Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ЗАКАЛКИ МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ
СПОСОБ ЗАКАЛКИ МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

СПОСОБ ЗАКАЛКИ МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к термической обработке и преимущественно может быть использовано для закалки роторов атомных и тепловых электростанций. Сущность изобретения: способ включает нагрев изделия до температуры аустенизации, выдержку, по окончании которой охлаждение каждого участка ведут с усредненным коэффициентом теплоотдачи на поверхности α = 900 - 1200 Вт/м2 · К до достижения на его поверхности температуры 5 - 99oС, после чего продолжают охлаждение с усредненным коэффициентом теплоотдачи на поверхности α = 450 - 600 Вт/м2 · К до достижения каждым участком теплосодержания, равного его теплосодержанию при нагреве до температуры t = TБк - (TБк - 100), где TБк - температура конца бейнитного превращения, oС, заканчивают охлаждение на воздухе. 2 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2105823
Класс(ы) патента: C21D1/78
Номер заявки: 96106270/02
Дата подачи заявки: 01.04.1996
Дата публикации: 27.02.1998
Заявитель(и): Научно-производственное объединение по технологии машиностроения
Автор(ы): Борисов И.А.; Левитан Л.М.; Борисов А.И.
Патентообладатель(и): Научно-производственное объединение по технологии машиностроения
Описание изобретения: Изобретение относится к термической обработке стальных изделий и преимущественно может быть использовано для закалки роторов атомных или тепловых электростанций.
Известен способ одновременного дифференцированного охлаждения изделия переменного сечения при термической обработке, в котором охлаждение участков разного сечения осуществляют подачей на их поверхность различных охладителей [1]
Недостатком способа является его сложность из-за использования различных охладителей, что требует согласования между собой коэффициентов теплоотдачи на поверхности соседних участков, а это практически невозможно.
Известен способ закалки массивных изделий сложной конфигурации, преимущественно укрупненных хвостовиков для сварных роторов атомных и тепловых электростанций, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку и дифференцированное охлаждение участков изделий с разным сечением регулируемым расходом распыления воды в зависимости от объема металла и площади их поверхности: охлаждение торцевых и цилиндрических поверхностей дисковой части производят распыленной водой с удельным расходом 14-20 м32·ч, а цилиндрической поверхности хвостовой части - расходом 2,5 -9 м32·ч [2]
Известный способ не может быть применен для охлаждения изделий массой более 60 т, так как при указанных в нем расходах охладителя он будет экономически нереализуем из-за чрезмерных затрат воды и электроэнергии. Например, для закалки ротора генератора мощностью 1200 МВт массой 100 т потребуется расход воды более 2000 м3/ч.
Предлагается способ закалки массивных изделий сложной конфигурации, преимущественно роторов атомных или тепловых электростанций, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку и дифференцированное охлаждение участков с разным сечением регулируемым расходом распыленной воды с заданным коэффициентом теплоотдачи на поверхности, отличающийся тем, что охлаждение каждого участка изделия ведут сначала с коэффициентом теплоотдачи на поверхности α 900-1200 Вт/м2·К до достижения на поверхности изделия температуры 5-99oC, затем с коэффициентом теплоотдачи на поверхности a=450-600 Вт/м2 ·К до достижения каждым участком теплосодержания, равного его теплосодержанию при нагреве до температуры
tTБк- (TБк-100),
где TБк температура конца бейнитного превращения аустанита в стали, oC
а окончательное охлаждение изделия проводят на воздухе.
Предлагаемый способ позволяет максимально использовать охлаждающую среду при минимальном ее расходе с ограничением продолжительности охлаждения каждого участка изделия, что дает возможность получить максимальный уровень прочностных и пластических свойств, повышение сопротивления хрупкому разрушению и вязкость и удовлетворительные значения величин конечных напряжений при минимальных трудо- и энергозатратах в экологически чистых условиях, так как ускоренное охлаждение изделия на первой стадии в максимально короткие сроки предотвращает попадание в атмосферу пара, образующегося на закаливаемой поверхности.
Интенсивное охлаждение каждого участка изделия с усредненным коэффициентом теплоотдачи на поверхности a=900-1200 Вт/м2·К обеспечивает достижение на его поверхности в течение короткого времени (5-30 мин) температуры 5-99oC.
Резкий перепад температур от температуры закалки до 5-99oC обеспечивает получение заданных свойств изделия. Охлаждение поверхности каждого участка ниже 5oC затруднено чисто технически, а охлаждение выше 99oC не позволит сделать процесс экологически чистым из-за образования пара.
Последующий переход на охлаждение с a 450-600 Вт/м2·К, практически не отражаясь на скоростях охлаждения участков изделия с разным сечением (температура поверхности каждого из них не превышает 99oC), позволяет значительно снизить расход охладителя.
Охлаждение с указанными выше значениями a ведут до достижения каждым участком изделия теплосодержания, равного его теплосодержанию при нагреве до t TБк -(TБк-100),
где TБк температура конца бейнитного превращения в стали, oC. Это дает возможность гарантированно охлаждать каждый участок изделия до температуры ниже температуры конца бейнитного превращения аустенита в стали и тем самым обеспечить высокий уровень свойств изделия.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Предварительно рассчитывают на ЭВМ температурные и тепловые поля, а также структурные и напряженные состояния каждого участка закаливаемого изделия.
Для участков цилиндрической формы, у которых длина в 2,5-3 раза превышает диаметр, расчет проведен в одномерной постановке методом конечных элементов.
При расчете напряженного состояния использована теория пластического течения Праидтля-Рейсса.
Решение тепловой задачи произведено на основе конечноэлементой дискретизации уравнения теплопроводности при граничном условии 3-го рода (при заданном коэффициенте теплоотдачи).
В ходе проведенных работ установлена эмпирическая зависимость
a45 (1-S)+245·S·P, (1)
где a усредненный коэффициент теплоотдачи на поверхности, Вт/м2·К;
S относительная площадь омываемой охлаждаемой поверхности,
P удельная плотность водяного потока, м32·ч.
Закалку проводят на горизонтальной спрейерной установке, которую предварительно настраивают: холодную заготовку ротора устанавливают на ней в рабочее положение и размещают гребенки с форсунками таким образом, чтобы проводить охлаждение каждого участка (бочки, шейки) автономно. Затем проверяют путем пуска охладителя работоспособность установки.
Изделие снимают с установки и загружают в печь с выкатным подом для нагрева под закалку. После выхода изделия на температуру аустенизации и соответствующей выдержки при этой температуре изделие с помощью цепей или специального захвата снимают с выкатного пода, размещают на горизонтальной спрейерной установке в соответствии с предварительной настройкой и включают механизм вращения ротора вокруг его оси и подачу распыленной воды. Как правило, вся операция с момента подъема дверцы печи до начала охлаждения не превышает 30 мин.
Охлаждение всех участков ротора ведут интенсивно с a 900-1200 Вт/м2·К до достижения на поверхности каждого участка температуры 5-99oC, после чего каждый участок отдельно начинают охлаждать с a 450-600 Вт/м2·К.
После истечения времени полного охлаждения каждого из участков (продолжительность этапов охлаждения определяют на ЭВМ) на них перерастают подавать охладитель.
По приросту температуры (ΔT) на поверхности каждого участка через 0,25 ч после прекращения подачи охладителя по специально построенным номограммам определяют величину теплосодержания. Если теплосодержание не превышает требуемой величины, охлаждение заканчивают. Если теплосодержание выше требуемого значения, то продолжают охлаждать распыленной водой в течение времени, равного 10% от общего времени охлаждения данного участка.
По завершении охлаждения изделие снимают с спрейерной установки и устанавливают на выдвинутой подине для последующей загрузки в печь для проведения отпуска.
Пример. По предлагаемому способу проводили закалку ротора генератора мощностью 1200 МВт массой 100 т, изготовленного из стали 36ХНЗМФА.
Ротор состоит из бочки диаметром 1300 мм и длиной 8320 мм, две большие симметричные шейки диаметром 900 мм и длиной 1250 мм и две малые шейки диаметром 700 мм и длиной 2000 мм.
Температура нагрева под закалку 880oC.
Температура конца бейнитного превращения аустенита в стали 36ХНЗМФА, определенная на основании термокинетической диаграммы 280oC.
На основании проведенных расчетов тепловой баланс, обеспечивающий достижение температуры конца бейнитного распада аустенита по сечению участков ротора, имеет место при температуре в центре 600oC, а в центре шеек 550 и 530oC соответственно при коэффициенте теплоотдачи на поверхности α1200 Вт/м2·К.
Величины удельной плотности водяного потока P и относительной площади омываемой охлаждаемой поверхности S были подобраны в процессе настройки горизонтальной спрейерной установки и для a 1200 Вт/м2·К составили
S 0,8; P= 6 м32 (см. формулу 1).
Продолжительность охлаждения поверхностей бочки и шеек определяли по ранее построенным номограммам, они равны 0,8 ч для бочки и шеек 0,6 ч (d 900 мм) и 0,55 ч (d 700 мм).
По истечении указанных периодов замеряли температуру на поверхности каждого из участков. Она составила 80oC (d 700 мм), 85oC (d=900 мм) и 95 oC для бочки ротора.
Далее охлаждение вели с a 597 Вт/м2·К в течение времени, также определенного по номограммам: для бочки 4,5 ч, для шеек 2,5 ч (d 900 мм) и 1 ч (d 700 мм); S 0,8; P 3 м32.
По истечении указанного времени на каждом из участков прекращали подачу охладителя и замеряли прирост DT на поверхности каждого участка за время 0,25 ч, равный для бочки ΔT = 60°C для шеек ΔT = 100°C ( d 900 мм), ΔT = 140°C (d 700 мм).
После этого по номограммам определяли температуру центра каждого участка. Она составила: для бочки tц= 500oC; для шеек tц 500oC (d 900 мм) и tц= 500oC (d=700 мм), что ниже приведенных выше расчетных данных и соответствует достижению каждым участком ротора теплосодержания, определяемого по зависимости tТБк- (ТБк- 100), окончательное охлаждение ведут на воздухе.
В результате проведенной термообработки были получены следующие свойства (см. табл.1 и 2).
Максимальные текущие напряжения 1150 МПа и максимальные конечные напряжения 796 МПа.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить при оптимальных трудо- и энергозатратах в экологически чистых условиях высокий уровень механических свойств и удовлетворительные величины конечных напряжений изделий сложной конфигурации с диаметром ≥ 1300 мм и массой ≥ 100 т.
Формула изобретения: Способ закалки массивных изделий сложной конфигурации, преимущественно роторов атомных и тепловых электростанций, включающий нагрев до температуры аустенитизации, выдержку и дифференцированное охлаждение участков с разным сечением регулируемым расходом распыленной воды с заданным коэффициентом теплоотдачи на поверхности, отличающийся тем, что охлаждение каждого участка изделия ведут сначала с коэффициентом теплоотдачи на поверхности Α 900 - 1200 Вт/м2 · К до достижения на поверхности изделия температуры 5 - 99oС, затем с коэффициентом теплоотдачи на поверхности A 450 600 Вт/м2 · К до достижения каждым участком теплосодержания, равного его теплосодержанию, при нагреве до температуры
t TБк (TБк 100),
где TБк температура конца бейнитного превращения, oС,
а окончательное охлаждение изделия проводят на воздухе.