60号高速硬线轧制温度计算 毕业论文.doc

学 号：200506030227hebei polytechnic university毕业论文graduate thesis论文题目：60号高速硬线轧制温度计算学生姓名： 专业班级：05轧2 学 院：指导教师： 2009年06月15日河北理工大学本科生毕业论文课题申请表(由指导教师填写)学院：冶金与能源学院 2009年 03 月 10 日课题情况课题名称60号高速硬线轧制温度计算教师姓名贵永亮职称讲师学位博士课题来源a.教师科研 b.来自现场 c.自拟题目 d.其它（需注明）课题类别a.设计 b.论文设计时间2009.32009.6主要研究内容收集有关资料，对研究问题进行综述、设计试验方案。60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律。目标和要求论文要求得到60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律。按照研究内容完成论文。论文要求按照章节撰写，条理清楚，格式规范。缩写说明书至2000字，并翻译成英文。特色成果形式完成论文，得到60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律。成果价值为实际生产提供参考。系主任或专家审题意见负责人签章: 年 月 日学院审批意见院长签章: 年 月 日注：各学院可根据具体要求对课题申请表进行修改。河北理工大学本科生毕业论文任务书（由指导教师填写）学院冶金与能源学院学生姓名黄勇专业班级05轧设计（论文）题目60号高速硬线轧制温度计算主要研究目标针对唐钢的生产实际，对高速线材轧制过程中的温度进行模拟计算，要得到终轧温度对吐丝温度的影响规律。主要研究内容1. 收集有关资料，对研究问题进行综述、设计试验方案。2. 进行轧制过程的温度模拟计算，分析工艺制度对吐丝温度的影响规律。研究方法通过模拟计算和检测，得到60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律。说明书（论文）的要求论文要求得到60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律。按照研究内容完成论文。论文要求按照章节撰写，条理清楚，格式规范。缩写说明书至5000字，并翻译成英文。图纸要求主要参考文献1 王廷溥，金属塑性加工学轧制理论与工艺，北京：冶金工业出版社，2002.62 温景林，金属压力加工车间设计，北京：冶金工业出版社，1992.103 高速线材生产编写组，高速线材生产，北京：冶金工业出版社，1997.4计划进程36周在唐钢二钢轧和冷轧薄板厂实习，并且收据有关设计资料715周 进行资料查阅、试验和检测、分析。16周完成论文，准备答辩。起止时间自2009年3月10日至6月15日指导教师签字： 年 月 日系主任意见 签字： 年 月 日院长意见签章： 年 月 日注：任务书的具体内容可依据各系要求进行修正。另，学生所做毕业设计(论文)的工作的研究成果归河北理工大学所有，学生不能向第三方泄露有关成果内容和技术秘密。河北理工大学本科生毕业论文计划进程表（由学生填写）学院冶金与能源学院姓 名黄勇合作者题 目60号高速硬线轧制温度计算时 间工 作 内 容完 成 情 况36周唐钢高线车，冷轧薄板实习，收集现场数据，取样。良好715周进行资料查阅、试验和检测、分析良好16周完成论文，准备答辩良好本人完成部分说明书 万字论文 两 万字图纸 张， 折合1号图共 张说明书（论文）摘要汉译英共 2000 千字其他指导教师签字： 年 月 日 河北理工大学本科生毕业论文自评结论定性分析表基本情况在唐钢高速线材厂的生产实习,通过认真了解高速线材生产线的生产工艺过程,查阅大量相关资料,本文研究了高速线材轧制过程中温度场的控制，以及各个道次温度值，得到终轧温度对吐丝温度的影响规律。介绍了高速线材轧机的发展现状及冷却技术的新发展。主要成绩和经验通过本次论文,对线材生产线有了一定的认识,了解了生产工艺过程。对线材温度场的控制有了更深入的了解，在实验过程中既要慎重的考虑实际情况，又要大胆的改进创新，使理论和实际紧密的结合起来存在主要问题论文既需要原理方面的知识，又需要现场实验数据分析，系统性和整体性很强。体会最深的是力能参数的计算，经过多次向老师请教和不厌其烦的查阅资料，最终得以解决。本论文，需要很多的实验，得到相应的实验数据，由于现场条件限制，这实际做起来有困难。今后改进措施及建议本设计结合唐钢高速线材生产线，结合自己的实验结果，得到的各道次的温度曲线，得出的有些纯理论的计算和实际出入很大，有些是我们不可避免的，有些是我们改进后能收到明显实际效果的，这需要我们耐心去分析，细心去对比。河北理工大学本科生毕业论文成绩评分表之一（指导教师用表）学院： 冶金与能源学院 班级： 学生姓名： 1评价内容具 体 要 求分值评 分abcde调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能正确翻译外文资料；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。10109876实验方案设计与实验技能能正确设计实验方案，独立进行实验工作，如装置安装、调试、操作。202018161412分析与解决问题的能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。202018161412工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。202018161412论文（设计）质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。202018161412创 新工作中有创新意识； 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10109876总 分总分50%指导教师评语：指导教师签字： 年 月 日注：不同的专业对毕业设计（论文）有不同的侧重点，本表仅供参考，各专业可依据实际情况自行制定相应的指标体系。河北理工大学本科生毕业论文成绩评分表之二（评阅人用表）学院： 冶金与能源学院 班级： 学生姓名： 1评价内容具 体 要 求分值评 分abcde翻译资料综述材料查阅文献有一定广泛性；翻译外文资料质量较好；有综合归纳资料的能力和自己见解。1515131197论文（设计）质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。505045403530工作量、难度工作量饱满，难度较大。252523211917创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10109876总 分总分20%评阅人评语：评阅人签字： 年 月 日注：不同的专业对毕业设计（论文）有不同的侧重点，本表仅供参考，各专业可依据实际情况自行制定相应的指标体系。河北理工大学本科生毕业论文成绩评分表之三（答辩小组用表）学院： 冶金与能源学院 班级： 学生姓名： 1评价内容具 体 要 求分值评 分abcde报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。505045403530创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10109876答 辩回答问题有理论根据，基本概念清楚。主要问题回答准确、有深度。303027242118报告时间符合要求。10109876总 分总分30%答辩小组评语答辩小组组长签字： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任签章： 年 月 日指导教师成绩评阅人成绩答辩成绩毕业设计（论文）总成绩注：不同的专业对毕业设计（论文）有不同的侧重点，本表仅供参考，各专业可依据实际情况自行制定相应的指标体系。河北理工大学 毕业论文 摘要摘 要近年来，数值模拟仿真技术以其高效、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。随着计算机水平的进步和发展，国内外许多学者开始用数值模拟的方法对线材轧制的过程进行研究。文中对硬线的轧制和水冷的工艺过程进行了模拟，在现有模型的基础上进行了合理的修正，将vb编程语言与大型商用有限元软件ansys的功能相结合，编制出了计算硬线轧制和水冷过程温度变化情况的软件。软件中还包含在已知现场工艺设备条件和吐丝温度的情况下反算水冷工艺，给出水冷喷嘴流量、压力的数据的功能。进行了由预报软件对工艺进行指导的初步尝试。有限元模拟仿真技术己经被公认为是对材料变形过程、传热过程、产品质量和轧制力学参数等进行预测和开发新产品的一种非常有效的分析工具。它具有成木低、开发周期短并能超前再现许多用物理模拟或实验难以进行的加工过程的特点。论文以唐钢高线二车间的现场条件为依据，计算了二车间轧制和水冷全过程的温度变化情况。所计算出的数据与现场实测数据比较吻合。采用有限单元法求解了线材轧制过程中的温度场. 给出了轧件在圆- 椭圆孔型中温度场计算的处理方法,讨论了轧制功率对温度变化的影响。 得到了轧制过程中的温降曲线及横断面上温度分布的等值线. 模型计算结果与现场实测结果基本一致。关键词: 高速线材,有限单元法,温度场,孔型。abstractnumerical simulation technology，which is efficient and low cost,has been widely uesd in iron and industry recently years. with the developing and progressive of the computer, many researchers of domestic and broad have studied on the simulation of continuous rolling of steel wire.the rolling and water-cooling process of the high-carbon wire is simulated in the discourse,and the models are modified on the existing base.the author combine the vb language and the commerce finite element software ansys,and design the software of calculating the change status about temperature during rolling and water-cooling.this software contains the reverse calculation of water-cooling techniques when knowing the spot technical facility and the spin temperature,and offers the data of the nozzle placket degree.the primary attempt is done about instructing techniques by prediction software.finite element method have been regarded as the most efficient tools to analysis materials molding process and heat exchange and production quality, to predict the parameters of roller force and investigate new production.with the characteristic of low cost and short exploiture time, machining process which can not be done by physical simulation or experiments are described.based on the scene condition of the secondary workshop in high-speed line of tangshan steel company,the author calculates the temperature and microstructure during rolling and water-cooling.the calculation data and the spot measure data are inosculated considerably.temperature field of rolling process is worked out by fem. the method of caculating temperature field for circleellipse pass was given , and the influence of rolling power on temperature change is discussed. as a result , the temperature curve and isoline on cross section are gained.very good agreement was found between result and experimentlly measured wire surface temperature.keywords: high speed wire , fem , temperature field , pass44河北理工大学 毕业论文 目录目 录摘 要iabstractii引 言11文献综述21.1国内外线材轧制技术概况21.2线材轧制技术的发展现状31.3控制冷却51.3.1控制冷却的概念61.3.2控制轧制和控制冷却61.3.3控制冷却的方法和目的71.3.4控制冷却各阶段的作用81.4计算机模拟及性能预报91.4.1计算机模拟及性能预报的发展史91.4.2计算机模拟及性能预报的内容101.4.3计算机模拟及性能预报的目的112 轧制和水冷过程的温度变化模拟122.1轧制过程温度变化的计算122.1.1影响轧制过程中温度变化的因素122.1.2轧制过程温度变化计算的实现132.1.3预水冷段温度计算的处理172.2水冷过程温度场的计算182.2.1有限元方法简介182.2.2 ansys热分析简介192.2.3水冷段温度场计算的实现212.3水冷段工艺反算的处理263 ansys的模拟283.1 ansys 简介283.1.1 引言283.1.2 ansys 的发展283.1.3 ansys 的架构及典型分析过程293.1.4 ansys 建模的技巧313.2 ansys 在热分析领域的应用313.2.1 ansys 的瞬态传热分析313.2.2 温度场模拟的前处理323.2.3 求解及后处理工作333.3 模拟过程334 计算机模拟结果与现场测量结果344.1现场条件344.2计算结果及分析364.2.1计算结果36结 论38致 谢39参考文献40附 录 程序流程图42河北理工大学 毕业论文 引言引 言 论文的研究针对唐钢的生产实际，对高速线材轧制过程中的温度进行模拟计算，要得到终轧温度对吐丝温度的影响规律。通过借助于控轧控冷的理论，以vb编程和大型ansys有限元软件计算为手段，另一方面借助于vb和origin软件得到轧制线上从加热炉至吐丝机前的温降曲线，从而得到60号硬线的轧制温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律，是本研究课题的一项重要内容。硬线产品由于市场需求量大，产品附加值高，经济效益显著，因此该产品所占的比重越来越多，在一些工厂硬线产量超过了70%。但是硬线性能问题也是困扰国内高线企业经济效益的关键问题，主要是拉拔脆断问题表现突出，这也是国内重点工程的硬线市场被日本产品占领的原因所在。究其质量问题的原因不外乎是钢在冶炼过程存在的夹杂物超标、成分偏析问题，其中夹杂物问题尤为严重。但是，高线轧制过程的控轧和控冷工艺对高线质量的影响也至关重要。轧制和冷却过程中的最佳工艺参数的实施不仅可以使得高线的性能达到最优。而且可以使最终产品的组织形态与性能满足不同用户的不同要求。准确预报最终产品性能，并对之进行有效地控制是国内外钢材质量控制的一个难题，尽管有一定量板带钢性能预报的研究成果见诸于文献，但是对于棒线材，尤其是高速线材的研究报道，尚未达到使用的程度。轧制过程中金属内部的应力、应变与温度有着密切的关系,高速线材坯料从加热炉出来至吐丝机之前经过了多道次连续轧制,而温度是影响其变形抗力的主要因素之一,温度的计算直接关系到力能参数的计算精度. 另外,坯料温度的变化还与其内部微观组织结构的变化有着极为密切的关系,计算轧制过程的温度场和轧件温降过程也是金属组织性能预报中的一项基本任务. 因此研究轧制过程的温度场不仅具有理论意义,也具有十分明确的实用价值。河北理工大学 毕业论文1文献综述1.1国内外线材轧制技术概况第一台线材轧机问世于17世纪，是由锻坯成材的。比较正规的第一台横列式线材轧机建于1817 年，由于受冶金工业发展的限制，线材轧机发展缓慢，直到19世纪末仍以横列式轧机为主。尽管1862年英国曾建造过一台连续式轧机，由于盘重小、质量差，效率还不及多线横列式，这种轧机并没有得到发展。线材轧机的显著进步是在20世纪。由横列式、半连续式、连续式直到高速轧机的诞生，每一个新的机型，每一个新的生产工艺都使线材的轧制速度、轧制质量和盘重有所提高，更促进了速线材轧机突飞猛进的发展。高速线材轧机与其它先进技术一样是时代的产物，是冶金技术、电传电控技术、机械制造技术的综合产物1。20 世纪60年代加拿大投产了世界上第一台高速线材轧机，引起了世界各国的重视，随着对线材轧制技术的不断改造和开发，20世纪80年代已进入第五代，即v 型、高速、控制轧制阶段。20 世纪80年代对线材轧机提出了下列要求：(1) 增加卷重和改进线卷形状，以便适于高速拉拔，提高生产率；(2) 要求表面除鳞性能良好，改善机械性能，使其更加均匀，省去热处理工艺；(3) 缩小线材尺寸公差，提高产品表面质量；(4) 扩大产品规格；(5) 完善设备的可靠性和监控系统，避免故障，保证正常的操作性能。为适应上述要求，需要对轧制技术不断改进，以使轧机达到最大的利用率和显著提高产品产量，并生产出最优质的线材。在国外，美国钢与线材公司用最短的工期完成了凯霍加线材轧机的现代化改造，作为一个高质量线材生产厂已享有很高声誉。日本大同钢公司知多厂高速线材轧机改造后生产能力为100t/h，能满足0.02mm 的尺寸公差要求，改进了产品的公差，提高了产量。巴西圣保罗villares 设备公司为贝尔戈厂建造的世界上速度最高的线材轧机1990 年8 月投产，标称终轧速度达到120m/s，最高终轧速度为140m/s2 。随着改革开放和经济发展，国内已先后有马钢、上钢二厂、福州马尾、首钢和鞍钢等20 余个厂家引进和建设了高速线材轧机，并在引进的基础上进行消化、移植和改造，推动和加快线材生产的发展，改变了我国线材生产的落后面貌，为经济建设做出了贡献。1.2线材轧制技术的发展现状(1) 无扭精轧机组的发展趋势 现代高速线材轧机的无扭精轧机组随着终轧速度的提高不断暴露出很多问题，如上传动轴的标高距基础面远，稳定性差，机组振动及噪声大，影响轧制精度，终轧温度过高，线卷质量下降，事故发生率高。因此世界各国大公司都在研制新的机型。1984年摩根公司提供的100m/s高速线材无扭机组为v 型结构，日本大同公司、韩国溥项公司也改造为v型结构。新一代v 型机组在结构上作了重大改进，其优点是传动轴接近底面基础，机组重心下降，倾动力矩减少，增加了机组的稳定性，减少了噪音，机组重量较轻。(2) 降低加热与开轧温度 韩国、日本、巴西等国家至少有8套线材轧机已成功地应用了800950的开轧技术。其特点是：节约能源，虽然电耗增加，但总能耗降低；减少氧化铁皮，提高收得率；减少脱碳，改善产品表面质量；降低生产成本；为控制轧制创造条件。(3) 控制温度轧制目前，线材轧制中形变热处理的控温轧制的应用已日趋成熟。高速线材的控温轧制方法是在轧机机组前设水箱，在精轧机组内设水冷导卫，控制开轧、中轧和终轧温度。控温轧制的目标：改善机械性能；省去或简化轧后的热处理工序；在轧制线上调节可控的温度分布；获得更好的表面质量。控温轧制已是一种发展趋势。(4) 控制冷却技术 近年来，线材的冷却技术有了很大的进展，许多设想已付诸实施，各种工艺不断得到改进。摩根公司在高速线材斯太尔摩冷却线的风冷线有了很大的改进。瑞典莫加德沙马公司开发了新的冷却方法-亚声冷却，取得良好的效果，是一种有发展前景的方法。(5) 高精度轧制技术 包括：精轧机采用辊缝自动控制agc技术；高刚度机架；张力、活套控制，特别是直接测量微张力控制技术；高精度定径机实现精密轧制。现代线材轧制技术的特点：摩根v 型结构精轧机组可高精度轧制线材；低温加热、低温开轧技术是行之有效的工艺，能节约能源，降低生产成本；控制轧制温度，使之限定于一特定范围内，该技术已日趋成熟，具有提高产品性能，省略或简化热处理工序，改善表面质量等优点；在轧制线上采用快速更换机架、机械手和其它部件，使轧机达到最高的轧制效率及最短的停机时间；采用定径机使轧机可以生产各种等级、尺寸和形状的线材；利用轧后冷却系统，实现从快到慢各种速度的冷却；应用设备状态监控系统，预防故障和减少维修。为适应日益加剧的市场竞争，满足消费者对产品质量的更高要求，近年来美国钢与线材公司、日本大同钢公司、韩国浦项钢铁公司及巴西贝尔戈厂先后对线材轧机进行了改造，已取得显著效果，并在线材领域处于领先地位。我国线材轧后控制冷却工艺的实验研究工作是于上个世纪六十年代初期开始，并取得了一些初步效果。但由于各种原因在生产上没有得到使用和推广，一直到上个世纪八十年代初，线材的冷却技术还停留在轧后穿水冷却阶段。近十几年以来，随着轧制技术、设备的引进和线材性能要求的日益提高，研究线材轧后的冷却技术的工作得到长足的发展，使得线材的控制冷却技术在我国得到很大发展，科研院所和大专院校与线材生产厂合作，对控制冷却过程变形奥氏体的变化规律、控制冷却工艺最优化及后续钢的使用性能要求等方面进行了大量的实验研究工作，掌握了一定的模拟实验技术，并逐步在线材生产厂得到了推广与应用3。21世纪，线材生产将面临更加激烈的竞争。线材轧制技术是钢材成型的一项重要技术，对世界经济发展和社会文明起基础技术支持作用。21世纪轧制技术进步将集中于生产流程的连续化、紧凑化，过程控制将实现轧材的高品质化、品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化，即轧钢生产转向质量型和低成本型的轨道上，其相互关系见图1.1。轧机控制转向人工智能控制。轧机的控制已开始由计算机模型控制转向人工智能，并随着信息技术的发展，信息网络的建立，与系统科学、计算机技术相结合，形成通常大家所谓的工业信息化技术。计算力学与数值模拟相结合，大大改变了传统的轧制技术研究方法，刚塑性有限元法已成功地对各种轧制过程进行三维解析与模拟，有效地用于力能参数优化和产品质量的预报，以及工艺参数优化和轧机装备设计等。而且可判断变形过程是否可行和合理。计算机数值模拟已成功地代替了大部分轧制物理模拟，已由轧件尺寸预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。今后数值模拟和人工智能结合的分析与控制，将成为轧钢技术和理论的第四个里程碑。虚拟技术发展和应用，将可使轧制试验和轧机设计、工厂设计虚拟化，达到更加直观和可行。系统高新技术应用，计算机、人工智能信息技术、激光过程 广义控制轧制 控制冷却（发挥线材性能潜力）流程连续化、紧凑化(线材及其上下游工序)图1.1 线材轧制技术发展方向的3个方面的示意图fig.1.1 sketch map of three ways of wire rolling technology development线材轧制技术，在进入21世纪时，正因得到高新技术的改造而继续发展。线材的性能潜力将通过工艺过程控制优化而得到充分发挥。高新技术在线材生产过程的应用成为必然的发展途径46。1.3控制冷却在热轧生产中，生产出来的产品都必须从热轧后的高温红热状态冷却到常温状态。这一阶段的冷却过程将对产品的质量有着极其重要的影响。因此，如何进行材的轧后冷却，是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节之一。关于冷却轧钢，大量的强制水冷方法已经提出来了。其中，最合适的方法应该选择考虑合适的冷却效果和冷却温度变化范围7。对线材冷却的要求：（1）二次铁皮要少，以减少金属消耗和二次加工前的酸耗和酸洗时间；（2）冷却速度要适当，防止出现铁素体和贝氏体，以免降低钢材的二次加工性能；（3）要求得到索氏体组织，防止出现粗大铁素体和片状珠光体，以便取消二次加工前的铅浴淬火；（4）要求整根轧件性能均匀一致。1.3.1控制冷却的概念控制冷却在轧钢领域内属于控制轧制的范畴，它是指人们对热轧产品的冷却过程有目的地进行人为控制的一种方法。确切地说，所谓控制冷却，就是利用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制手段控制其冷却速度，从而获得所需要的组织和性能的冷却方法。几十年来，许多工程技术人员和理论工作者为此做了大量的工作，使得各种热轧产品的质量大大提高。直到目前为止，对控制冷却问题更深入的研究仍在继续进行。对线材控制冷却的研究工作开始于五十年代末六十年代初。当时，由于连续式线材轧机的不断完善和发展，轧制速度越来越高，盘重越来越大，由此带来的产品质量的一系列问题，促使人们对原来的自然冷却方法做出改进。到了六十年代中期，随着无扭线材轧机的问世，美国、加拿大、西德、日本等国都相继对线材轧后冷却问题开展了大量的试验研究，于是各种线材控制冷却方法也就应运而生。1.3.2控制轧制和控制冷却采用控制轧制和控制冷却工艺对钢材进行强化，较之于其他钢材强化工艺，具有节约合金、简化工序、减少能耗的特点。通过控制轧制温度、轧制速度、变形量、轧后冷却温度和冷却速度，对钢材进行形变强化和相变强化，既能提高钢材强度，又能改善钢材的塑性和韧性，对于低碳钢，还能保持良好的焊接性，是国内外广泛推广采用的一项先进轧钢工艺8。控制轧制和控制冷却法通过控制微合金化钢的变形温度、变形量和轧后钢材的冷却速度，可显著提高钢材的强度、韧性和焊接性。控轧和控冷工艺的特点（与普通热轧相比较）9：（1）控制钢坯加热温度根据钢材性能要求来确定钢坯加热温度。对于要求强度高而韧性稍低的低合金钢，加热温度可略高于1200；对于以韧性为主要指标的钢，其加热温度必须控制在1150以下。（2）轧制后几个道次的轧制温度一般要求终轧道次温度t终接近ar3温度，有时也将t终控制在（+）两相区内。（3）要求在奥氏体未再结晶区给予足够的变形量对于低合金钢要求在900950以下的总变形量大于50%；对于普碳钢通过多道次累积变形达到奥氏体发生再结晶的温度。（4）要控制轧后钢材的冷却速度提高快冷开始、终了及卷取时冷却速度，以便保证获得必要的显微组织。通常要求轧后第一冷却阶段冷速要大，第二阶段冷速根据钢材性能要求不同而不同。1.3.3控制冷却的方法和目的控制冷却的基本方法就是按照控制冷却的基本原理和工艺要求，首先将轧后的线材在导管内用水快冷到所要求的温度，再由吐丝机把红热线材绕成环形线圈散布在运输辊道（链）上，使其按要求的冷却速度均匀冷却，最后以较快的速度冷却到可集卷的温度进行集卷、运输和打捆。到目前为止，世界上已经出现多种线材控制冷却工艺装置，其中比较完备的有斯太尔摩法、施洛曼法、间歇水冷法、ed法以及流态床法等。下面简要介绍一下斯太尔摩法。线材轧制后经斯太尔摩线冷却，不但氧化铁皮少，且线材的机械性能和质量提高了，并简化或省略了线材二次加工中的酸洗、热处理等工序，使线材生产水平大大提高。斯太尔摩控制冷却法是由加拿大斯太尔柯钢铁公司和美国摩根设计公司于1964年联合提出的。目前已成为应用最普遍、发展最成熟、使用最为稳妥可靠的一种控制冷却法。这种方法的工艺布置特点是使热轧后的线材经两种不同的冷却介质进行两次冷却（即一次水冷、二次风冷）。重点是在风冷段实现对冷却速度的控制。其工艺布置示意图见图1.2。斯太尔摩冷却法的冷速可以调节。在水冷段可通过调节水量和水压的大小来控制冷却速度；在风冷段靠改变运输机速度（即改变线圈的重叠密度）和改变风机风量来控制冷却速度。斯太尔摩控制冷却法有三种形式：标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。唐钢高线厂为延迟型斯太尔摩冷却。图1.2 斯太尔摩冷却线工艺布置图fig.1.2 technological arranging figure of stelmor cooling line1）成品轧机；2）水冷段；3）风冷段；4）集卷筒延迟型斯太尔摩冷却法是在标准型的基础上，结合缓慢型冷却的工艺特点加以改进而成的。它是在运输机的两侧装上隔热的保温层（侧墙），并在两侧保温墙的上方装有可灵活开闭的保温罩盖。当保温罩打开时，可进行标准型冷却，若关闭保温罩盖，降低运输机速度，又能达到缓慢冷却的效果。它比缓慢冷却法简单但又经济。由于它在设备构造上不同于缓慢型，但又能减慢冷却速度，故称其为延迟型冷却。延迟型斯太尔摩冷却法的运输机速度为0.051.3m/s，冷却速度为110/s10延迟型斯太尔摩控冷线具有可变的控冷工艺，操作灵活，能够根据钢种的使用目的和性能要求选用最佳的工艺配合，在新产品开发领域里有着广阔的前景。它通过先进的冷却工艺和轧制、加热工艺相配合，使产品质量和品种处于国内领先地位，实物质量达到国际先进水平11 。硬线控冷的主要目的是为了获得最佳的综合性能，即具有良好的拉拔性能、高强度和高韧性的索氏体组织12。由于索氏体中铁素体与渗碳体的片层间距小，相界面增多，因而使强度及硬度增高，但对塑性影响较小13。珠光体和索氏体两者实质是同一种组织，只是渗碳体片层的厚度不同而已。索氏体的片层间距为0.20.4m，珠光体的大于0.4m。索氏体（细珠光体）是由很薄的渗碳体和片状铁素体交替组成的。尽管这种组织比粗大的或粒状珠光体硬，但具有较大的冷塑性变形能力，对以后的冷变形有利。此外，高碳钢线材的冷却组织中的自由铁素体含量应该尽可能少14。1.3.4控制冷却各阶段的作用控制冷却过程中各阶段的作用和控制原理是完全不同的。线材轧后控制冷却一般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、二次冷却及空冷三个阶段。由于三个阶段的冷却目的和要求不同，采取的控制冷却工艺也完全不同。如果只注意一次冷却而忽视二次冷却的控制，则其效果不一定达到要求。1、一次冷却轧后控制冷却的第一阶段一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体或渗碳体开始转变的温度范围内控制其开始快冷温度，冷却速度和控冷（快冷）终止温度。采用快冷的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出，形成网状碳化物。固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物的形态，粗细大小和钢材的性能。经验表明，一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化变形奥氏体的效果越好。高碳钢线材轧后的一次冷却一般采用穿水冷却，将钢温由1150950的终轧温度快速冷却到800650，这样能使线材得到细晶粒组织，并在钢材表面形成均匀的氧化铁皮层，减少氧化铁皮数量，并且有利于以后氧化铁皮的去除。2、二次冷却轧后控制冷却的第二阶段热轧钢材进行一次快冷之后，立即进入冷却的第二阶段，即所谓的二次冷却。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度，以保证获得要求的相变组织和性能。线材的二次冷却又称为相变冷却。二次冷却的终冷温度一般是控制到相变结束。高碳钢线材水冷后，经吐丝机成圈散摊在运行中的输送链带上（或辊式运输机上）进行风冷。风冷后将得到很细的珠光体组织，用以取代铅浴处理。对高碳钢和高碳合金钢轧后快冷的第一阶段可以冷至珠光体相变温度，从而阻止奥氏体晶粒长大和碳化物由奥氏体中析出形成粗大的网状碳化物，达到降低网状碳化物级别和细化珠光体球团尺寸的效果。同时，二次冷却可减小珠光体片层间距，并改变其形貌。3、空冷轧后控制冷却的第三阶段经过一次冷却和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。由于快冷固溶在铁素体中的碳化物来不及析出，在空冷过程中，随着温度的降低，不断地在铁素体中弥散析出。1.4计算机模拟及性能预报1.4.1计算机模拟及性能预报的发展史轧材性能预报是在控制轧制深入研究的基础上，于80年代初逐渐发展起来的一项以塑加原理、金属物理和计算机应用为主的综合应用技术。在过去，已经有大量的研究涉及到了钢在冷却过程中的组织转变预报。然而，在冷却过程中，加热后的奥氏体状态（不同的成分，晶粒尺寸）对相变动力学的影响的模型却有很少的报道15。在20世纪50年代和60年代，组织性能关系就被给予了很大的关注16 。79年英国的sellars等人首先用物理冶金模型预报了带钢热连轧过程中显微组织的发展和变化，90年，choguet等人又分别提出了综合性能预报的模型，以后，这项技术在国外发展很快。在日本，nsc，ksc，nkk和kobe等人分别于88年和90年发表了他们的研究成果，但是上述研究成果均是针对热轧板带钢而言。直到91年morales等人和92年anelli才发表了高线控冷的组织和性能变化的模拟结果，96年naccagno等又发表了组织变化的预报。但是，上述学者在高线范围的研究，仅在共析钢的范围，并未见到对于亚共析钢的研究报导。目前国内刊物尚未见有关于棒材控冷工艺基础理论研究的报告。机械性能预报涉及的是室温条件下微观组织参量与力学性能间的关系。自60年代以来发表的众多关系式，大多试图将力学性能直接与生产工艺参数，而不是与微观组织参量建立起关系。80年代以后的“性能预报”研究，不仅仅以工艺参数来表示最终产品的力学性能，而且还以生产过程中的组织参量来预测产品的力学性能。用计算机对材料进行组织模拟和性能预报的特点是可以随时跟踪材料内部的组织变化17。1.4.2计算机模拟及性能预报的内容一个完整的组织转变和力学性能的数学模型包括几个子模型：初始组织模型，热变形模型，组织转变和力学性能模型18。热轧产品性能预报，主要包括三个内容：变形奥氏体的显微组织变化模型。它包括轧制中的动、静态恢复，再结晶和晶粒长大，以及变形诱导相变和沉淀等等模型。加热和冷却过程的组织转变模型。其中包括（/）/转变模型和奥氏体或铁素体晶粒长大，以及cn化合物的析出和溶解模型等等。性能预报模型。即s，b，5，a等力学性能指标与钢的成分和组织结构的关系模型。在一定的轧制规程条件下综合求解上述三个方面的模型，就是计算机轧钢的主要内容。模型的精度决定了预报的精度。1.4.3计算机模拟及性能预报的目的计算机模拟及性能预报的目的是通过在线预报和控制，增加产量，降低生产成本，提高产品质量19。借助于现代变形理论和计算机技术对力能参数及组织参量进行模拟，是由于在金属塑性变形过程中的各个阶段，金属内部组织的变化过程极为复杂，影响参数众多且相互影响。如果单纯借助于物理模拟实验研究，一则实验工作量大而复杂，二来也无法全面、细致、深入地了解这些变化过程。只有将计算机技术与塑性变形的物理冶金过程相结合，对塑性变形过程进行有目的、可控制的模拟，才能揭示变形过程的实质和各影响参数间的关系，从而优化工艺过程，推动生产技术发展20。模拟的另一个主要目的是由于大工业生产的环境下试生产所需费用极大，模拟不仅解决了单一影响因素的提高，而且具有试验周期短，费用低等优势。2 轧制和水冷过程的温度变化模拟温度场是计算组织场的基础，因此，对生产过程的温度场进行模拟计算在整个性能预报和控制系统中起着举足轻重的作用。本文分析了硬线轧制和水冷过程中影响温度变化的因素。在对现有模型进行合理修正的基础上，借助于vb和ansys二者功能的结合，计算了轧制和水冷过程的温度变化。对于研究过程中遇到的vb与ansys连接的难题，本文通过宏程序和数据文件实现了二者之间数据的相互调用。在计算过程中要用到冷却水和钢材的热物性参数，但是手册上的数据均是各物性参数对温度的离散值，为了使用的方便，将它们拟合为解析式的形式。2.1轧制过程温度变化的计算2.1.1影响轧制过程中温度变化的因素许多学者研究证明，在轧制过程中只有相当于总变形功的67用来使金属晶格扭曲，作为弹性位能存储在金属中。而绝大部分变形功转化为热能进入轧件内部。所以轧制时的变形热在轧制过程中起着提高轧件温度的作用，并参与轧制的全过程。此外，轧件还以辐射、传导、对流的方式向外散发热量。轧钢生产过程中求解温度变化的影响因素主要包括以下几个方面21：(1)轧件塑性变形的变形功转化为热能，结果使轧件的温度上升，以tp表示；(2)轧件表面问周围辐射热量，结果使轧件的温度下降，以表示t表