感应淬火电磁-热耦合场的有限元分析

从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了轴对称感应加热工件的电磁场、感生涡流和温度场分布的基本方程;并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了二维有限元分析模型,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对实际的工件感应淬火过程进行了仿真.计算中考虑了工件材料物理参数随温度变化对加热过程的影响.仿真结果形象地描述了感应加热中明显的邻近效应和集肤效应,试验工件的电流透入深度大约为3 mm.仿真温度分布曲线与试验曲线相吻合,说明仿真模型的准确性,为进一步研究感应淬火热处理加工过程提供了很好的依据.     

三维点式感应淬火电磁热耦合场数值模拟

针对45钢三维点式感应淬火工艺进行参数设计,建立点式感应淬火过程的电磁场及温度场的非线性偏微分方程组,在有限元软件ANSYS中使用耦合场分析的方法实现了对加热功率为36 kW,电流频率为50 kHz的感应热处理工艺的数值模拟.结果表明,在综合考虑表面组织完全奥氏体化及感应加热效率的情况下,该工艺的最佳加热时间约为2 s.通过模拟分别得到使用冷却水和冷却油作为冷却介质时的感应淬火过程中的温度变化规律,结合45钢的连续冷却转变曲线,以马氏体转变临界冷却速度为判断依据,对淬火后工件表面组织进行预测,结果表明两种淬火条件均可以实现表面组织马氏体转变,实现工件的表面强化,且淬硬深度均约为1.0 mm.     

高频感应加热设备的选用与热处理工艺的制订

高频感应加热设备的选择和热处理工艺的制订主要是根据工件的种类，大小、形状以及硬化层深度等热处理技术要求来选定电流频率、比功率、加热方法、加热功率、加热时间或连续淬火移动速度、冷却介质及冷却参数和回火参数等。     

移动式平板感应加热磁热耦合的数值模拟

以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了板型工件有限元分析模型,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对实际的工件感应淬火过程进行仿真。仿真过程中考虑了工件物理性能参数随温度变化的情况,从温升、功率等多方面对计算结果进行了分析和验证,证明了该耦合计算方法对于指导板型移动式感应加热过程有一定的指导意义。     

45钢光轴连续感应淬火过程的数值模拟

建立45钢无限长轴对称工件连续感应淬火过程的二维物理模型,并进行温度场的数值模拟。根据连续感应淬火过程中温度场的分布给出了判断淬硬层深度的依据,并结合Maynier组织预测模型与硬度公式计算出工件不同深度处的硬度值进行验证。结果表明,可根据工件感应加热区域进入喷水冷却时刻的径向温度分布曲线来预测连续感应淬火最终淬硬层深度。根据这一结论,可以用所建立的有限元模型对连续感应淬火工件淬硬层深度进行预测。     

2Cr13钢异形模锻件淬火裂纹分析及热处理工艺优化

为解决一种2Cr13钢异形模锻件淬火回火后批次性表面开裂的问题,从复查工艺过程入手,通过计算机模拟工件淬火过程中表面应力状态变化,观察开裂工件显微组织及裂纹形貌,分析工件淬火开裂原因,并通过热处理试验验证了淬火制度对工件表层组织以及力学性能的影响。结果表明,2Cr13钢异形模锻件淬火后出现表面裂纹与锻件形状、淬火加热方式以及淬火温度有关,可通过增加锻件过渡区余量、采用到温入炉以及较低的淬火加热温度的方式降低淬火开裂风险。采用1000 ℃淬火,到温入炉作为产品优化后的热处理制度。     

精轧螺纹钢筋感应淬火变形控制

分析了连续感应调质工艺对大直径精轧螺纹钢筋性能的影响,并对其在热处理工艺过程中产生弯曲变形的问题进行了研究,提出了在保证获得高强或超高强度的同时减小淬火变形的方法和措施.通过试验测得不同流量和喷水角度下的温度变化曲线,应用反传热法对表面传热系数进行了计算.使用有限元方法模拟感应加热和淬火过程,得到工件变形与换热条件的关系,进而选定合理的喷淬压力、流量和分布状态.结果表明,通过调整淬火设备喷头的合理喷淬压力和流量,可以在保证获得高强度的同时减小精轧螺纹钢筋的变形量,并在生产实践中取得了很好的应用.     

台阶轴连续感应淬火组织硬度分布预测及其工艺优化

建立了S45C钢台阶轴连续感应淬火过程的分区模拟模型,加载相应的物性和工艺参数,采用感应加热结束时刻轴径向温度分布、Maynier模型、Carsi修正模型和钢CCT曲线拟合预测其淬硬层深度分布,通过联动分析各方法的模拟结果优化了连续感应淬火工艺参数。结果表明,感应淬硬层中关键点b的100%、50%和0%马氏体的模拟深度分别为1.31、1.49和2.97 mm,误差分别为-12.67%、-13.87%和-1.00%,关键点e分别为1.44、2.02、2.54 mm,误差分别为-4.00%、-3.38%和-18.06%,与试验结果较吻合。通过感应淬火工艺参数改变和物理模型调整等探讨了零件各点处的轴径淬硬层变化,给出拟优化的感应淬火工艺参数。初步探讨了换热系数h变化对感应淬硬层的影响。     

横向磁通连续感应加热过程中带材涡流场和温度场的仿真分析

基于新型磁-热耦合仿真计算方法,在考虑带材材料物性参数随温度变化的前提下,以45钢带材为例对横向磁通连续感应加热过程中带材表面涡流和温度的分布情况进行了模拟和计算,并与不考虑材料物性参数随温度变化及15MnV钢带材在相同条件下连续感应加热这两种情况进行了对比。结果表明:带材材料物性参数随温度产生的变化对感应加热结果影响较大,且45钢和15MnV钢计算得到的感应加热工艺参数存在较大差异。      

无缝钢管淬火感应加热过程的数值模拟

利用中频电流的钢管感应加热工艺具有感应加热时间短,温度控制精确,环境友好等优点,已经广泛应用到钢管的淬火、弯曲等方面。针对某一典型品种无缝钢管淬火感应加热过程,特别是不同加热段采用不同频率下,进行数值模拟,获得钢管在整个加热过程中温度场的变化过程。利用该模型可以对感应加热过程参数进行优化,从而对无缝钢管淬火感应加热工艺的制定提供参考依据。     

双回路线圈连续移动感应加热的数值分析

采用有限元数值计算方法,以带导磁体的双回路线圈为热源,建立电磁场与温度场双向耦合的连续移动感应加热模型,研究模具整形面和刃口在双回路线圈感应加热时的温度分布。结果表明,使用双回路线圈连续移动感应淬火可以得到稳定的模具淬火温度;模具整形面淬火时,集肤深度内热量主要来自感应涡流产生的焦耳热,温升曲线表现为带预热的双峰曲线,集肤深度外热量主要来自高温区的热传导,温升曲线表现为单峰曲线;模具刃口淬火时,有比较明显的尖角效应,温升曲线表现为单峰曲线。     

Temperature field analysis of main steam pipe under local post weld heat treatment

In local post weld heat treatment, the temperature difference is the criterion of the process. The temperature field in the main stream pipe under heal post weld heat treatment is simulated by finite element method. A close-loop control program-is designed to simulate the temperature field of two different pipes. Both the skin effect of induction heating and electro-thermal coupled effect are considered in the heating model. The local heat treatment temperature difference at the inner and outer side of the pipe is analyzed and the different convection conditions are also considered. The simulation results show that in appropriate induction heating process, the temperature difference in the pipe can be controlled within 30 ℃.     

基于ANSYS的连铸坯感应加热温度场数值模拟

应用感应加热理论,建立了电磁场与温度场耦合的有限元数学模型,利用大型通用有限元分析软件ANSYS对钢坯的感应加热过程进行了模拟分析,得到了随时间变化的工件温度分布图,并分析了感应加热整个温升过程的特点与影响因素,结果表明,通过调整加热装置的频率、激励电流等工艺参数,可以达到铸坯均温的目的。     

有色金属轧机工作辊感应淬火过程数值模拟分析

对有色金属轧机工作辊感应淬火过程进行了数值模拟分析,通过模型简化,将复杂感应淬火过程转化为普通热交换过程。研究了不同加热层深度及线圈移动速率对工作辊淬火层深度、温度场、淬火后组织的影响,对大型有色金属轧机工作辊感应淬火过程参数设定具有指导意义。     

FEM modeling of induction hardening processes in steel

A modeling system for analyzing the integrated induction hardening processes was developed based on a general-purpose finite element program, with the capability to analyze the whole process from electromagnetic-induced thermal heating to final hardening. A coupled electromagnetic-thermal model was applied to study the induction heating process, which includes consideration of nonlinear material characteristics on temperature. Also, arrangement of AC current density distribution was conducted to simulate practical induction coil structure and magnetic concentrator effects to achieve desired heating patterns for later quenching and hardening analysis. Quenching analysis can provide cooling curve at any location in a heat-treated workpiece based on heat transfer principles. In hardening analysis, phase transformation was studied and an algorithm was developed to determine volumetric content of micro-structural constituents formed from austenitized phase in quenching process, based on analysis of the interaction between cooling curve and material time-temperature-transformation (TTT) diagram. Finally, hardness value was converted from martensite content based on a developed formulation. Validation was preliminary conducted based on comparison of hardening pattern of induction hardening of an automotive spindle with complex surface.     

连铸中间包通道式电磁感应加热数值模拟

中间包作为连铸的中间环节,起着承上启下的作用。如何控制中间包浇铸钢水温度是连铸生产的关键环节。运用有限元软件ANSYS对通道式中间包感应加热进行模拟计算分析,通过控制中间包的钢水出口流速计算得到钢水通过通道的时间,从而得到中间包钢水的温升速度,有效地补偿了钢水散热造成的温降,保证钢水具有合适的浇铸温度。通过参考文献间接验证了此模拟过程的有效性。     

热处理专用有限元求解器的开发

热处理专用有限元求解器是实现热处理工艺模拟计算的核心技术,国外商业软件公司长期占据领先地位。介绍了自主开发热处理专用有限元求解器MetalX的基本物理场数学模型、功能特点及其算法流程。应用该求解器进行了18CrNiMo7-6钢试样的渗碳过程模拟计算,并与主流商业有限元软件MSC.Marc的模拟结果进行了对比分析。结果表明:该求解器能够实现热-相变-扩散-结构四场耦合非线性分析,并能实现加热、渗碳、淬火全过程中零件温度、组织、碳浓度分布、变形与残余应力的预测,具有与主流商业有限元软件相近的计算精度。     

大棒材在线淬火-感应回火过程数值模拟

大棒材在线淬火-感应回火是棒材生产中的先进工艺。本文根据产量120 t/h的需要,利用有限元软件MSC.Marc对不同规格(50 mm以上)的42CrMo棒材在线淬火-感应回火过程的温度场进行了模拟。通过对比回火温度均匀性,确定了感应线圈的布置形式;根据回火温度,确定了感应加热棒材的行进速度,进而获取了回火工艺关键参数。同时,计算了不同规格42CrMo棒材在线淬火-感应回火的均匀化温度、均匀化时间及单条生产线产量,为大棒材在线淬火-回火线的建设提供了参考。