关于大锻件加热的火耗系数

关于钢铁在连续铸造期间金属铸件的传递系数的分析关于钢铁在连续铸造期间金属铸件的传递系数的分析铸件的热传递系数是由逆行方式决定，而且与加工环境和钢的碳当量有关。

实验数据是通过安置在铸件上合适的位置的热电偶测量在连续铸造机械中的铸件的温度获得的，温度和先前通过数控模具模拟的固化和热传递过程的模件相比较。

结果是，数据模具计算出在经过加热铸造的金属分界面带有不同工艺参数的热传递系数。

这个结论使对于分界面金属热传递系数的计算的表达式的决定成为可能。

这些热传递系数包括钢的等级、铸件表面、铸造速度、铸件的斜度、铸件断面和不同工艺参数的浇注温度的影响。

关键字:连续铸造、热传递系数、数字模具、钢的固化简述为了理解热传递系数，知道从金属到冷却流体的过程中热传递是如何发生是很重要的，对于热热传递的全面分析，必须先分析每个热传递结构的相关影响，在这个方面，包括液态和固态金属、润滑剂，在金属分界面的气隙以及铸件壁和冷却流体都可认为是由于温度的变化而来的。

沿着铸件壁形成固态金属层可视为增加的阻止热量流出的障碍物，也就是说，这是一种可以增加固态层在控制全部液体的热量方面的影响热阻，然而，在这个系统中，铸件壁并不是一个重要的控制热量的热阻，因为，除了壁厚的光度的要求，铸件的材料，一般是铜和它的合金，由于它们的高导热性所以有很高的传递热量的能力。

对于金属和铸件之间的热联系，可以从三个地方观察到，一是从凸凹面到被铸粉层把液态金属和铸件分离开的凝固的初始点，第二是固态金属间有很好的热联系，第三是有液态金属在固液分界层产生钢铁水静压力的铸件壁，此外，它的行为对铸件的表面质量有重要影响，在第三点，也可以认为是一种物理分层或者是在金属铸件间形成明显的气隙，使热量传递比较困难，分离能根据刚的化学结构和它内部的戴表粘附和松缩趋势的铁素体而变化。

钢的固化的开始伴随着铁素体δ或者奥氏体γ生成，对于碳钢而言，包晶反应L+δ=γ发生在碳含量在0.09%到0.53%之间的时候，它的反应强度可以通过添加负责奥氏体形成的C、N、Ni、Mn、Cu元素获得，由于铁素体δ和奥氏体γ热物理特性的不同，包晶反应会产生不良现象，比如说加压、容积变化、隔离和固体沉淀，如图1所示的铁素体δ先形成的包晶反应，是由于L+δ=γ反应产生的奥氏体γ的压缩。

锤锻模设计中的几个问题作者：马明来源：《智富时代》2018年第03期【摘要】运用自由锻造技术，采用无模具、小吨位锻造设备，是解决小批量偏心轴类锻件的生产问题一种方式，虽然增加了锻造难度，但大大降低了制造辅助模具生产的费用，在锻造生产过程中有很好的应用性。

【关键词】锤锻模设计；自由锻造；成本一、前言锻造技术是机械制造工业的基础技术，是先进设备制造技术的重要组成部分，锻造技术在交通运输、工程机械、农机机械以及国防工业等大型动力机械设备的制造上，应用非常广泛，特别是在飞机、造船、电力等工业中，锻件一直是不可或缺的关键部件。

自由锻造则是锻造技术中的重要方面，由于自由锻造对操作者有较高的技术要求，在锻造行业中所占比例较低，仅占20%左右，但自由锻造技术一直随着现代工业的快速发展，发挥着重要作用。

轴类锻件就是其中之一。

轴类锻件是机械设备中重要的关键部件之一，同心轴的锻造工艺比较成熟，但大型偏心轴的锻造由于生产批量较小，采用模锻，模具制造成本非常高，在小批量生产中，采用自由锻造技术就很有利，虽然劳动强度大，但锻造成本却比模锻低很多，这也自由锻造技术长期存在下去的一个重要方面。

下面用实例对偏心轴的锻造技术参数和工艺进行解析。

二、锻件技术参数锻件材质：40Cr；锻件重量：1331kg。

毛坯料重量（包含火耗、芯头、锯口）：1438kg。

在这里提一下，一般大型轴类锻件的火耗占坯料的3-5%，芯头和台阶余面占坯料的2%左右，锯切下料的损耗占坯料的0.6%，由此可计算出锻件所需坯料的重量。

由于加热时间长，坯料表面产生氧化皮层厚，因此选用准440坯料，确定毛坯料尺寸：准440×1205mm。

三、锻件工艺分析（一）锻造设备的选用确定锻造设备吨位关系着锻件质量和成本以及操作人员的劳动条件，是制定锻造工艺的重要环节，但选择恰当的锻造设备是一件非常复杂和困难的工作，通过单一的理论计算可能会导致锻造载荷的计算值同实际使用设备的能力误差较大，因此，许多企业按照各自长期积累的经验数据选择锻造设备。

水压机锻件锻造加热规范一表1是常用锻钢的锻造温度范围，表2是常用锻钢的分组。

对表1,表2 中未列入的钢种，按化学成份相近的钢号确定。

二表3是热锻钢锻造加热规范。

热锻钢是指表面温度》550'C的钢锭或钢坯。

对于温度在400至550E之间者，应先按下表规定均热后，再按热锻钢加热。

表面温度低于400C,截面大于1000mm的热锻钢，由车间技术组或现场值班人员临时制定专用加热曲线。

注：钢锭表面温度采用高温计或红外线测温仪测量。

测量部位在钢锭冒口线以下100mm左右的凹面上。

三、表4至衰6是各组冷锻钢锻造加热规范冷锻钢是指在常温下存放的钢锭或钢坯，对于放在露天跨的冷锻钢，冬季（当年11月至下年2月）入炉加热前，需先吊至车间内避风处放2至3天后再入炉加热。

I.表列升温时间是总加热时间组成部份（总加热时间=升温时间+保温时间）。

对于热锻钢加热，在保证总加热时间的前提下，升温时间可根据实际加热情况缩短，但保温时间则应相应增长。

2•当具备采用高温计（或红外线测温仪）测定料温的条件时，对于热锻钢加热的升温时间及冷锻钢加热经750C保温后的升温时间的确定，可按实际升温时间计。

实际升温时间是指从开始升温到采用高温计测定料温的确达到始锻温度止这一段加热时间。

保温时间仍按表列值要求。

3.采用“ WHF '法锻造时转子及与转子质量要求相当（主要是指超声波探伤要求）的重要锻件，保温时间按表列值的2 倍计，其余锻件按表列值的1.5 倍计，采用“ JTS”法锻造时保温时间均按表列值的1. 2倍计。

4•进行镦粗的I、U、川组钢，，保温时间应按表列值增加30% .对于压钳口工序，各组钢的保温时间均可按表列值减少30-40％。

5、热锻钢的再加热，返炉时其表面温度》1100C时，，保温时间可按表列值减少40—50%，若表面温度在1000-1100C时，保温时间可按表刮值减少30-40%。

当需要执行此规定时，锻坯返炉的表面温度，由车间现场值班人员和中间检查人员共同确认。

关于锻造加热的影响因素（日）清水钢铁公司越古哲郎1、前言：谚语有云：“趁热打铁”，也就是说锻造之前先要充分地加热钢锭（钢坯）。

加热到再结晶温度以上的高温后，钢的变形抗力会减小，塑性提高，易于锻造。

加热的好坏对于钢锭内部空隙的压合以及成形性能都有很大的影响。

另一方面,燃料费在锻造费用中所占的比例很大，特别是由于均热时间需与钢锭直径的平方成正比，所以在锻造大钢锭时，这部分费用所占比例显著增大。

所以从品质和费用两个方面看，有必要选择必须的最少限度的合理加热。

锻造加热的影响因素在软件方面是加热温度和加热时间，在硬件方面则是加热设备，本文主要阐述关于前者的观点以及相关的问题。

2、关于锻造加热温度（1）最高加热温度：钢的最高加热温度一般是指不会发生过热的温度，即如图1所示，比固相线温度（TSL）低一定程度（α）的温度。

图1 Fe-C平衡相图及最高加热温度普通碳素钢以及如下范围内合金钢的最高加热温度可以用公式（1）和（2）简便地求出。

最高加热温度（Tmax）=固相线温度（T SL）-α (1)T SL=(Fe-C相图的固相线温度)-20.5[%Si]-6.5[%Mn]-2.0[%Cr]-11.5[%Ni]-5.5[%Al]-300[%P]-700[%S] (2)公式（2）的适用范围如下（%）:公式（1）中的α则随以下因素而变。

（a）钢锭的成分偏析引起的TSL的变化。

（b）炉内温度分布的不均匀程度。

（c）其他误差。

对T SL影响最大的是碳元素的偏析，公式（3）即Comon等人[2]提供的计算式可以作为参考。

（C M-C m）/C L×100%=D{2.81+4.31L/D+28.9[%Si]+805.8[%S]+235.2[%P]-9.2[%Mo]-38.2[%V]} (3)式中C M：钢锭本体最大含碳量（%）C m：钢锭本体最小含碳量（%）C L：钢包中钢液的含碳量（%）、D：钢锭的平均直径（m）L：钢锭本体的高度（m）由公式（3）可见，钢锭越大，杂质元素对碳的偏析影响就越大。

大型锻件的最终热处理大型锻件经粗加工进行的热处理称为最终热处理。

多采用淬火、正火及随后的高温回火等工艺，以达到技术条件所要求的性能，或为后续热处理过程准备良好的组织条件。

1 大锻件淬火、正火时的加热1.1 加热温度为使负偏析区在加热时达到淬火或正火温度，大锻件的淬火或正火温度应取规定温度的上限。

对于碳偏析比较严重的锻件，可根据不同锭节的实际化学成分，采用不同的加热温度。

大锻件用钢的淬火加热温度如表1 所示。

▼表1 常用大锻件用钢的淬火加热温度1.2 加热方式大锻件加热时，为了避免过大的热应力，应该控制装炉温度和加热速度。

截面大、合金元素含量高的重要锻件，多采用阶梯式加热。

即在但温装炉后按规定速度加热，在升温中间进行一次或两次中间保温。

有些锻件采用较低的加热速度而不进行中间保温。

只有截面尺寸较小、形状简单、原始残留应力较小的碳钢和低合金结构钢锻件，才允许高温装炉、不限制加热速度或在低温装炉后采用最大功率升温。

高温装炉直接加热时，锻件中不同部位的升温曲线，如图1 7-13所示。

可以看出，在这种情况下锻件表面与中心的最大温差很大，出现最大温差时工件心表部温度低于200℃, 钢仍处于冷硬状态，易因巨大的温差应力而产生内部裂纹。

▲图1 Φ800mm 40CrNi钢坯加热曲线（炉温950℃装炉）阶梯式加热时锻件中不同部位的升温曲线，如图2 所示。

可以看出，由于采取了中间保温，在加热中出现了两次最大温差。

第一个出现在心部温度为≈350℃时，数值仅为图1 7-13曲线的1/3。

出现第二个最大温差时，锻件心部温度已升高至≈700°C, 钢已处于塑性状态，无开裂危险。

当锻件尺寸很大时，加热中第一个最大温差的数值仍会较大，这时要在≈400°℃等温一段时间，待工件表面和心部都升至较高温度时再继续加热。

这样可以减小第一个最大温差的数值和使其在更高些的温度范围出现。

▲图2 Φ900mm 42CrMoV锻件加热曲线1.3 升温速度锻件在加热过程的低温阶段，升温速度要控制在30~70°C/h 。

大型锻件热处理基本知识大型锻件的热处理分为锻后热处理和性能热处理两种。

一．锻后热处理（一）锻后热处理的目的锻后热处理，又称为第一热处理或预备热处理，通常是紧接在锻造过程完成之后进行的，有正火、回火、退火、球化、固溶等几种形式。

其主要目的是：1.消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高切削加工性能和防止变形。

2.对于不再进行调质处理的工件，应使锻件达到技术条件所要求的各种性能指标，如强度、硬度、韧性等。

这类工件大多属于碳钢或低合金钢锻件。

3.调整与改善大型锻件在锻造过程中所形成的过热与粗大组织，减少其内部化学成分与金相组织的不均匀性，细化晶粒。

4.提高锻件的超声波探伤性能，消除草状波，使锻件中其它内部缺陷能够清晰地显示出来，以利于准确判别和相应地处理。

5.对于含氢量高的钢种延长回火时间，以避免产生白点或氢脆开裂的危险。

对于绝大多数大型锻件来说，防止白点是锻后热处理的首要任务，必须完成。

（二）正火正火主要目的是细化晶粒。

将锻件加热到相变温度以上，形成单一奥氏体组织，经过一段均温时间稳定后，再出炉空冷。

正火时的加热速度为：在700℃以下应缓慢，以减少锻件中的内外温差和瞬时应力，最好在650~700℃之间加一个等温台阶；在700℃以上，尤其在Ac1（相变点）以上，应提高大型锻件的加热速度，争取获得更好一些的晶粒细化效果。

正火的温度范围通常在760~950℃之间，根据成分含量不同的相变点不同而定。

通常，碳与合金含量越低，正火温度越高，反之则越低。

有些特殊钢种可达1000~1150℃范围。

但不锈钢及有色金属的组织转变却是靠固溶处理来实现的。

正火后的空冷应尽量使锻件散开和垫起，以促进快速实现相变并冷却均匀，减少组织应力。

大型锻件正火后可以空冷至表面100~200℃，然后在220~300℃之间设一个台阶，保温一段时间再加热回火。

（三）回火回火的主要目的是扩氢。

并且还可以稳定相变后的组织结构，消除组织转变应力及降低硬度，使锻件易于加工并不产生变形。

水压机锻件锻造加热规范一表1是常用锻钢的锻造温度范围，表2是常用锻钢的分组。

对表1，表2中未列入的钢种，按化学成份相近的钢号确定。

二表3是热锻钢锻造加热规范。

热锻钢是指表面温度≥550'C的钢锭或钢坯。

对于温度在400至550℃之间者，应先按下表规定均热后，再按热锻钢加热。

表面温度低于400℃，截面大于1000mm的热锻钢，由车间技术组或现场值班人员临时制定专用加热曲线。

注：钢锭表面温度采用高温计或红外线测温仪测量。

测量部位在钢锭冒口线以下100mm左右的凹面上。

三、表4至衰6是各组冷锻钢锻造加热规范冷锻钢是指在常温下存放的钢锭或钢坯，对于放在露天跨的冷锻钢，冬季(当年11月至下年2月)入炉加热前，需先吊至车间内避风处放2至3天后再入炉加热。

l. 表列升温时间是总加热时间组成部份(总加热时间=升温时间+保温时间)。

对于热锻钢加热，在保证总加热时间的前提下，升温时间可根据实际加热情况缩短，但保温时间则应相应增长。

2．当具备采用高温计(或红外线测温仪)测定料温的条件时，对于热锻钢加热的升温时间及冷锻钢加热经750℃保温后的升温时间的确定，可按实际升温时间计。

实际升温时间是指从开始升温到采用高温计测定料温的确达到始锻温度止这一段加热时间。

保温时间仍按表列值要求。

3. 采用“WHF’法锻造时转子及与转子质量要求相当(主要是指超声波探伤要求)的重要锻件，保温时间按表列值的2倍计，其余锻件按表列值的1.5倍计，采用“JTS”法锻造时保温时间均按表列值的1．2倍计。

4．进行镦粗的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组钢，，保温时间应按表列值增加30％．对于压钳口工序，各组钢的保温时间均可按表列值减少30-40％。

5、热锻钢的再加热，返炉时其表面温度≥1100℃时，，保温时间可按表列值减少40—50％，若表面温度在1000-1100℃时，保温时间可按表刮值减少30-40％。

当需要执行此规定时，锻坯返炉的表面温度，由车间现场值班人员和中间检查人员共同确认。

大锻件锻造过程中的综合换热系数研究一、绪论A.研究背景B.研究目的C.论文结构D.本研究的意义二、大锻件锻造原理及综合换热系数A.大锻件锻造原理B.综合换热系数的定义与分类C.大锻件锻造过程中综合换热系数的影响因素三、大锻件锻造过程中综合换热系数的实验研究A.实验设计与方法B.实验数据分析与处理C.实验结果分析与讨论四、基于数值模拟的大锻件锻造过程中综合换热系数研究A.数值模拟原理与方法B.数值模拟结果分析C.数值模拟验证实验五、大锻件锻造过程中综合换热系数的优化A.综合换热系数的优化方法B.实验验证与分析C.优化结果分析与讨论六、结论与展望A.主要研究结果B.研究不足与改进方向C.未来研究展望第一章绪论A. 研究背景大锻件是指直径或边长大于1 m，重量在50 t以上的锻件，通常用于制造海洋平台、桥梁构件、蒸汽轮机、核反应堆及大型压机等重要设备，具有极高的使用价值。

然而，大锻件锻造过程中的高温、高压、强变形及热应力等因素，给锻造质量和生产效率带来一定的挑战。

针对这些问题，锻造工艺和设备不断进步，以确保大锻件的质量和性能。

大锻件的锻造过程中，综合换热系数是一种重要参数，它描述了锻件加热和冷却过程中与周围环境之间的传热作用。

在大锻件锻造过程中，综合换热系数直接影响着锻件的质量、形状和性能。

因此，对大锻件锻造过程中综合换热系数的研究和优化，是提高锻造质量和生产效率的必要途径。

B. 研究目的本文的主要目的是研究大锻件锻造过程中的综合换热系数。

具体研究内容包括：1.介绍大锻件锻造原理及综合换热系数的定义和分类；2.探究大锻件锻造过程中综合换热系数的影响因素；3.基于实验方法，研究大锻件锻造过程中综合换热系数的变化规律；4.利用数值模拟方法对大锻件锻造过程中的综合换热系数进行研究；5.探讨大锻件锻造过程中综合换热系数的优化方法。

C. 论文结构本文共分为6个章节。

第一章为绪论，介绍了本研究的背景和目的，并概述了论文的结构。

锻件余量设计和材料消耗计算基本原则锻件余量设计和材料消耗计算基本原则1 范围本标准规定了滚动轴承（包括轮毂单元、凸缘等）套圈所有热锻锻件的设计基本方法，锻件重量、飞边重量、料芯重量、火耗重量、下料重量、材料消耗重量的基本计算方法。

本标准适用于滚动轴承（包括轮毂单元、凸缘等）套圈所有热锻锻件。

2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T 12361 钢质模锻件通用技术条件GB/T 12362 钢质模锻件公差及机械加工余量CSBTS TC98.25 滚动轴承套圈锻件技术条件3 术语和定义锻件重量：锻件毛坯的实际重量飞边重量：锻造过程中外轮廓分模面处多余的材料料芯重量：锻造过程中内孔多余的材料火耗重量：锻件在锻打过程中的热损耗下料重量（切料重量）：锻打一件锻件所需要的钢坯重量材料消耗定额：锻打一件锻件所需要的钢材消耗总重量4 锻件设计基本原则4.1 锻件余量设计基本原则4.1.1 法兰盘/单元外圈/轴承座/凸缘等锻件余量设计基本原则径向余量2.2mm，外径公差+1.0mm，内径公差-1.0mm；当直径超过φ100mm时，径向余量2.5 mm，外径公差+1.2mm，内径公差-1.2mm。

（注：在保证法兰盘两端厚度C1、C2最小壁厚不小于5mm的前提下）法兰大外径D径向余量2.5mm，外径公差+1.2mm。

轴向余量2.5mm, 两端轴向余量每端各2mm，一般外轮廓公差+1.0mm，内轮廓公差-1.0mm。

法兰内孔深度一般为h1小于等于10mm，h2小于等于18mm，具体可视产品情况而定。

料芯厚度：单元外圈料芯厚度一般按8mm设计。

图一4.1.2 挡环余量设计基本原则径向余量2.5mm。

大型锻件热处理基本知识大型锻件的热处理分为锻后热处理和性能热处理两种。

一．锻后热处理（一）锻后热处理的目的锻后热处理，又称为第一热处理或预备热处理，通常是紧接在锻造过程完成之后进行的，有正火、回火、退火、球化、固溶等几种形式。

其主要目的是：1.消除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高切削加工性能和防止变形。

2.对于不再进行调质处理的工件，应使锻件达到技术条件所要求的各种性能指标，如强度、硬度、韧性等。

这类工件大多属于碳钢或低合金钢锻件。

3.调整与改善大型锻件在锻造过程中所形成的过热与粗大组织，减少其内部化学成分与金相组织的不均匀性，细化晶粒。

4.提高锻件的超声波探伤性能，消除草状波，使锻件中其它内部缺陷能够清晰地显示出来，以利于准确判别和相应地处理。

5.对于含氢量高的钢种延长回火时间，以避免产生白点或氢脆开裂的危险。

对于绝大多数大型锻件来说，防止白点是锻后热处理的首要任务，必须完成。

（二）正火正火主要目的是细化晶粒。

将锻件加热到相变温度以上，形成单一奥氏体组织，经过一段均温时间稳定后，再出炉空冷。

正火时的加热速度为：在700℃以下应缓慢，以减少锻件中的内外温差和瞬时应力，最好在650~700℃之间加一个等温台阶；在700℃以上，尤其在Ac1（相变点）以上，应提高大型锻件的加热速度，争取获得更好一些的晶粒细化效果。

正火的温度范围通常在760~950℃之间，根据成分含量不同的相变点不同而定。

通常，碳与合金含量越低，正火温度越高，反之则越低。

有些特殊钢种可达1000~1150℃范围。

但不锈钢及有色金属的组织转变却是靠固溶处理来实现的。

正火后的空冷应尽量使锻件散开和垫起，以促进快速实现相变并冷却均匀，减少组织应力。

大型锻件正火后可以空冷至表面100~200℃，然后在220~300℃之间设一个台阶，保温一段时间再加热回火。

（三）回火回火的主要目的是扩氢。

并且还可以稳定相变后的组织结构，消除组织转变应力及降低硬度，使锻件易于加工并不产生变形。

加热和锻后热处理一加热工艺分析加热工艺通常包括装炉温度、升温速度、均热控制、保温时间。

比较主要的是最高加热温度控制、均温及允许的温度场不均匀控制和“温度头”（即最高炉温和锻件表面的温差，也叫“过热度”）控制。

1. 温度应力坯料在加热时，其表面和中心部位之间存在温度差引起不均匀膨胀，使表面受到压应力，中心部位受到拉应力。

这种由于温度不均匀而产生的内应力叫温度应力。

温度应力的大小与钢的性质和断面温度有关。

一般只有钢料出现温度梯度并处在弹性状态时，才会产生较大的温度应力并引起裂纹。

钢在温度低于500～550℃时处在弹性状态，因此低于这个温度范围时，须考虑温度应力的影响。

当温度超过500～550℃时，钢的塑性比较好，变形抗力较低，通过局部塑性变形可以使温度应力消除或减少。

2.装炉温度通常装炉温度高低对小截面、低碳低合金坯料影响不大，而对中高碳或多组元合金钢（尤其是未压过的钢锭等铸态组织的零件）则影响很大，因为钢锭等铸态组织及多组元合金钢导热性差，过高的装炉温度将给加热件带来较大的附加应力，严重的可使高合金钢中心开裂。

另外，因生产条件限制，大多数热送钢锭的生产、送达有一个较长的时间段，在这段时间的待料中，炉温实际上给钢锭一个由表及里的热传导过程，减少了内外层温度差，即减小了热应力差异，并给后续升温提供了一个快速升温的基本条件。

装炉温度可根据温度应力和钢料最大允许温差（∆t）来确定，∆t可根据下式计算。

∆t=1.4 [σ] / αE式中[σ]为相应温度下的抗拉极限（MPa）；α为相应温度下的线膨胀系数（℃-1）E 为弹性模量（MPa）由上式得出的最大允许温差，再按不同热阻条件下最大允许温差与允许装炉温度的理论计算曲线（见图1），确定出允许装炉温度。

这个结果一般偏小，还要在实际工作中加以修正。

钢锭加热的装炉温度及在此温度下保温的时间见图2。

图1 圆坯允许装炉温度和最大允许温差关系（R：加热件半径（m）λ：导热系数（m·h·/J℃））3 加热速度加热时经常用到“尽速”、“尽功率”升温的要求，这是指按炉子所能提供的最大升温能力来升温。