一种金属锻件冷却搅拌强度调节方法及系统与流程

本发明属于金属热处理，具体涉及一种金属锻件冷却搅拌强度调节方法及系统。

背景技术：

1、大直径饼状锻件（如核电汽轮机低压转子轮盘、大型法兰、压力容器封头等）在调质热处理过程中，淬火冷却环节直接决定其最终的组织状态和力学性能。工业现场通常将饼状锻件水平放置于垫铁上，经加热炉加热至奥氏体化温度后，整体吊装入淬火槽中进行冷却。为加速冷却、提高淬透性，淬火槽内普遍配置有搅拌装置，通过螺旋桨或底部喷嘴产生循环流场，强化淬火介质与锻件表面的对流换热。

2、然而，现有淬火搅拌系统存在以下技术缺陷：

3、第一，现有搅拌装置产生的流场以周向环流和垂直向下流动为主。对于水平放置的大直径饼状锻件，冷却液流在锻件上端面（朝上的一面）芯部区域难以形成有效的垂直向下冲击分量。具体而言，螺旋桨搅拌器安装于槽壁或槽底，其产生的循环流在到达锻件上表面后主要沿水平方向分流，上端面芯部区域的垂直方向流速分量趋近于零，形成明显的淬火冷却盲区。该盲区冷速远低于下端面和外圆周面，导致上端面芯部硬度不足、组织不达标。

4、第二，现有技术普遍采用全槽统一的搅拌强度，无法针对锻件上端面芯部这一特定盲区进行局部强化。若简单提高整体搅拌强度，虽然能在一定程度上改善盲区冷却，但会同时加剧下端面的过度冷却，使下端面冷速过快、组织应力增大，反而诱发淬火开裂。

5、第三，现有搅拌强度调节多依赖固定时间程序（如前30秒强搅拌、后60秒弱搅拌），未考虑锻件在淬火不同阶段（膜沸腾、核沸腾、对流冷却）对搅拌强度的差异化需求。在膜沸腾阶段，锻件表面被蒸汽膜包裹，需要较强搅拌以加速蒸汽膜破裂；在核沸腾阶段，过强搅拌反而导致局部冷速过快；在对流冷却阶段，仅需温和循环即可完成组织转变。固定程序无法与锻件表面物理状态同步匹配。

6、第四，对于多批次连续淬火场景，随着淬火介质温度累积升高，其冷却性能持续衰减，而现有系统搅拌强度保持不变，导致后批次锻件实际冷却效果逐批劣化，质量一致性差。

7、综上所述，现有淬火搅拌技术无法有效解决大直径饼状锻件上端面芯部冷却盲区问题，亟需一种能够精准定向覆盖盲区、兼顾整体循环、按淬火阶段动态调节的冷却搅拌强度调节方法及系统。。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种金属锻件冷却搅拌强度调节方法及系统，通过底部中心定向喷射与侧向辅助搅拌的协同配合，以及按淬火阶段动态调节的时序控制策略，精准消除锻件上端面芯部冷却盲区，同时避免其他区域过度冷却，实现锻件整体冷却均匀性提升和淬火质量稳定。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种金属锻件冷却搅拌强度调节方法，所述方法应用于水平放置于淬火槽内垫铁上进行淬火冷却的大直径饼状锻件；所述淬火槽底部中心位置设置有可升降、可水平旋转的定向喷射搅拌机构，所述定向喷射搅拌机构的喷射口角度电动可调；所述淬火槽侧壁布置有侧向辅助搅拌器。

4、所述方法包括以下步骤：

5、步骤s1，在锻件入槽淬火前，获取锻件的几何参数，包括锻件外径、厚度以及材质信息；根据所述几何参数计算锻件上端面芯部区域的空间坐标位置，所述上端面芯部区域为以锻件上端面中心为圆心的圆形区域。

6、步骤s2，根据所述锻件上端面芯部区域的空间坐标位置，控制所述定向喷射搅拌机构上升或下降至目标高度，并水平旋转至目标方位角，使喷射口对准所述上端面芯部区域的中心；调节喷射口角度，使喷射出的冷却液流斜向冲击锻件上端面芯部区域，在所述上端面芯部区域形成垂直方向流速分量。

7、步骤s3，在所述定向喷射搅拌机构运行的同时，启动所述侧向辅助搅拌器，所述侧向辅助搅拌器以低于定向喷射搅拌强度的辅助强度运行，维持淬火槽内整体循环流动，防止定向喷射流引起的局部紊流对锻件其他区域冷却的干扰。

8、步骤s4，按淬火冷却时序对定向喷射搅拌强度和侧向辅助搅拌强度进行三阶段动态调节：淬火初始阶段（膜沸腾阶段），锻件表面温度高于介质沸点，表面被蒸汽膜包裹，热交换阻力大，定向喷射搅拌以第一强度运行，利用高速定向射流的冲击剪切作用快速打破上端面芯部区域的蒸汽膜，使该区域尽早进入高效核沸腾阶段；淬火中期阶段（核沸腾阶段），锻件表面温度降至介质沸点以下，定向喷射搅拌切换至低于第一强度的第二强度，以维持核沸腾阶段的均匀冷却，避免因搅拌过强导致局部冷速过快而产生组织应力；淬火后期阶段（对流冷却阶段），对流换热占主导，定向喷射搅拌切换至低于第二强度的第三强度，以温和循环完成剩余的组织转变，重点在于减少热应力和组织应力，防止变形和开裂。

9、进一步的，所述定向喷射搅拌机构包括：升降立柱、水平回转台、喷射臂、变频水泵和角度调节电机；所述升降立柱固定于淬火槽底部中心，所述水平回转台安装于升降立柱顶端，所述喷射臂水平安装于水平回转台上，喷射臂末端安装有喷射口；所述角度调节电机驱动喷射口绕水平轴旋转，实现喷射口角度在0°~90°范围内的电动调节；所述变频水泵通过耐高压软管与喷射臂连通，流量在5~120m³/h范围内连续可调。

10、进一步的，所述步骤s1中锻件几何参数的获取方式包括：通过三维激光扫描仪在锻件入槽前对锻件进行非接触式扫描，获取锻件外轮廓点云数据，经拟合计算得到锻件外径和厚度；或者从锻造工艺卡中直接读取锻件设计尺寸参数。所述上端面芯部区域的半径，其中d为锻件外径；所述空间坐标以淬火槽底部中心为原点建立柱坐标系，锻件上端面芯部中心坐标为（0，0，），其中，h为锻件厚度，为垫铁高度。

11、进一步的，所述步骤s2中，喷射口水平偏移量e为喷射口在水平面上的投影与淬火槽底部中心的距离，满足；喷射口与锻件下端面的垂直间隙g满足；定向喷射搅拌机构的目标高度；目标方位角使喷射口水平投影方向指向锻件上端面芯部中心。

12、进一步的，所述步骤s2中喷射口角度θ为喷射方向与水平面的夹角，满足，其中下限角度，保证喷射流不直接冲击锻件侧面；上限角度，保证喷射流覆盖上端面芯部区域外缘。所述垂直方向流速分量，其中喷射口出口流速，q为变频水泵流量，a为喷射口截面积；所述垂直方向流速分量在锻件上端面芯部区域中心处不低于0.3m/s。

13、进一步的，所述步骤s3中，侧向辅助搅拌强度以螺旋桨搅拌器电机总功率表征，定向喷射搅拌强度以变频水泵电机功率表征，二者满足比例关系，比例系数λ根据锻件外径d与淬火槽内径的比值在0.25~0.45范围内选取：当时，λ=0.25；当时，λ=0.35；当时，λ=0.45。该比例关系确保侧向辅助搅拌足以维持整体循环，又不会削弱定向喷射在盲区的局部强化效果。

14、进一步的，所述步骤s4中，第二强度，第三强度；淬火初始阶段持续时间的理论值按确定，工程上在15~30s范围内取值；淬火中期阶段持续时间，由锻件材质、厚度和介质参数查表获得；淬火后期阶段在锻件表面温度低于介质温度以上20℃时切入，并持续至锻件表面温度低于介质温度以上10℃。

15、进一步的，所述方法还包括步骤s5：在淬火冷却过程中，通过布置于锻件上端面芯部区域正上方的非接触式红外测温阵列实时监测上端面芯部区域的表面温度，并与锻件下端面对应位置的温度进行比较；当温差超过预设阈值时，自动提高定向喷射搅拌强度，直至温差降至阈值以下，实现基于实测温度反馈的闭环调节；所述预设阈值根据锻件材质在50℃~150℃范围内设定。

16、进一步的，所述喷射口为安装于喷射臂末端的扇形喷嘴，扇形扩散角为30°~60°，扇形平面与水平回转台的回转平面垂直；扇形喷嘴的喷射覆盖区域在锻件上端面的投影为椭圆形，长轴沿锻件径向方向，短轴沿锻件周向方向，长轴长度不小于锻件上端面芯部区域直径的1.2倍。

17、第二方面，基于同一发明构思，本发明提供一种金属锻件冷却搅拌强度调节系统，用于执行第一方面所述的方法，所述系统包括：定向喷射搅拌机构、侧向辅助搅拌器、锻件参数识别模块、喷射控制模块、搅拌协同模块以及冷却监测模块。所述定向喷射搅拌机构安装于淬火槽底部中心，包括升降立柱、水平回转台、喷射臂、变频水泵和角度调节电机，用于向锻件上端面芯部区域喷射定向冷却液流；所述侧向辅助搅拌器包括至少两组对称布置于淬火槽侧壁的螺旋桨搅拌器，用于维持淬火槽内整体循环流动；所述锻件参数识别模块用于在锻件入槽淬火前获取锻件的几何参数，并计算锻件上端面芯部区域的空间坐标位置；所述喷射控制模块与所述定向喷射搅拌机构连接，用于根据所述空间坐标位置控制定向喷射搅拌机构的升降高度、水平方位角和喷射口角度，并调节变频水泵的流量；所述搅拌协同模块与所述定向喷射搅拌机构和侧向辅助搅拌器连接，用于按淬火冷却时序对定向喷射搅拌强度和侧向辅助搅拌强度进行三阶段动态调节；所述冷却监测模块包括布置于锻件上端面芯部区域正上方的非接触式红外测温阵列，用于实时监测上端面芯部区域的表面温度，并将温度信号反馈至所述喷射控制模块，实现闭环调节。

18、本发明与现有技术相比，其有益效果是：

19、本发明通过可升降、可旋转、喷射角度可调的定向喷射搅拌机构，将冷却液流精准定向输送至锻件上端面芯部冷却盲区，形成有效的垂直方向流速分量，从根本上消除盲区；侧向辅助搅拌以按比例协调的较低强度维持整体循环，避免局部紊流干扰和过度冷却；三阶段动态调节使搅拌强度与锻件表面所处的膜沸腾、核沸腾、对流冷却物理状态同步匹配；基于红外测温的闭环反馈进一步保证了多批次连续淬火的质量一致性，显著提升了大直径饼状锻件淬火硬度的均匀性和组织稳定性。