转子喷水淬火冷却工艺参数的确定

时间：2023-10-12 百科知识版权反馈

【摘要】：随深度增大，喷水强度的变化对冷速的影响减弱。随着直径增大，冷却强度对心部冷速的影响减弱，同时，达到极限冷速的冷却强度降低。从图5－21可知，对于轴身直径为1140mm的300MW发电机转子，控制喷水量和水压，使换热系数达到1500时，锻件心部冷速可达到极限值。

一、300MW转子喷水淬火冷却工艺参数的确定

转子锻件心部材料的脆性转变温度(FATT)是考核质量的重要指标，这就要求采用激冷淬火工艺，使其心部有较高的冷却速度，充分发挥出材料的潜力，对于25Cr3NiMoV钢的发电机转子及汽轮机低压转子，目前广为采用的是喷水淬火工艺。此工艺不仅可以通过局部喷嘴调节，使锻件各部冷却均匀，并能通过控制，实行分段冷却，它既可达到甚至超过淬水的冷却能力，又可进行调节、控制。喷水工艺主要包括三个内容:喷水强度(水压，流量)、喷水时间和冷却温度的控制。这里用数值模拟计算方法，以300MW发电机转子为例，对喷水淬火工艺进行分析。

1．喷水强度

喷水强度是水流密度和水流压力的反映，具体表现为换热系数的变化。这里，为简便起见，即以换热系数［W/(m²·℃)］来表示喷水强度。从喷水冷却过程换热系数的实测值来看，在整个喷水过程，近90%的时间内，换热系数处于稳定状态，取此值(2600)进行喷水冷却过程的温度场模拟计算，计算值与实测值在不同深度的测点均吻合良好(图5－19)。

图5－19　φ930mm转子锻件(25CrNi3MoV钢)喷水冷却过程不同深度的温度变化点深度1．R 2．4R/5 3．R/2 4．R/5

为此，设定换热系数在喷水冷却过程不随时间变化，通过改变换热系数来研究喷水强度的影响，图5－20是不同换热系数对300MW发电机转子轴身(φ1140mm)中段不同深度冷速的影响，这里冷速以800℃冷却到450℃的时间表示，时间长表明冷却慢，时间短表明冷却快。

从图中可以看到，喷水强度的变化，对表面冷速影响极大。随深度增大，喷水强度的变化对冷速的影响减弱。在转子心部，当换热系数从50增大到1500时，冷速明显增大，而继续增大到10000时，冷速几乎没有任何变化，说明冷速有一极限。

图5－20　换热系数对φ1140mm转子轴身中段截面不同深度冷速的影响

括号中数字为中心距(mm)

图5－21是喷水强度对不同直径的转子锻件心部冷速的影响。随着直径增大，冷却强度对心部冷速的影响减弱，同时，达到极限冷速的冷却强度降低。

从图5－21可知，对于轴身直径为1140mm的300MW发电机转子，控制喷水量和水压，使换热系数达到1500时，锻件心部冷速可达到极限值。加大喷水量或水压，虽可增大换热系数，却不能使心部冷速继续增大。同时，不同直径的锻件，使心部达到冷速极限值的换热系数不同，换热系数随直径增大而减小。

图5－21　换热系数对不同直径心部冷速的影响

虚线为不同直径达到极限冷速的换热系数值的连线

根据对喷水密度与换热系数间关系的研究结果，喷水密度在1.3kg/(m²·s)，即可使换热系数在2000以上，在实际生产中，考虑到各种意外因素，将喷水密度取2.0kg/(m²·s)，即7.2t/(m²·h)，足以保证300MW或更大功率发电机转子的心部冷速达到极限值，过大的喷水密度是不必要的。

2．喷水时间

喷水时间的选择取决于所要求的心部温度。转子锻件的心部温度必须冷至某一温度以下，才能使材料获得良好的综合机械性能，但温度太低，将增大淬裂危险。一般将冷却温度控制在200～300℃范围内，控制温度随截面尺寸增大而增高。

取换热系数为2000，计算不同直径冷却过程的心部温度变化，结果见图5－22，喷水时间即可根据截面尺寸由计算曲线查出。

图5－22　不同直径(mm)喷水冷却过程的心部温度变化—·—为不同直径深冷温度连线

3．喷水终止温度的控制

喷水淬火时，喷于工件表面上的水滴，带走工件表面的热量，使表面温度降低，形成温度梯度，使内部热量不断流向表面。一旦喷水停止，沿截面存在的温度梯度仍将使心部热量继续流向表面，而表面由于冷却介质的改变(从水到空气)，换热能力降低，流到表面的热量不能全部为冷却介质带走，从而使表面温度回升，直到整个截面重新处于一种新的平衡状态。

所以，喷水时间短，心部温度高，沿截面温度梯度大，表面温度回升程度也就大;喷水时间长，心部温度低，沿截面温度梯度小，表面温度回升程度也就小。显然，表面温度回升程度和心部温度有密切关系。

实际生产中影响冷却的因素很多，相同的喷水时间，工件心部温度未必相同。为了确保心部终冷温度，在生产中多规定停喷后指定时间内表面回升到的温度值，如有的工厂规定停喷后1h，表面温度不得超过80℃，为具体了解转子锻件停喷后表面回升温度与心部温度的关系，对300MW发电机转了，直径为1140mm的轴身进行喷水淬火及停喷后温度变化的模拟计算，不同喷水时间停喷后表面温度变化及停喷时、停喷后1h表面温度与心部温度的关系曲线示于图5－23和图5－24，从图中可以看到，表面温度回升程度和停喷时的心部温度密切相关，要求心部冷却温度越低，表面回升温度也应降低。