CN114438286A - 热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热处理技术领域，公开了一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，包括提供一种材料的热处理试板；对所述材料的热处理试板进行热处理试验；获得所述材料热处理试板的热处理参数；根据试验获得的热处理参数对不同材料热处理试板的快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的热处理参数进行计算，通过计算结果模拟不同材料过程设备的热处理参数。本发明提出根据一种材料的热处理试板，试验后得到的热处理参数，对不同材料热处理试板的热处理工艺进行模拟，使一种材料的热处理试板可以代替多种不同材料的热处理试板，大大节约热处理试板制作的经济成本和时间成本。

Description

热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，具体涉及一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法。

背景技术

热处理是提高材料力学性能、物理和化学性能，节约材料，充分发挥材料潜力，延长设备服役寿命的有力措施。随着设备的大型化，其厚度也越来越大，焊接加工后更容易产生残余应力及淬硬倾向；过程设备操作介质的复杂性也对焊接接头提出了更高的要求。对过程设备进行热处理，改善力学性能，消除可能产生的焊接缺陷便尤为重要。焊后消除应力热处理工艺是将焊件均匀加热到金属的相变点以下足够高的温度，并保持一定时间，然后均匀冷却的过程。

大型过程设备受热处理能力及运输能力限制，无法在厂内完成全部制造工作，只能分段制造并热处理，最终在现场拼焊完成。现场安装完成后，需要对现场焊接的环焊缝进行局部热处理，现场焊缝热处理只能采用局部热处理工艺。

局部热处理过程主要分为5个阶段，①300℃以下的快速升温阶段，此时可1小时完成升温；②300℃以上到热处理温度的慢速升温阶段，其升温速率与板厚有关，板厚越厚，升温速率越慢；③保温阶段，根据热处理工艺维持热处理温度一定时间，此时仍需对热处理部位加热以确保热处理温度；④慢速冷却阶段，炉内整体热处理一般采用随炉冷却，局部热处理可在保温状态下控制速度冷却；⑤常温冷却阶段。

在相关技术中，通过热处理试板来模拟过程设备进行热处理试验，得到热处理试验的参数曲线，从而指导过程设备处理可有效避免热处理失败，为焊缝内部温度提供了测试手段。热处理试板主要针对前3个阶段进行试验。不同材料的设备有着不同的热处理工艺，相应地也应配备不同的热处理试板。为测量热处理参数，热处理试板制作工艺复杂，不但包括原料成本，还包括加工、制作、打孔成本，针对每个设备加工热处理试板将会带来巨大的经济成本和时间成本。不同材料的价格相差很大，有些材料每吨价格高达几万元，其热处理试板成本更高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，用于确定不同材料试板的热处理加热功率以及厚度方向温差。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，包括：

提供一种材料的热处理试板，所述热处理试板至少一侧层叠设置有加热元件和保温元件，所述加热元件位于所述热处理试板和所述保温元件之间，所述热处理试板的中心具有焊缝，所述加热元件和所述保温元件的中心线均与所述焊缝的中心线重合；

对所述材料的热处理试板进行热处理试验；获得所述材料热处理试板的热处理参数；

根据试验获得的热处理参数对不同材料热处理试板的快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的热处理参数进行计算，通过计算结果模拟不同材料过程设备的热处理参数。

优选的，在所述热处理试板的焊缝中间、焊缝熔合线和均温带边缘的上表面、中间和下表面打孔作为测温点并放置测温元件，在进行热处理试验时，进行温度检测。

优选的，根据所得到的热处理参数对不同材料的热处理试板热处理参数进行模拟的步骤包括：

根据试验得到的所述材料热处理试板的对流传热系数；

根据得到的对流传热系数和材料的物理性能参数对其他材料热处理试板的加热功率和壁厚方向的温差进行模拟，所述温差，当热处理试板进行双面加热时，是指试板表面和试板中间部分的温差；当热处理试板进行单面加热时，是指试板上表面和下表面之间的温差。

优选的，所述热处理参数包括所述预设热处理试板在快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的加热功率。

优选的，单面加热时，对不同材料的热处理试板加热功率的模拟方法包括：

1)快速升温阶段

室温～300℃范围内在1小时完成加热，即t＝3600s，温差ΔT＝300℃-室温；加热功率为：

其中，P为功率，W；ρ为试板密度，kg/m³；c为试板材料比热，J/kg℃；A为加热面积，m²；δ为试板厚度，m；α为对流传热系数，W/m²℃；T为试板温度，℃；T_W为环境温度，℃；

2)慢速升温阶段

300℃～最终热处理温度的加热功率为：

3)保温阶段

保温阶段的加热功率是为了平衡试板向周围的散热，即试板与空气对流换热P₁，此阶段P与P₁相等，因此：

P＝2αA(T-T_W)

其中P₁为散热功率。

优选的，双面加热时，快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段上下表面的加热功率分别为单面加热时的一半。

优选的，所述热处理参数还包括所述预设热处理试板在快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的厚度方向温差。

优选的，单面加热时，对不同材料热处理试板厚度方向温差的模拟方法包括：

1)快速升温阶段

其中T_δ为壁厚方向的温差，℃；A为传热面积，m²；λ为热传导系数，W/m℃；δ为壁厚，m；

2)慢速升温阶段

3)保温阶段

优选的，双面加热时，快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的温差分别为单面加热时的四分之一。

优选的，根据各阶段加热功率计算得到各热处理阶段的热流密度：

根据热流密度和对应过程设备的加热面积能够模拟过程设备的热处理加热功率。

需要了解的是，本发明所述方法给出的温度是每一阶段的加热终了温度，而非过程中间温度。

与现有技术相比，本发明提出根据一种材料的热处理试板，试验后得到的热处理参数，对不同材料热处理试板的热处理工艺进行模拟，使一种材料的热处理试板可以代替多种不同材料的热处理试板，大大节约热处理试板制作的经济成本和时间成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为热处理试板结构示意图；

图2为图1俯视图；

图3为15CrMoR试板热处理温度时间曲线；

图4为以15CrMoR试板热处理试验模拟Q345R材料试板加热功率并与试验对比的曲线；

图5为以15CrMoR试板热处理试验模拟Q345R材料试板壁厚方向温差并与试验对比的曲线；

图6为以Q345R试板热处理试验模拟15CrMoR材料试板加热功率并与试验对比的曲线；

图7为以Q345R试板热处理试验模拟15CrMoR材料试板壁厚方向温差并与试验对比的曲线。

附图标记：h_k—焊缝最大宽度；HB—加热带宽度；GCB—隔热带宽度；SB—均温带宽度；δ₀-保温层厚度；δ-试板厚度；L-试板长度；W-试板宽度，1-测温点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，包括以下步骤：

一)热处理试板准备

以壁厚120mm的15CrMoR热处理试板双面热处理为例，焊缝处的两侧依次敷设有加热片和保温层，加热片和保温层的宽度和热处理试板的宽度相同，均为500mm。加热片的长度为300mm、保温层的长度为800mm，试板的长度为2000mm。在热处理试板焊缝中间、焊缝熔合线和均温带边缘的上表面、中间和下表面等关键点处打孔作为测温点并放置测温元件热电偶，在进行热处理试验时，对关键点进行温度检测，具体参见图1，在图1中的9个位置设置热电偶测温点1，此外，h_k为试板上焊缝最大宽度，HB为加热带宽度，GCB为隔热带宽度；SB为均温带宽度；δ₀为保温层厚度；δ为试板厚度为；L为试板长度为；W为试板宽度(图2)。

二)根据热处理工艺进行热处理试验

15CrMoR属于Fe-4-1类材料，其热处理温度为670℃±20℃。采用不同的升温速率进行加热，在20-300℃阶段，可以1h完成升温，而300-670℃范围内，需采用5500/δ的升温速率进行升温，其中δ为容器厚度，取为120mm，计算得到此段升温速率为45℃/h，但GB/T30583-2014中又规定升温速率不能低于55℃/h，如果不产生有害作用时，可以降低加热与冷却速度，结合以上两条规范要求，取该段升温速率为45℃/h，此段需8.2h。根据GB/T30583-2014，其保温时间为δ_PWHT/25＝120/25＝4.8h，其中δ_PWTH为焊后热处理厚度。最终确定的局部热处理工艺见表1，总共热处理时间为14.0h(不包括降温时间)。

表1热处理试板局部热处理工艺

通过热处理试验获得各阶段加热功率及各个关键点的温度随时间的变化曲线。

根据热处理工艺进行热处理试验，通过测得的温度调整热处理加热功率，最终获得合适的加热功率；对试验过程的热处理温度进行记录，获得热处理试板的温度变化曲线，如图3所示。根据热处理试板的加热功率和温度曲线制定过程设备热处理工艺，根据该热处理工艺对过程设备进行热处理。

三)根据加热功率计算不同阶段对流传热系数

试板升温所需热量：

Q＝ρ·c·A·δ·ΔT (1)

其中Q为热量，J；ρ为试板密度，kg/m³；c为试板材料比热，J/kg℃；A为加热面积，m²；δ为试板厚度，m；ΔT为温差，即加热温度与初始温度之差。

试板与空气对流换热：

P₁＝2αA(T-T_W) (2)

其中P₁为对流传热速率，W；α为对流传热系数，W/m²℃；T为试板温度，℃；

T_W为环境温度，℃。

试板与空气对流换热功率可表示为公式(2)，由于加热器对试板加热过程中试板同时向自身加热区域以外部分传热、向保温层传热、保温层与空气对流换热，为方便计算，将这些能量损失全部归入对流换热中。

1)快速升温阶段

室温～300℃范围内可在1小时完成加热，即t＝3600s，ΔT＝280℃(假设室温为20℃)。

加热功率为：

得到：

2)慢速升温阶段

300℃～最终热处理温度范围内采用慢速加热，根据GB/T30583-2014，加热速率为：

其中dT为升温速率，℃/s；δ为试板厚度，m；

温差ΔT＝T-300；T为加热温度。

得到加热时间为：

因此300℃～最终热处理温度的加热功率为：

得到：

3)保温阶段

保温阶段的加热功率是为了平衡试板向周围的散热，即P₁，也即此阶段P与P₁相等，因此：

P＝2αA(T-T_W) (9)

得到：

α＝P/2A(T-T_W) (10)

四)对其他材料热处理试板的模拟

不同材料设备热处理试板热处理过程所需时间可通过第二步所介绍的方法进行计算，但不同材料试板的加热功率以及厚度方向温差需要根据不同的试板进行试验方可确定。采用以下方法确定不同材料试板的热处理加热功率以及厚度方向温差，可以使一种材料试板可代替多种材料试板。

Ⅰ)加热功率模拟

试板升温所需热量:

Q＝ρ·c·A·δ·ΔT (1)

其中Q为热量，J；ρ为试板密度，kg/m³；c为试板材料比热，J/kg℃；A为加热面积，m²；δ为试板厚度，m；ΔT为温差，即加热温度与初始温度之差。

试板与空气对流换热:

P₁＝2αA(T-T_W) (2)

其中P₁为对流传热速率，W；α为对流传热系数，W/m²℃；T为试板温度，℃；T_W为环境温度，℃。

试板与空气对流换热功率可表示为公式(2)，由于加热器对试板加热过程中试板同时向自身加热区域以外部分传热、向保温层传热、保温层与空气对流换热，为方便计算，将这些能量损失全部归入对流换热中。

1)快速升温阶段

室温～300℃范围内可在1小时完成加热，即t＝3600s，ΔT＝280℃(假设室温为20℃)。

加热功率为：

由于热处理试板的密度、比热、加热面积和壁厚等参数可通过材料手册和已知条件得到，但对流传热系数取决于很多因素，无法预知，通过将该公式计算所得功率与试验所需功率等效可得到对流传热系数，在温差基本相等时，不同材料板的对流传热系数基本相同，因此通过得到的传热系数以及公式(3)可模拟其他材料的加热功率。快速升温阶段加热终温相同，因此不同材料试板散热(P₁)部分基本相同，且不同材料板材的面积A相同，当厚度相同时，加热功率的差别主要取决于试板密度ρ和比热c，密度与比热的乘积越大加热功率越大。

2)慢速升温阶段

300℃～最终热处理温度范围内采用慢速加热，根据GB/T30583-2014，加热速率为：

其中dT为升温速率，℃/s；δ为试板厚度，m；

温差ΔT＝T-300；T为加热温度。

得到加热时间为：

因此300℃～最终热处理温度的加热功率为：

慢速升温阶段加热功率仍与试板密度和比热有关，密度与比热的乘积越大加热功率越大，此外还与加热的最终温度有关，加热终温越高，加热功率越大，将公式(7)与试验所需功率建立等式计算得到慢速升温阶段的对流传热系数，之后可利用公式(7)模拟其他材料试板的加热功率。

(3)保温阶段

保温阶段的加热功率是为了平衡试板向周围的散热，即P₁，也即此阶段P与P₁相等，因此：

P＝2αA(T-T_W) (9)

该项与试板材料无关，可见保温阶段加热功率与试板材料无关，但不同材料热处理试板加热终温有所不同，加热终温越高，加热功率越大，通过将公式(9)与试验所需功率建立等式计算得到保温阶段的对流传热系数，之后可利用公式(9)模拟其他材料试板的加热功率。

Ⅱ)温差的确定

壁厚方向的温差按照热传导公式可得：

其中T_δ为壁厚方向的温差，℃；P为功率，W；A为传热面积，m2；λ为热传导系数，W/m℃；δ为壁厚，m。如为双面加热，P应取总加热功率的一半，A应取总传热面积的2倍，则公式(11)应为：

(1)快速升温阶段

可见当厚度相同时，试板壁厚方向温差随试板密度和比热乘积的增大而增大，与试板热传导系数λ成反比。

(2)慢速升温阶段

可见试板厚度相同时慢速升温阶段壁厚方向温差与试板热传导系数λ成反比；且该温差与试板密度与比热乘积有关，密度和比热乘积越大，温差越大；此外温差还与加热终温T有关，加热终温越高，加热功率越大。

(3)保温阶段

保温阶段的壁厚方向温差与试板热传导系数λ成反比，与试板密度和比热无关，但与加热终温有关，加热终温越大，壁厚方向温差越大。

双面加热时试板厚度减半，功率减半，各阶段温差为单面加热时的四分之一。

五)对过程设备热处理参数模拟

本实施例中，采用以下公式计算得到各热处理阶段的热流密度：

式中t为传热时间。

根据热流密度和对应过程设备的加热面积可模拟过程设备的热处理加热功率。

需要注意的是本发明给出的温度是每一阶段的加热终了温度，而非过程中间温度。

具体实施实例1：

采用15CrMoR材料热处理试板进行试验，计算对流传热系数，并对其他材料试板进行模拟。

根据GB/T30583-2014计算得到不同材料的热处理温度及各阶段热处理时间，例如壁厚为120mm的Q345R材料和15CrMoR材料热处理试板的热处理工艺见表2，两种材料的物理性能参数见表3。

表2不同材料矩形热处理试板局部热处理工艺对比

表3不同材料热处理试板物理性能对比

通过本发明所给出的公式，仅采用一种材料试板进行试验时可通过以上公式进行加热功率的等效计算以及进行壁厚方向温差的模拟。通过一种试板的试验数据结合公式计算出对流传热系数，再根据计算的对流传热系数及材料物理性能参数可以模拟另一种材料试板的加热功率及温差。具体计算结果见表4。

表4采用15CrMoR对不同材料热处理试板加热功率及温差模拟过程

具体实施实例2：

采用Q345R材料热处理试板进行试验，计算对流传热系数，并对其他材料试板进行模拟。

表5采用Q345R对不同材料热处理试板加热功率及温差模拟过程

采用120mm厚15CrMoR试板进行试验从而对其他材料热处理试板进行加热功率模拟和温差模拟与试验结果对比见图4和图5；采用120mm厚Q345R试板进行试验从而对其他材料热处理试板进行加热功率模拟和温差模拟与试验结果对比见图6和图7。

从公式可以看出，不同阶段的加热功率都与试板密度ρ和比热c有关，二者的乘积越大，加热功率越大，由表3可以看出，15CrMoR的比热略大于Q345R的比热，而二者密度相同，因此15CrMoR的加热功率略大于Q345R。而不同材料的试板壁厚温差主要取决于功率和热导率，而Q345R材料和15CrMoR材料的热导率相差较小，温差主要取决于加热功率，15CrMoR的加热功率略高于Q345R，所以前者的温差略大于后者。试验结果证实了公式所体现的规律，而且从图4-图7可以看出模拟结果与试验结果非常接近，说明通过本发明所给出的公式，仅采用一种材料试板进行试验时可以对其他材料试板的加热功率以及壁厚方向温差进行较为准确的模拟，节约了试板制作的经济成本和时间成本。

以长度2m、宽度500mm、厚度120mm的Q345R热处理试板为例，其重量为942kg，接近1吨，按照目前Q345R材料价格6000-8000元/吨，每块试板原料成本达到七八千元，再加上加工、制作、打孔费用，热处理试板的成本至少为材料成本的2倍以上，为准确测量温度，所用测温元件最好不可拆卸，再加上测温元件不菲的价格，针对每个设备加工热处理试板将会带来巨大的经济成本和时间成本。不同材料的价格相差很大，有些材料每吨价格高达几万元，其热处理试板成本更高。本发明提出热处理功率和壁厚方向温差的模拟公式，对不同材料热处理试板的热处理工艺进行等效，使一种材料的热处理试板可以代替多种不同材料的热处理试板，降低了热处理成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，包括：

提供一种材料的热处理试板，所述热处理试板至少一侧层叠设置有加热元件和保温元件，所述加热元件位于所述热处理试板和所述保温元件之间，所述热处理试板的中心具有焊缝，所述加热元件和所述保温元件的中心线均与所述焊缝的中心线重合；

对所述材料的热处理试板进行热处理试验；获得所述材料热处理试板的热处理参数；

根据试验获得的热处理参数对不同材料热处理试板的快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的热处理参数进行计算，通过计算结果模拟不同材料过程设备的热处理参数。

2.根据权利要求1所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，在所述热处理试板的焊缝中间、焊缝熔合线和均温带边缘的上表面、中间和下表面打孔作为测温点并放置测温元件，在进行热处理试验时，进行温度检测。

3.根据权利要求1所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，根据所得到的热处理参数对不同材料的热处理试板热处理参数进行模拟的步骤包括：

根据试验得到的所述材料热处理试板的对流传热系数；

根据得到的对流传热系数和材料的物理性能参数对其他材料热处理试板的加热功率和壁厚方向的温差进行模拟，所述温差，当热处理试板进行双面加热时，是指试板表面和试板中间部分的温差；当热处理试板进行单面加热时，是指试板上表面和下表面之间的温差。

4.根据权利要求3所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，所述热处理参数包括所述预设热处理试板在快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的加热功率。

5.根据权利要求3所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，单面加热时，对不同材料的热处理试板加热功率的模拟方法包括：

1)快速升温阶段

室温～300℃范围内在1小时完成加热，即t＝3600s，温差ΔT＝300℃-室温；加热功率为：

其中，P为功率，W；ρ为试板密度，kg/m³；c为试板材料比热，J/kg℃；A为加热面积，m²；δ为试板厚度，m；α为对流传热系数，W/m²℃；T为试板温度，℃；T_W为环境温度，℃；

2)慢速升温阶段

300℃～最终热处理温度的加热功率为：

3)保温阶段

保温阶段的加热功率是为了平衡试板向周围的散热，即试板与空气对流换热P₁，此阶段P与P₁相等，因此：

P＝2αA(T-T_W)

其中P₁为散热功率。

6.根据权利要求5所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，双面加热时，快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段上下表面的加热功率分别为单面加热时的一半。

7.根据权利要求3所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，所述热处理参数还包括所述预设热处理试板在快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的厚度方向温差。

8.根据权利要求3所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，单面加热时，对不同材料热处理试板厚度方向温差的模拟方法包括：

1)快速升温阶段

其中T_δ为壁厚方向的温差，℃；A为传热面积，m²；λ为热传导系数，W/m℃；δ为壁厚，m；

2)慢速升温阶段

3)保温阶段

9.根据权利要求7所述热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，双面加热时，快速升温阶段、慢速升温阶段和保温阶段的温差分别为单面加热时的四分之一。

10.根据权利要求4所述的热处理试板模拟不同材料过程设备热处理工艺的方法，其特征在于，根据各阶段加热功率计算得到各热处理阶段的热流密度：

根据热流密度和对应过程设备的加热面积能够模拟过程设备的热处理加热功率。

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