有色金屬軋機(jī)工作輥感應(yīng)淬火過程數(shù)值模擬分析

瞿貴峰 門正興 李 英 張 宏

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

有色金屬軋機(jī)工作輥感應(yīng)淬火過程數(shù)值模擬分析

瞿貴峰 門正興 李 英 張 宏

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

對有色金屬軋機(jī)工作輥感應(yīng)淬火過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過模型簡化，將復(fù)雜感應(yīng)淬火過程轉(zhuǎn)化為普通熱交換過程。研究了不同加熱層深度及線圈移動速率對工作輥淬火層深度、溫度場、淬火后組織的影響，對大型有色金屬軋機(jī)工作輥感應(yīng)淬火過程參數(shù)設(shè)定具有指導(dǎo)意義。

5Cr80Mo工作輥；感應(yīng)淬火；淬硬層；數(shù)值模擬

近年來，國內(nèi)黑色金屬軋機(jī)線已趨于飽和，而有色金屬軋機(jī)項(xiàng)目有逐漸增多的趨勢，因此作為有色金屬軋機(jī)重要組成部分的工作輥成為國內(nèi)外軋輥生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)研究的產(chǎn)品。有色金屬軋機(jī)工作輥性能要求嚴(yán)格，為了提高大型有色金屬軋機(jī)工作輥的淬硬層深度和表面硬度均勻性等性能，目前主要采用感應(yīng)淬火方式對其進(jìn)行性能熱處理。

與其他表面淬火工藝相比，感應(yīng)淬火具有表面淬火硬度高、淬硬層深度大、輥身硬度均勻性高等特點(diǎn)[1]，有利于發(fā)揮材料的最大潛力，節(jié)約材料消耗，提高產(chǎn)品使用壽命，也便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，目前主要使用的感應(yīng)淬火方式包括低頻感應(yīng)淬火、中頻感應(yīng)淬火、高頻感應(yīng)淬火、雙頻感應(yīng)淬火、整體感應(yīng)淬火等方法[2]。

1 材料性能

所研究的有色金屬軋機(jī)工作輥材料選用5Cr80Mo，該材料是美國聯(lián)合電鋼公司于1998年開發(fā)的有色金屬軋機(jī)工作輥和支承輥的專用材料，其奧氏體化溫度為729 ℃，調(diào)質(zhì)處理后顯微組織為均勻彌散進(jìn)入細(xì)晶回火馬氏體中的合金碳化物，具有熱疲勞強(qiáng)度較高、熱高溫裂紋敏感性較低、耐磨性能好等特點(diǎn)，工作輥有更長的使用壽命。根據(jù)5Cr80Mo材料化學(xué)成分的特點(diǎn)，采用材料分析軟件Jamatpro對其彈性模量、泊松比、熱導(dǎo)率、比熱等熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)隨溫度變化情況如圖1～圖4所示。

2 模型簡化

感應(yīng)淬火過程涉及磁、熱、電、力學(xué)和相變等多方面，影響感應(yīng)淬火質(zhì)量的主要因素有材料化學(xué)成分、外形尺寸、加熱速度、比功率、加熱時(shí)間、相變臨界溫度等，其復(fù)雜性導(dǎo)致采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析方法對其進(jìn)行精確的分析都非常困難。國內(nèi)外學(xué)者和研究人員對感應(yīng)淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)都對其進(jìn)行了大量的簡化[3]。本文將感應(yīng)線圈沿輥身移動的感應(yīng)加熱過程簡化為恒定高溫加熱環(huán)沿輥身移動的熱交換過程，從而使感應(yīng)淬火過程簡化為普通熱交換過程。

加熱速度和加熱溫度是影響感應(yīng)淬火過程最主要的兩個(gè)參數(shù)。每種材料都有一定的淬火加熱溫度范圍,只有在這個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行感應(yīng)淬火,才能得到滿意的組織和性能。當(dāng)加熱速度一定時(shí)，如果選取的淬火溫度低于最佳溫度則會導(dǎo)致鍛件表面相變不完全，最終出現(xiàn)硬度降低的現(xiàn)象。若淬火溫度高于最佳溫度，熱態(tài)的奧氏體晶粒會長大，淬火后得到中針或粗針馬氏體，如果是高碳鋼將會有殘余奧氏體出現(xiàn)，也會導(dǎo)致表面硬度降低。當(dāng)材料的最佳淬火溫度范圍一定時(shí)，加熱速度過快或過慢，也會在鍛件表面出現(xiàn)不合理或不理想的淬火組織，從而導(dǎo)致鍛件質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。較長的加熱時(shí)間和較高的加熱溫度可獲得較深的加熱深度,反之,加熱深度較淺。加熱速度小時(shí)會得到過熱組織，加熱速度大時(shí)會得到加熱不足的淬火組織。

圖1 彈性模量隨溫度變化曲線Figure1 The curve of elastic modulus changed with temperature

圖2 泊松比隨溫度變化曲線Figure2 The curve of Poisson’s ratio changed with temperature

圖3 熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線Figure3 The curve of thermal conductivity changed with temperature

圖4 比熱隨溫度變化曲線Figure4 The curve of specific heat capacity changed with temperature

有色金屬軋機(jī)工作輥感應(yīng)淬火模型如圖5所示。其中，工作輥輥身部分直徑800 mm、長度3 000 mm部位需要進(jìn)行感應(yīng)淬火。感應(yīng)淬火時(shí)，將恒定溫度為960℃的高溫加熱環(huán)(代替感應(yīng)加熱線圈)和位于高溫線圈后端固定距離的恒定溫度為20℃的低溫冷卻環(huán)(代替噴水冷卻裝置)置于軋輥一端。當(dāng)高溫加熱環(huán)及低溫冷卻環(huán)以一定速度沿軋輥軸向移動時(shí)，一定厚度的輥身表面首先通過和高溫加熱環(huán)的熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致溫度快速升高，經(jīng)過一段時(shí)間后，又通過和低溫冷卻環(huán)的熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致溫度快速下降，從而在軋輥表面一定厚度形成淬硬層。

圖5 感應(yīng)淬火工件簡化模型Figure 5 Schematic drawing of induction quenched workpiece

為了確保模擬精度和穩(wěn)定性，軋輥采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為60 mm。高溫加熱環(huán)與外界熱交換系數(shù)設(shè)置如表1所示。低溫冷卻環(huán)為水冷裝置的簡化，根據(jù)熱處理手冊查到其與工件的熱交換系數(shù)是隨工件溫度變化的函數(shù),模擬中選擇水流量為990 kg/(m2·min)的曲線來進(jìn)行計(jì)算。

3 感應(yīng)淬火結(jié)果分析

圖6為加熱深度10 mm、高溫加熱環(huán)移動速度6 mm/s情況下感應(yīng)淬火過程中工作輥橫截面溫度場分布情況示意圖。從圖6可以看出，在輥身與高溫加熱環(huán)接觸區(qū)域溫度已達(dá)到960℃，滿足淬火要求，而軋輥心部溫度基本沒有變化。軋輥加熱溫度沿徑向分布如圖7所示。在距軋輥表面深度12mm處，軋輥溫度已降至910℃以下。在輥身與低溫冷卻環(huán)接觸區(qū)域，軋輥表面溫度迅速下降，而接近軋輥表面的區(qū)域溫度并沒有下降，而是在低溫冷卻環(huán)通過后對軋輥表面進(jìn)行傳熱。

表1 高溫加熱環(huán)熱交換系數(shù)Table 1 Heat exchange coefficient of high temperature heating ring

表2 不同情況下淬火效果對比Table 2 Comparison of quenching effects under different conditions

圖6 感應(yīng)淬火溫度場Figure 6 Temperature field during induction quenching

圖7 軋輥溫度徑向變化曲線Figure7 The change curve of roller temperature in radial direction

圖8 感應(yīng)淬火后馬氏體組織分布Figure8 Martensitic structure distribution after induction quenching

圖8為感應(yīng)淬火后工作輥馬氏體情況。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，工作輥表層經(jīng)過快速加熱和冷卻后，表層主要發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，還有少部分貝氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變比例隨深度的增加而減小，在10 mm左右達(dá)到95%。表2為不同加熱深度和感應(yīng)器移動速度情況下工作輥表面組織分布及淬透層深度的變化情況。不同的感應(yīng)淬火工藝參數(shù)組合會對淬火結(jié)果有重要的影響，只有通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的配合使用，才能有效的確定最佳的工作輥感應(yīng)淬火參數(shù)。

4 總結(jié)

通過采用不同的加熱層深度及感應(yīng)器移動速度，對5Cr80Mo材料的有色金屬軋機(jī)工作輥進(jìn)行感應(yīng)淬火過程數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論：

(1)可以采用恒定高溫加熱環(huán)沿輥身移動的方式將感應(yīng)線圈沿輥身移動的感應(yīng)加熱過程簡化為普通熱交換過程。

(2)感應(yīng)淬火過程中，工作輥表層主要發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，還有少部分貝氏體轉(zhuǎn)變。隨著感應(yīng)加熱層深度的增加，馬氏體轉(zhuǎn)變深度逐漸加大。

[1] 王勤，沈偉芳，陳琳，華陳亮. 鍛鋼冷軋工作輥雙中頻感應(yīng)淬火機(jī)組特點(diǎn)及工藝技術(shù)[J] .冶金設(shè)備，2007，163：59-62.

[2] 竹山輝羨. 鍛鋼輥感應(yīng)淬火技術(shù)的發(fā)展[J]. 軋鋼，1991，1：25-32.

[3] 宋月鵬，劉國權(quán)，馮承明，等. 鋼件感應(yīng)淬火后淬硬層分布的計(jì)算模擬預(yù)測及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J] .熱加工工藝，2006，35(4)：71-74.

[4] 《熱處理手冊》編寫組. 熱處理手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社[M]，2001.

編輯 杜青泉

Numerical Simulation Analysis of Induction Quenching Process of Nonferrous Mill Working Roll

Quguifeng,Menzhengxing，Liying,Zhanghong

The induction quenching process of nonferrous mill working roll by 5Cr80Mo is analyzed by numerical simulation method, and the complex process of induction quenching is simplified to common heat exchange process by model simplification. The influence of different heating depths and moving speeds of induction coil on quenching layer depth, temperature field, and structure after quenching is researched, and the result is instructive to parameter setting of induction quenching of heavy nonferrous mill working roll.

5Cr80Mo working roll; induction quenching; quenching layer; numerical simulation

2014—04—16

TG162.8

B