温度场的变化。
1.根据各种热处理手册提供的经验数据制定加热工艺。显然工艺的可靠性完全取决于经验数据的可靠性；
2.用热电偶实测大型工件在加热过程中温度场的变化
办法是在工件表面钻不同深度的孔，插入热电偶，入炉加热，测出离表面不同距离处的升温曲线，采用这种方法，所得结果最为可靠。但钻孔是破坏性试验，钻孔后工件即报废，故试验成本高得惊人。另外实测方法只适用于加热，不能用于冷却，因为大件冷却时，为保证冷却均匀，工件均需转动，无法用热电偶测温。
3.利用计算机进行数值模拟计算
计算机的出现为热处理的加热(冷却)过程的数值模拟计算提供了可能，计算机最大的优势是计算速度超快、记忆功能超强，解决了计算繁琐的难题。
利用传热学理论对大件的加热及冷却过程进行计算在理论上虽不存在问题，但计算需要各种热物理参数，其中包括：换热系数、导热系数、导温系数、比热等等，影响这些系数的因素很多，故这些参数均难以事先得知。另外在加热(冷却)过程中发生的相变还将吸收(放出)热能，从而影响工件内的温度场。计算机计算时只能借用资料中能查到的数据，因此计算结果精度不高。温度场的计算尚且存在问题，利用计算所得的温度场来计算应力场就更难以保证精度了。
目前国内外对热处理数值模拟计算都已开展了不少工作，市场上也已有专用软件出售，但由于计算结果精度差，故难以在生产上推广。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种热模拟装置及工件内部温度场热模拟方法，利用热模拟装置通过模拟计算来确定加热过程中工件内部温度场的变化。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种热模拟装置，包括温度场测量装置、加热装置、冷却装置和试棒，
其中，温度场测量装置上设置有试棒容置腔和第一开口，试棒容置腔的第一端与第一开口连通，试棒置于试棒容置腔内且试棒的第一端由第一开口露出；
加热装置在第一开口处对试棒的第一端进行加热；
冷却装置在第一开口处对试棒的第一端进行冷却；
并且，试棒在长度方向上设置有多个温度测量装置。
进一步地，试棒的长度与待模拟工件的半径相同；采用加热装置对试棒的第一端进行加热，采用冷却装置对试棒的第一端进行冷却。
进一步地，试棒为圆柱形试棒或楔形试棒，其中，楔形试棒的大端为试棒的第一端。
进一步地，试棒的周向还匹配地套装有钢套。
进一步地，钢套上设置有用于引出温度测量装置的缺口。
进一步地，温度测量装置为铠装热电偶。
进一步地，试棒的长度与待模拟工件的直径相同，温度场测量装置上还设置有第二开口，
试棒容置腔的第二端与第二开口连通，使试棒的第二端由第二开口露出；
加热装置的数量为两个且一一对应于第一开口和第二开口处，以对试棒的第一端和第二端同时进行加热，
冷却装置的数量为两个且一一对应于第一开口和第二开口处，以对试棒的第一端和第二端同时进行冷却。
进一步地，试棒为圆柱形试棒或对接的两个楔形试棒，其中两个楔形试棒形状相同并且长度都等于待模拟工件的半径。
一种工件内部温度场热模拟方法，采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却；包括：
采用上述热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用加热装置对试棒的第一端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
采用冷却装置对试棒的第一端进行冷却，同时获取冷却过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，待模拟工件冷却时离待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线，
其中，试棒的长度与待模拟工件的半径相同；
或者，
采用上述热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用两个加热装置同时同速率地对试棒的第一端和第二端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
采用两个冷却装置同时同速率地对试棒的第一端和第二端进行冷却，同时获取冷却过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，待模拟工件冷却时离待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；其中，试棒的长度与待模拟工件的直径相同。
进一步地，采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却，包括：根据热处理手册中已有的经验数据及现有的加热设备条件制定加热工艺曲线和冷却工艺曲线；根据制定的加热工艺曲线和冷却工艺曲线进行加热或冷却。
本发明的有益效果为：
本发明通过体积较小的试棒模拟真实的大型工件，通过温度场测量装置配合加热装置和冷却装置，能够获得试棒在加热和冷却过程中的温度场变化，从而获得大型工件在加热和冷却过程中内部的温度场变化情况。改变了以往根据各种热处理手册提供的经验数据制定加热工艺。为制定精准的加热工艺提供了全新的思路。
附图说明
图1显示本发明一实施例所公开的热模拟装置的不完全剖视图；
图2A显示本发明一实施例所公开的热模拟装置的圆柱形试棒的示意图；
图2B显示本发明一实施例所公开的热模拟装置的楔形试棒的示意图；
图3显示本发明一实施例中离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线及试棒表面与中心的温差曲线；
图4显示本发明一实施例中不同加热时间的由试棒第一端端面到第二端端面的温度曲线；
图5显示本发明一实施例的工件内部温度场热模拟方法中，离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线；
图6显示本发明一实施例的工件内部温度场热模拟方法中，不同加热时间由试棒第一端端面到第二端端面的温度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。
最常见的大件大多是圆柱形工件，如大轴与大轧辊，其直径与长度均以米计，重量均以吨计。加热与冷却时，除靠近两端面的小部分外，中间大部分的热交换面均为工件的圆柱面，从圆柱面获得的热量将沿垂直于圆柱面的径向向中心传导，无轴向与切向热流。
大件加热一般采用冷炉入炉，随炉升温，700℃以前应缓慢加热，加热到700℃保温一段时间使工件透烧后即可进行快速加热。为防止加热时发生开裂，700℃以前的加热速度应随工件尺寸加大而降低，最低时炉子升温速度仅5℃/h，甚至更低。为减少工件内温差，可以增加2次左右等温停留。
大件淬火时一般不要求淬透，实际上也不可能淬透，因为钢的淬透性有限。因此在700℃以上不采用透烧加热而采用差温加热，即当要求淬硬部分的温度达到淬火温度时就可出炉淬火，此时心部温度还低于淬火温度，故称差温加热淬火。差温加热淬火具有以下优点：节省热能；减少工件心部储能，可以提高淬火时工件外层冷却速度，从而提高淬硬层厚度；降低冷却时工件内温差，可以减少淬火应力。
本发明的热模拟装置，如图1所示，包括温度场测量装置1、加热装置2、冷却装置(未示出)和试棒(参照图2A和2B)，加热装置2和冷却装置分别可拆卸地与温度场测量装置1连接。其中温度场测量装置1上设置有试棒容置腔3和第一开口4，试棒容置腔3由温度场测量装置1的轴线位置的空间形成。试棒容置腔3的第一端与第一开口4连通，试棒置于试棒容置腔3内且试棒的第一端由第一开口4露出。试棒在长度方向上设置有多个温度测量装置(未示出)。加热装置2能够在第一开口4处对试棒的第一端进行加热，冷却装置能够在第一开口4处对试棒的第一端进行冷却，其中加热装置2和冷却装置不是同时与温度场测量装置1连接，而是按照加热装置2、冷却装置的顺序依次与温度场测量装置1连接，并且在移除加热装置2之后才将冷却装置与温度场测量装置1连接，从而依次实现对试棒的第一端进行加热、进行冷却。试棒容置腔3的长度等于试棒的长度，试棒容置腔3的长度也可以微大于试棒的长度。
为了便于理解本发明，方位的描述以图1所示的布置为基础，其中试棒第一端及试棒容置腔3第一端为图1中显示的邻近图中左侧加热装置2的试棒的端部及试棒容置腔3的端部。而第二端是与第一端相反方向上的端部。
本发明一些实施例所公开的一种热模拟装置，在上述实施例的基础上，温度场测量装置1由通过铰链连接的两个半圆部分组成，两个半圆部分可打开和关闭，便于将设置有温度测量装置的试棒放入，两个半圆部分包含隔热材料，因此放入试棒容置腔3中的试棒周围为隔热材料。试棒第一端的端面在第一开口4处暴露在外，以便于加热和冷却。加热装置2和冷却装置上均设置有热模拟信号输入端，温度场测量装置1上设置有测量结果输出端。加热装置2敞口无盖，可以模拟工件加热工艺，加热装置2使用的加热介质为空气及各种保护气氛，加热介质可以沿不同方向以不同的速度流动。加热装置2的加热规程可以根据需要任意变动，其中包括加热介质的流动等。冷却装置可以模拟工件冷却工艺，冷却装置可以为喷头或喷嘴，可通过吹风或喷水进行冷却，其中风速以及水压、流量是可按要求调节的。加热时，将加热装置2对应于温度场测量装置1中的试棒第一端与温度场测量装置1相连接，加热装置2邻接试棒第一端在第一开口4处进行加热，这与实际工件加热时一样，热能通过试棒第一端端面进入试棒并沿着试棒的长度方向向试棒第二端传递。
热模拟装置的试棒设计可以有两种，如图2A和2B所示，圆柱形试棒和楔形试棒。圆柱形试棒和楔形试棒优选用与待模拟工件完全相同的材料制成。圆柱形试棒的优点是便于加工以及便于测定热物理参数，缺点是与实际加热情况不符，故用于测量热物理参数。楔形试棒的优点是跟待模拟工件的加热情况完全一样，缺点是较难加工，故用于模拟待模拟工件的加热。
在一实施例中，试棒的长度与待模拟工件的半径相同，采用加热装置2对试棒的第一端进行加热，采用冷却装置对试棒的第一端进行冷却。试棒为圆柱形试棒时，圆柱形试棒的第一端端面(即受热面)具有面积F，圆柱形试棒第二端(尾端)相当于待模拟工件的中心。试棒为楔形试棒时，楔形试棒的大端为试棒的第一端，楔形试棒的尾端为一直线。试棒容置腔3的长度等于试棒的长度。在其他实施例中，试棒容置腔3的长度微大于试棒的长度。试棒的第一端由温度场测量装置1的第一开口4露出。加热装置2和冷却装置分别邻接第一开口4可拆卸地与温度场测量装置1相连接。其中加热装置2和冷却装置不是同时与温度场测量装置1连接，而是按照加热装置2、冷却装置的顺序依次与温度场测量装置1连接，并且在移除加热装置2之后才将冷却装置与温度场测量装置1连接，从而依次实现对试棒的第一端进行加热、进行冷却。加热装置2和冷却装置上均设置有热模拟信号输入端，温度场测量装置1上设置有测量结果输出端。
在试棒上除在试棒第一端端面、第二端端面上各设置一个温度测量装置之外，沿试棒长度方向根据需要设置若干温度测量装置，温度测量装置优选位于同一平面上，并且温度测量装置优选以焊接的方式固定至试棒。温度测量装置可以为热电偶，优选为铠装热电偶。
对于圆柱形试棒，除在圆柱形试棒第一端端面、第二端端面上设置热电偶之外，在圆柱形试棒上沿长度方向在离第一端端面不同距离处向试棒中心钻小孔，插入热电偶，小孔孔径略大于热电偶，小孔深度为圆柱形试棒表面到圆柱形试棒轴线的垂直距离。为保证测温精度，热电偶偶丝越细越好并用聚能焊机将热电偶与小孔底部焊接在一起。对于楔形试棒，除在楔形试棒第一端(大端)、第二端(尾端)设置热电偶之外，在楔形试棒斜表面上沿长度方向在离第一端端面不同距离处设置热电偶，热电偶优选在一平面上。其中热电偶优选为铠装热电偶。
在一实施例中，试棒的长度与待模拟工件的直径相同。参考图1，温度场测量装置1上还设置有第二开口(未示出)，试棒容置腔3的第二端与第二开口连通，使试棒的第二端由第二开口露出，试棒的第一端由温度场测量装置1的第一开口4露出；两个加热装置2分别邻接第一开口4和第二开口可拆卸地与温度场测量装置1相连接，同样两个冷却装置分别邻接第一开口4和第二开口可拆卸地与温度场测量装置1相连接。两个加热装置2分别在第一开口4和第二开口处对试棒的第一端和第二端同时进行加热；两个冷却装置分别在第一开口4和第二开口处对试棒的第一端和第二端同时进行冷却。其中两个加热装置2同时与温度场测量装置1连接，两个冷却装置同时与温度场测量装置1连接，并且按照两个加热装置2同时与温度场测量装置1连接、两个冷却装置同时与温度场测量装置1连接的顺序依次将两个加热装置2与温度场测量装置1连接、两个冷却装置与温度场测量装置1连接，并且在移除两个加热装置2之后才将两个冷却装置与温度场测量装置1连接，从而依次实现对试棒的第一端和第二端同时进行加热、同时进行冷却。试棒容置腔3的长度等于试棒的长度。在其他实施例中，试棒容置腔3的长度微大于试棒的长度。加热装置2和冷却装置上均设置有热模拟信号输入端，温度场测量装置1上设置有测量结果输出端。当试棒为圆柱形试棒时，圆柱形试棒的长度等于待模拟工件的直径，圆柱形试棒两端均为受热面，即在圆柱形试棒第一端端面和第二端端面处均有加热装置2或冷却装置。试棒中心相当于待模拟工件的中心。当试棒为对接的两个楔形试棒时，两个楔形试棒形状相同并且长度都等于待模拟工件的半径，试棒的第一端和第二端均为楔形试棒的大端，在楔形试棒大端端面处均有加热装置2或冷却装置。
在试棒上除在试棒第一端端面、试棒中心各设置一个温度测量装置之外，沿试棒长度方向根据需要设置若干温度测量装置，温度测量装置优选位于同一平面上，并且温度测量装置优选以焊接的方式固定至试棒。温度测量装置可以为热电偶，优选为铠装热电偶。
对于圆柱形试棒，除在圆柱形试棒第一端端面、试棒中心设置热电偶之外，在圆柱形试棒上沿长度方向在离第一端端面不同距离处设置热电偶，设置方法与上述相同。对于楔形试棒，除在楔形试棒第一端(大端)、第二端(尾端)设置热电偶之外，在楔形试棒斜表面上沿长度方向在离第一端端面不同距离处设置热电偶，热电偶优选在一平面上。热电偶优选为铠装热电偶。
试棒的周向还匹配地套装有钢套，以防止热能从试棒侧面向周围隔热材料散发，从而保证试棒内只有轴向热流以及试棒侧面不散失热量，其中钢套和试棒的形状和大小契合，并且优选地钢套材料与试棒材料相同，钢套上设置有用于引出温度测量装置的缺口。圆柱形试棒采用管状钢套，管状钢套加在圆柱形试棒的外面，管状钢套长度与圆柱形试棒长度相同，管状钢套内径较圆柱形试棒外径大0.2-0.4mm，管状钢套侧面开一宽5-7mm的缺口，以便从圆柱形试棒引出热电偶。管状钢套端面与试棒端面均暴露在加热介质中并且从加热装置2接受热能。由于管状钢套与圆柱形试棒材料相同，所以管状钢套内表面与圆柱形试棒外表面的温度应该相同，彼此间没有热交换，因此圆柱形试棒内的热能只能沿径向传递。管状钢套外表面将向周围隔热材料散发热能，故管状钢套外表面温度将有所下降。在楔形试棒外面同样需要加一钢套，楔形试棒用钢套形状较复杂，难以加工，通过加大楔形试棒端面尺寸将楔形试棒与钢套合为一体来解决，在测试硬度时需用线切割切去一层，在一实施例中，将楔形试棒大端端面尺寸加大为70x70mm，在测试淬、回火后硬度时应将测试硬度的面用线切割切去一个15-20mm层以消除由于楔形试棒表面热量散失造成的影响。
一种工件内部温度场热模拟方法，采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却；包括：
采用本发明的热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用加热装置对试棒的第一端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及待模拟工件表面与中心的温差曲线；
采用冷却装置对试棒的第一端进行冷却，同时获取冷却过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，待模拟工件冷却时离待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
其中，试棒的长度与待模拟工件的半径相同。
采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却，包括：根据热处理手册中已有的经验数据及现有的加热设备条件制定加热工艺曲线和冷却工艺曲线；根据制定的加热工艺曲线和冷却工艺曲线进行加热或冷却。
本发明方法还包括通过加热装置2对试棒进行加热，当试棒的温度达到要求后停止加热，并通过冷却装置对试棒进行冷却，以及对冷却后的试棒进行硬度测试。
通过加热装置2对试棒进行加热包括：在试棒第一端端面、第二端端面、以及在试棒上沿试棒长度方向设置若干温度测量装置，在试棒的周向匹配地套装钢套，将试棒装入温度场测量装置1；将加热工艺曲线输入加热装置2并开启加热装置2，然后将加热装置2与温度场测量装置1相连接，对试棒进行加热。
当试棒的温度达到要求后停止加热包括：对试棒的要求淬硬部分进行温度监测，试棒的要求淬硬的部分可以为与温度测量装置焊接的部分，当试棒的要求淬硬部分的温度超过淬火加热温度后关闭加热装置2。在加热过程中用设置在试棒上的温度测量装置测出温度并用温度记录仪记录，从而可以获得离试棒第一端端面(即工件表面)不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，亦即工件加热时离工件表面不同距离处的加热曲线(t-τ曲线)以及工件表面与检测位置的温差曲线(Δt-τ曲线)，如图3所示。实测所得曲线包括相变潜热的影响。根据t-τ曲线可以得出不同加热时间的由第一端端面至第二端端面的温度曲线，即t-d曲线，如图4所示。
通过冷却装置对试棒进行冷却包括：从温度场测量装置1移走加热装置2，将冷却装置与温度场测量装置1相连接，将冷却工艺曲线输入冷却装置并启动冷却装置，冷却装置可以为喷头或喷嘴，利用吹风或喷水，对试棒进行冷却，测量并记录冷却曲线。冷却时冷却装置可以按照要求对风速以及水压、流量进行调节。
对冷却后的试棒进行硬度测试包括：将试棒从温度场测量装置1取出，沿着试棒的长度方向测量硬度。在测淬、回火后硬度时：对于圆柱形试棒，沿着圆柱形试棒的长度方向，在圆柱形试棒的圆柱面磨出两个互相平行的平面，便于圆柱形试棒的放置和硬度测试，沿着圆柱形试棒的长度方向测试从第一端端面到第二端端面的硬度，来判断加热的均匀性；对于楔形试棒，沿着楔形试棒的长度方向，平行于斜表面用线切割切去15-20mm层，在楔形试棒的长度方向上沿着切去15-20mm层后的斜表面测试硬度。
一种工件内部温度场热模拟方法，采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却；包括：
采用本发明的热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用两个加热装置同时同速率地对试棒的第一端和第二端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
采用两个冷却装置同时同速率地对试棒的第一端和第二端进行冷却，同时获取冷却过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，待模拟工件冷却时离待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
其中，试棒的长度与待模拟工件的直径相同。
采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却，包括：根据热处理手册中已有的经验数据及现有的加热设备条件制定加热工艺曲线和冷却工艺曲线；根据制定的加热工艺曲线和冷却工艺曲线进行加热或冷却。
本发明方法还包括通过加热装置2对试棒进行加热，当试棒的温度达到要求后停止加热，通过冷却装置对试棒进行冷却，以及对冷却后的试棒进行硬度测试。具体过程与上述试棒的长度与待模拟工件的半径相同的工件内部温度场热模拟方法相似，因此不再重复描述。
本发明的热模拟装置测定热物理参数，在下面进行描述，其中使用的圆柱形试棒的长度等于待模拟工件的半径。
测定换热系数α：工件加热时，热能通过工件表面的热交换从温度高的介质进入工件。单位时间内通过工件受热表面进入工件的热量Q’(单位kcal/h)与换热面积F、介质温度tj与工件表面温度tw之差(tj-tw)成正比，即：
Q’＝αF(tj-tw)
式中比例系数α为换热系数，单位为kcal/m2·h·℃，α是热物理中的一个极为重要的参数，不仅与加热介质有关，还与介质温度tj(单位℃)、介质流动速度、工件表面温度tw(单位℃)等有关。通过测得Q’、F、tj、tw，即可从上式计算出换热系数α。
将设置有温度测量装置并且周向还匹配地套装有管状钢套的圆柱形试棒装入温度场测量装置1，将加热工艺曲线输入到加热装置2并使加热装置2升温到tj，然后将加热装置2对应于圆柱形试棒第一端端面与装有圆柱形试棒的温度场测量装置1相连接，对圆柱形试棒进行加热，测出离圆柱形试棒第一端端面不同距离的t-τ曲线(图3)。也可以在介质温度tj不断升高的条件下测量，测出离圆柱形试棒第一端端面不同距离的t-τ曲线。
其中圆柱形试棒第一端端面的面积为换热面积F，加热装置2的加热温度tj即为介质温度tj。tw在测量换热系数α时最好能保持恒定，但用本发明的热模拟装置测定时tw不可能保持恒定，加热开始后tw将自室温不断升高直至tj，因此只能测出某一个温度范围内的换热系数α的平均值。测定的方法是将圆柱形试棒端面温度从0℃到tj划分为n个分段，分别为0℃、t1、t2......tn。根据测得的t-τ曲线作出不同端面温度的t-d曲线(如图4)。从中任取二条相邻的t-d曲线，如t5、t6(即τ5、τ6曲线)，取t5、t6的平均值即为所需的tw。t5、t6两条t-d曲线之间的面积即为圆柱形试棒端面从t5升高到t6，时间从τ5到τ6所取得的热量Q’。在计算Q’时所需的比热容及比重可以借用手册现有数据。
采用本发明方法可以得出圆柱形试棒端面温度从室温到介质温度tj的所有换热系数，亦即换热系数α与圆柱形试棒端面温度tw之间的关系曲线。
在测定过程中，当圆柱形试棒第二端(尾端)温度开始升高后将有热量从圆柱形试棒第二端逸散到周围隔热材料中，这将影响测量结果。可以通过将试棒加长一倍并在第二端增加一个同样的加热装置来解决该问题。在该实施例中，使用的圆柱形试棒的长度等于待模拟工件的直径，通过热模拟装置测定换热系数α，在此情况下，将设置有温度测量装置并且周向还匹配地套装有管状钢套的圆柱形试棒装入温度场测量装置1，将加热工艺曲线输入到两个加热装置2并使加热装置2升温到tj，然后将两个加热装置2同时分别对应于圆柱形试棒的第一端和第二端与装有圆柱形试棒的温度场测量装置1相连接，对圆柱形试棒进行加热，测出离圆柱形试棒第一端端面不同距离的t-τ曲线。也可以在介质温度tj不断升高的条件下测量离圆柱形试棒第一端端面不同距离的t-τ曲线。其余过程同上，不再重复介绍。
测定导热系数λ：在温度梯度dt/dx作用下热能将从高温向低温方向传递。单位时间h内通过单位面积m2传递的热流量q将正比于温度梯度dt/dx，q的单位为kcal/m2·h。即：
q＝-λ(dt/dx)
式中比例系数λ为导热系数，单位为kcal/m·h·℃，λ也可从使用的圆柱形试棒的长度等于待模拟工件的半径测试所得到的图3-4计算得出。在图4横坐标上任取一个d1，在d1处作一垂线，与τ5、τ6曲线相交于t5-d、t6-d，二者之差为Δt。计算出t5-d、t6-d的平均值为t(5-6)d。图4中影线部分为在Δt时间内在d1处通过试棒截面由左向右传递的热流量q。由图3作出通过t(5-6)d的t-d曲线，从该曲线可以得出t(5-6)d处的dt/dx。通过上式即可得出在t(5-6)d温度下的导热系数λ。用同样方法即可得出任何温度下的λ。
与测定换热系数α一样，在使用的圆柱形试棒的长度等于待模拟工件的半径进行测试时，在测定导热系数λ过程中当圆柱形试棒第二端(尾端)温度开始升高后将有热量从圆柱形试棒第二端逸散到周围隔热材料中，这将影响测量结果。同样可以通过将试棒加长一倍并在第二端增加一个同样的加热装置来解决该问题，测试过程和方法，可参考使用长度等于待模拟工件的直径的圆柱形试棒通过热模拟装置测定换热系数α的过程和方法，通过测出的离圆柱形试棒第一端端面不同距离的t-τ曲线以及不同端面温度的t-d曲线来计算任何温度下的λ。
计算导温系数a：导温系数a＝λ/(c·ρ)，导温系数a也被称为热扩散率或热扩散系数，单位m2/h，其中λ为上述导热系数，c为热容，单位kcal/kg·℃，ρ为密度，单位kg/m3，从手册中查出c及ρ，通过测得的λ即可计算出导温系数a。
本发明的热模拟装置采用工件内部温度场热模拟方法来制定Φ1200高速钢轧辊的热处理工艺的具体实施例描述如下。
首先，采用尺寸为Φ50x600mm的高速钢圆柱形试棒用于测热物理参数，采用尺寸为端面70x70mm、长600mm的楔形试棒用于制定Φ1200mm高速钢轧辊的热处理工艺。
在高速钢圆柱形试棒的第一端端面、第二端端面焊接铠装热电偶并在高速钢圆柱形试棒上沿长度方向在离第一端端面不同距离处向中心钻小孔，将铠装热电偶与小孔底部焊接在一起，在高速钢圆柱形试棒周向匹配地套装有长度600mm的管状钢套，管状钢套内径较高速钢圆柱形试棒外径大0.2mm，管状钢套侧面开一宽5mm的缺口；打开温度场测量装置1的两个半圆部分，将套装管状钢套的高速钢圆柱形试棒装入温度场测量装置1，并通过铰链将温度场测量装置1的两个半圆部分连接；将加热工艺曲线输入加热装置2并开启加热装置2，将加热装置2对应于高速钢圆柱形试棒第一端端面与温度场测量装置1相连接，对高速钢圆柱形试棒进行加热；当高速钢圆柱形试棒的要求淬硬部分的温度超过淬火加热温度后关闭加热装置2；从温度场测量装置1移走加热装置2，将冷却装置对应于高速钢圆柱形试棒第一端端面与温度场测量装置1连接，将冷却工艺曲线输入冷却装置并启动冷却装置，冷却装置采用喷头，通过吹风对高速钢圆柱形试棒进行冷却；将冷却后的高速钢圆柱形试棒从温度场测量装置1取出。
测得的离高速钢圆柱形试棒第一端端面不同距离处的t-τ曲线如图5所示。图5中曲线0是按常规制定的冷炉装料、随炉升温的加热曲线，加热速度随温度升高而加大并在200℃、500℃、700℃停留一段时间以减少内外温差。由于加热速度很慢，加热装置炉膛很小，按受热面积计算的装炉功率很大，因此炉膛的实际温度基本上与设定温度同步，故在图5中温度设定曲线即炉温曲线。根据图5绘制的t-d曲线如图6所示。
根据图6计算换热系数α和导热系数λ。
换热系数α：选τ等于80h和90h的两条t-d曲线，两曲线之间的面积相当于10小时内通过高速钢圆柱形试棒端面获得的热量。单位时间内传入试棒的热量Q’kcal/h为高速钢圆柱形试棒温升、试棒重量及比热容三者的乘积除以10。由图6可见，高速钢圆柱形试棒温升由表及里逐渐下降，为计算方便，取其平均值为127℃，高速钢圆柱形试棒重量为9.66kg，比热容随温度而变，根据手册数据取平均比热容为0.1912kcal/kg·℃。计算得出Q’值为23.5kcal/h。
高速钢圆柱形试棒第一端端面换热面积F为1.96x10-3m2；由图6可以得出在10h内高速钢圆柱形试棒第一端端面温度从610℃升至960℃，取其平均值785℃为tw，从图5可以得出相应的介质温度(即炉膛温度)为700℃及1100℃，取其平均值900℃为tj。
通过Q’、F、tj及tw可以计算出换热系数α为104kcal/m2·h·℃。同样算出图6中其它三个时间区间内的平均换热系数，结果如表1。
表1部分时间区间内的平均换热系数
| 时间区间(τ/h) | 30-50 | 50-70 | 70-80 | 80-90 |
| 换热系数α/[kcal/m<sup>2</sup>·h·℃] | 14.3 | 31.6 | 89.8 | 104 |
导热系数λ：在图6中沿横坐标300mm处作一垂线，与τ等于80h及90h的两条t-d曲线相交于a、b二点，a、b的温度分别为412℃及502℃，在此温度范围内的平均导热系数λ可通过以下计算得出。
在10h内通过300mm处的截面(即端面)自左向右传递的热量Q kcal使试棒后半段的t-d曲线从τ等于80h上升到90h。
已知高速钢圆柱形试棒截面面积F(等于换热面积F)为1.96x10-3m2，后半段试棒的重量为4.83kg，从手册查得在所处温度范围内的比热容为0.1697kcal/kg·℃，10h内平均温升为67.6℃，则可计算得出单位时间/h内通过单位面积/m2传递的热流量q kcal/m2·h为2827kcal/m2·h。从图6还可得出300mm处的温度梯度dt/dx为180℃/m。因此计算得出导热系数λ为15.7kcal/m·h·℃。
导温系数a：从手册中查出c及ρ，c为0.1697kcal/kg·℃，ρ为8.4×103kg/m3，通过测得的λ即可计算出导温系数a为0.011m2/h。
在高速钢圆柱形试棒的圆柱面磨出两个互相平行的平面，沿着高速钢圆柱形试棒的长度方向测出从第一端到第二端的硬度，通过结果判断加热较为均匀。
采用尺寸为端面70x70mm、长600mm的楔形试棒用于制定Φ1200mm高速钢轧辊的热处理工艺。
在楔形试棒的第一端(大端)端面、第二端(尾端)端面焊接铠装热电偶并在楔形试棒的斜表面上沿着斜表面中间位置在离第一端端面不同距离处焊接铠装热电偶；打开温度场测量装置1的两个半圆部分，将焊接有铠装热电偶的楔形试棒装入温度场测量装置1，并通过铰链将温度场测量装置1的两个半圆部分连接；将加热工艺曲线输入加热装置2并开启加热装置2，将加热装置2对应于楔形试棒第一端端面与温度场测量装置1相连接，对楔形试棒进行加热，加热工艺曲线与高速钢圆柱形试棒的加热工艺曲线相同，此加热过程也与高速钢圆柱形试棒的加热过程相同；当楔形试棒的要求淬硬部分的温度超过淬火加热温度后关闭加热装置2；从温度场测量装置1移走加热装置2，将冷却装置对应于楔形试棒的第一端端面与温度场测量装置1连接，将冷却工艺曲线输入冷却装置并启动冷却装置，冷却装置采用喷头，通过吹风对楔形试棒进行冷却，冷却工艺曲线与高速钢圆柱形试棒的冷却工艺曲线相同，此冷却过程与高速钢圆柱形试棒的冷却过程相同；将楔形试棒从温度场测量装置1取出。
沿着楔形试棒的斜表面切去一个厚15mm层，在楔形试棒的长度方向上沿着切去15mm层后的斜表面测试硬度，通过判断是否达到淬火要求并结合利用高速钢圆柱形试棒计算的换热系数α、导热系数λ和导温系数a来修正加热工艺曲线，并将修正的加热工艺曲线用于生产。用楔形试棒测得的为生产用数据，可用于修改加热工艺，经过淬、回火的楔形试棒可以给出被模拟的大轧辊在加热过程中的温度场及从表面到中心的硬度。因系工厂生产数据，故不在此公开。
尽管实测的仅仅是大型圆柱形工件中间部分的温度场，但利用测出的温度场曲线不难计算出大型圆柱形工件端部的温度场，以及大型圆柱形工件内的应力场。
本发明的热模拟装置及工件内部温度场热模拟方法，利用专门设计的圆柱形试棒和楔形试棒在热模拟装置中模拟大型圆柱形工件在实际加热与冷却过程中工件内部温度场的变化。试棒由与大型圆柱形工件相同的材料制成，因此实测所得的温度场完全由大型圆柱形工件材料本身的热物理参数决定，且包含了加热与冷却过程中发生的相变所给出的潜热对温度场的影响。根据实测的温度场可以通过数值计算得出在加热与冷却过程中大型圆柱形工件内部的应力场的变化，因此可以精确制定出大型圆柱形工件的热处理加热、冷却工艺。此外还可以根据测得的温度场计算出热物理参数换热系数、导热系数及导温系数。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热模拟装置，其特征在于，包括温度场测量装置、加热装置、冷却装置和试棒，
其中，所述温度场测量装置上设置有试棒容置腔和第一开口，所述试棒容置腔的第一端与所述第一开口连通，所述试棒置于所述试棒容置腔内且所述试棒的第一端由所述第一开口露出；
所述加热装置在所述第一开口处对所述试棒的第一端进行加热；
所述冷却装置在所述第一开口处对所述试棒的第一端进行冷却；
并且，所述试棒在长度方向上设置有多个温度测量装置。
2.根据权利要求1所述的热模拟装置，其特征在于，所述试棒的长度与待模拟工件的半径相同；采用所述加热装置对所述试棒的第一端进行加热，采用所述冷却装置对所述试棒的第一端进行冷却。
3.根据权利要求2所述的热模拟装置，其特征在于，所述试棒为圆柱形试棒或楔形试棒，其中，所述楔形试棒的大端为所述试棒的第一端。
4.根据权利要求1所述的热模拟装置，其特征在于，所述试棒的周向还匹配地套装有钢套。
5.根据权利要求4所述的热模拟装置，其特征在于，所述钢套上设置有用于引出所述温度测量装置的缺口。
6.根据权利要求1所述的热模拟装置，其特征在于，所述温度测量装置为铠装热电偶。
7.根据权利要求1所述的热模拟装置，其特征在于，所述试棒的长度与待模拟工件的直径相同，所述温度场测量装置上还设置有第二开口，
所述试棒容置腔的第二端与所述第二开口连通，使所述试棒的第二端由所述第二开口露出；
所述加热装置的数量为两个且一一对应于所述第一开口和所述第二开口处，以对所述试棒的第一端和第二端同时进行加热，
所述冷却装置的数量为两个且一一对应于所述第一开口和所述第二开口处，以对所述试棒的第一端和第二端同时进行冷却。
8.根据权利要求7所述的热模拟装置，其特征在于，所述试棒为圆柱形试棒或对接的两个楔形试棒，其中两个所述楔形试棒形状相同并且长度都等于所述待模拟工件的半径。
9.一种工件内部温度场热模拟方法，其特征在于，采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却；包括：
采用权利要求1-6中任一项所述的热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用所述加热装置对所述试棒的第一端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离所述试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离所述待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及所述待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
采用所述冷却装置对所述试棒的第一端进行冷却，同时获取冷却过程中多个所述温度测量装置的测量结果，获得离所述试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，所述待模拟工件冷却时离所述待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及所述待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
其中，所述试棒的长度与所述待模拟工件的半径相同；
或者，
采用权利要求7-8中任一项所述的热模拟装置进行工件内部温度场热模拟，
采用两个所述加热装置同时同速率地对所述试棒的第一端和第二端进行加热，同时获取加热过程中多个温度测量装置的测量结果，获得离所述试棒第一端端面不同距离处的加热曲线以及表面与中心的温差曲线，表征加热过程中，待模拟工件加热时离所述待模拟工件表面不同距离处的加热曲线以及所述待模拟工件的表面与中心的温差曲线；
采用两个所述冷却装置同时同速率地对所述试棒的第一端和第二端进行冷却，同时获取冷却过程中多个所述温度测量装置的测量结果，获得离所述试棒第一端端面不同距离处的冷却曲线以及表面与中心的温差曲线，表征冷却过程中，所述待模拟工件冷却时离所述待模拟工件表面不同距离处的冷却曲线以及所述待模拟工件的表面与中心的温差曲线；其中，所述试棒的长度与所述待模拟工件的直径相同。
10.根据权利要求9所述的工件内部温度场热模拟方法，其特征在于，所述采用加热装置对热模拟装置内的试棒端部进行加热，采用冷却装置对热模拟装置内的试棒端部进行冷却，包括：根据热处理手册中已有的经验数据及现有的加热设备条件制定加热工艺曲线和冷却工艺曲线；根据制定的所述加热工艺曲线和所述冷却工艺曲线进行加热或冷却。
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