（钢铁冶金专业论文）硬线组织有限元模拟与性能预报.pdf

河北蠼工学院硕士带僦论文 摘要 课题主要研究磺线风冷工艺参数与组织，及其组织与性能之间的相关关系，对 疆线蕊冷蓬程瓣澄发甥、缝织场及蔟转交过程黪进行攘整，并缡翻诗霎壤程序对最 佳工艺参数和特定工麓条件下线材的性能进行预报。通过有限元方法来求解线材的 温度场，利用大型有限元软件a n s y s 计算出线材的温度场。然后，根搬求得冷却 夔缓与涟续冷帮转交麴线静鼗学关系，模援诗黧疆绫撵酌缀级绣，著浚髓为依据来 预报线材的机械性能 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是目前工程技术领域中实用性最强、应用 交兔广泛鹃鼗篷分辑方法。基予露鞭元分辑豹诗算撬摸苏鼓零不仗爨舂强大翡谤冀 功能，而且可以处理包含应力、相交和温度等多种物理场的祸合问题。采用有限元 软件a n s y s 来分析并计算硬线风冷过程的温度场。方法上用a n s y s 的内部语言编 裁宏穗垮，透遘调雳宏程枣来求解绫专孝潼凌场。 组级炀的模拟魑以固态相变动力学为理论熬础的，该理论主要研究固态相变时 组织转变条件，转变基以及转变漱度和转变b 尊间的关系。旗子固态相变动力学理 论，搬撰求褥豹温溲场_ 并缝合连续冷帮转交麴线，零j 爱v b 谣言进行编獠来诗算线 材的组织场，实现了对硬线风冷过程中组织场的数值模拟，弗根据所得组织预报了 硬线的几羊申主要机械性能。 释决了a n s y s 写v b 静连接翊题，实魏了在v b 应蘑糕痔界蟊下整个运行过程 的自动化。在设计过程中，作者充分考虑了软件的可用性和准确性，整个运行过程 清晰有序，且界面友好、便于操作。本软件主裂有两种功能：一是模拟计冀现有工 艺条 串下产品酶组织镶链，二是剩瘸最饶耗原骥，逶过模毅计算来提袋最佳生产工 艺。 关键诵；疆线，藏冷，有蔽元，缀织，毪糍，壤羧 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r es e v e r a lc e n t r a lt a s k sa b o u th i g hc a r b o nl i n ed u r i n gt h eb l o w y c o o l i n g i nt h i s d i s c o u r s e a l lo ft h i si n c l u d er e s e a r c h i n gt h er e l a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e ， s i m u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，c a l c u l a t i n gt h em i c r o s t r u c t u r ef i e l da n dt r a n s f o r m a t i o no f t h em i c r o s 仃u c t u r e ，a n ds oo n ，a n da l s om a k i n gp r o g r a mt o p r e d i c t t h eo p t i m i z a t i o n t e c h n i c sp a r a m e t e r so rt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh i g hc a r b o nl i n e i nt h i sd i s c o u r s e ，t h e a u t h o r a n a l y z e s t h e t e m p e r a t u r e f i e l dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n d g a i n s t h e t e m p e r a t u r ef i e l do f t h eh i g hc a r b o nl i n eb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h e n ，t h e c o l dl i n ea n dt h ec o n t i n u o u s c o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n l i n ea r e c o m b i n e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gm i c r o s t r u c t u r e f i e l di s g o t ，a tt h i sb a s e ，t h em e c h a n i s t i cp e r f o r m a n c ei s f o r e c a s t e d 4 i nt h ed i s c o u r s e ，t h ef i n i t ee 1 1 , m e n tm e t h o di su s e dw h e n c a l c u l a t i n gt h et e m p e r a t u r e f i e l d u n t i ln o w ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o di st h em o s tp r a c t i c a ln u m e r i c a la n a l y s i sm e a n s a n di t sa p p l i c a t i o ni sb r o a di nt h ee n g i n e e r i n g f i e l d b a s i n go n t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sn o to n l yp r o v i d e dw i t hp o w e r f u lc a l c u l a t i n gf u n c t i o n ， b u ta l s oc a ns e t t l et h ec o u p l i n gp r o b l e mo fm u l t i f a r i o u sp h y s i c a l f i e l d ，i n c l u d i n gs t r e s s f i e l d ，p h a s et r a n s f o r m a t i o nf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n ds oo n t h et e m p e r a t u r ef i e l do f l l i g hc a r b o nl i n ei sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h ea u t h o rm a k e sm a c r o p r o g r a mb yt h ei n t e r i o rl a n g u a g eo fa n s y s ，a n dc a l c u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e h i g hc a r b o nl i n ew i t h t h i sm a c r o p r o g r a m w h e n s i m u l a t i n g t h em i c r o s t r u c t u r e f i e l do f h i g h c a r b o n l i n e ，t h e a c a d e m i c f o u n d a t i o ni st h es o l i ds t a t ep h a s et r a n s f o r m a t i o nd y n a m i c s i ti sm a i n l ya b o u tt h er e l a t i o n o ft h et r a n s f o r m a t i o nq u a n t i t y ，t h et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h et r a n s f o r m a t i o nt i m e d u r i n gt h es o l i ds t a t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n b a s i n go nt h es o l i ds t a t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n d y n a m i c s ，a n da c c o r d i n g t ot h e t e m p e r a t u r e f i e l da n dt h e c o n t i n u o u s c o o l i n 【g t r a n s f o r m a t i o nl i n e ，t h em i c r o s t r u c t u r ef i e l do fh i g hc a r b o nl i n e i sc a l c u l a t e db yv b p r o g r a m t h en u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r ef i e l di sr e a l i z e d ，a n da l s o s e v e r a lp r i m a r ym e c h a n i c a l c a p a b i l i t i e sa r ef o r e c a s t e d a n s y si se x p l o i t e dq u a d r a t i ci nt h i sd i s c o u r s e ，a n di t i sl i n k e dw i t hv b t h u s t h e w h o l e p r o c e s s c a nb er t a ra u t o m a t i c a l l yi nt h ei n t e r f a c eo f v b a p p l i c a t i o np r o g r a m d u r i n g 河北理工学院硕士学位论文 t h ed e s i g n i n g ，t h ea u t h o rc o n s i d e rt h e p r a c t i c a b i l i t ya n dv e r a c i t yo f t h es o f t w a r ea d e q u a t e l y s o ，t h ew h o l er u n n i n gp r o c e s si sl e g i b l ea n do r d i n a l ，a n dt h ei n t e r f a c eo f t h ep r o g r a mi s f r i e n d l ya n d t h eo p e r a t i o ni ss i m p l e t h e r ea r et w of u n c t i o n si nt h i ss o f t w a r e ：t h ef i r s to n e i ss i m u l a t i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h eh i g hc a r b o nl i n ei nt h ee x i s t i n g t e c h n i c a lc o n d i t i o n ，t h es e c o n do n ei sp r o v i d i n gt h eb e s tt e c h n i c a lc o n d i t i o nb ys i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：h i 【g h c a r b o n l i n e ，f i n i t ee l e m e n t ，m i c r o s t r n c t u r e ，p e r f o r m a n c e ， s i m n l a t i o n - i i i - 独创性说明 本人郑重声明；所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工佟及取褥硬究成果。尽我掰媚，除了文中特嗣翻渡标注衰致谢约逑 方外，论文中不包含其他人融经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教肖机构的学位威证书所使用过的材料。与 我一网工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中做了明确的 说璃并表示了谢意。 签名： 銎期：年一薅一弱 关于论文使震授权的说磺 本人完全了解瀑l 艺理工学院毒美傺餐、镬耀学位论文鲶溉定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被奄阅和借阏；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导舞签名： 蠢期：年一弼一目 河北理工学院硕士学位论文 引言 硬线是对中、高碳钢盘条的一种称谓，通常是拉制高强度钢丝的原材料。论文 主要研究硬线在风冷段的组织转变及其与性能的关系，课题对硬线风冷过程的温度 场、组织场及其转变过程等进行模拟，利用计算机模拟程序可以针对特定工艺条件 下所获得的钢材性能进行预报，也可以针对钢材最终性能来设定最佳工艺参数。 基于硬线用途和深加工的要求，除了必需的力学性能要求以外，良好的拉拔性 也是重要的技术经济指标，硬线组织索氏体化是满足上述条件的最佳途径。要获得 索氏体化率高的组织，可以通过控制从奥氏体到珠光体转变过程中的冷却速度来实 现。线材高速轧制后的控制冷却技术，也被称为在线热处理，是直接关系到最终产 品力学性能及其均匀性的关键工艺。利用轧后控制冷却技术，可以使线材轧后的冷 却速度和进程因钢种、规格及最终产品性能不同而不同，在改善线材的机械性能和 拉拔性能的同时，也可以减少氧化铁皮的生成。采用轧后控制冷却技术可以增加产 品的附加值，同时也实现了生产节能。这对提高线材的社会经济效益、促进金属制 品生产发展以及开拓线材使用的新领域都会起到良好的作用。 文中采用有限元方法来求解线材在斯泰尔摩风冷线上的温度场，利用大型有限 元软件a n s y s 计算出线材的温度场。然后，将所得冷却曲线与连续冷却转变曲线 结合，模拟计算出线材的组织场，并以此为依据预报线材的机械性能。作者通过研 究选用了能反映硬线的组织转变与性能关系的数学模型，编制计算机程序求得了线 材的温度场和组织场，实现了控制冷却过程中风冷阶段的在线模拟，为发展控冷过 程的计算机模拟提供了理论基础，同时也能对实际生产起到指导作用。 河北理n 工学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 谍题概撼 1 1 1 选黻的目的和意义 线材是钢铁产品的重要品种之一，广泛成用于建筑和制品工业，目前世界范围 痰线毒毒年产量终占毯器钢耪总产量黪1 0 左右。世爨主要产钢莺家鸷遍慕躁全连续 高速无搬线材精轧机缀和控制冷却技术作为线率考生产的主要工艺装备手段。世界上 有高速轧机线材生产线2 6 0 多条，线材中高遗线材轧机生产的产品比例为8 0 以 上，控冷钱耪进达9 5 h3 。隧饕敬擎嚣放鳃渫入发震，我黧慰线糖生产墩提出了鼗 的要求。我国的线丰才生产和建设掰面临的任务怒十分艰巨的，其中主要裔优化工艺 装备、掇高线材产品磁量、增加和开发线材品种、提高线材产量等。 褒线耪生产过程中，辜l 制出塞靛线越产品必须扶轧轰懿麓湛红热状态冷去| 】到鬻 温状态。线材乱后熊濑度和冷却速度决定了线材的内在组织、力学性能及农面氧讫 铁皮数嫩，因而它们对产品质量脊着极其重要的影响。所以，线材轧后如何冷却是 整个线= | 莺生产过程孛产箍质量控测戆关键嚣节之一。线材姥露冷却夔鼙瓣主要是缛 判产品所要求的组织与性能，使其性能均匀和减少二次氧化铁皮的生成爨。为了减 少二次氯化铁皮量，鼹求加大冷却速度，为了得到所要求的组织和性能，则需根据 不同菇耱，控裁冷却王艺参数。爨毙，对于线毒| 冷帮过程熬控涮骚究就残为一个专 分重要的任务，具有非常重要的现实意义。 基于以上原因，我们做了这个课题。本课题主要研究磺线在风冷段的组织转变 及其缀缓与毪筢关系，对硬线菇冷涟茬懿湿度场、缝织场及矮转交过程等进行有疆 元模拟，并编制计算机模拟程序对最佳工艺参数及其工艺条件下的钢材性能进行预 报。 l ，l ，2 瓣宠痨容与方法 t 本文立足于对控制冷却工艺的理论分析，运用数值分析、优化理论和计算机技 术所编制的程序来模拟实际工艺过程，通过定爨描述高线组织性能与工慧参数的关 一2 一 河北理工学院硕士学位论文 系，来预报能得到最优组织和性能的最佳工艺参数。实现若用所给出的工艺参数来 指导生产，获得产品的组织与性能将是各种工艺方案中的最佳结果。 本文的重点研究内容如下： 一、利用a n s y s 求解线材的温度场，实现a n s y s 与v b 之间的数据传输，并 将所得温度场用于组织场的求解。 二、利用最优化原理和自适应方法，获得能反映组织转变与性能预报的数学模 型。 三、编制模拟硬线组织性能的应用程序，针对现场的情况对风冷过程的温度 场、组织转变过程及其影响条件等进行计算机模拟。 课题采用的技术路线和研究方法： 首先对国内外已发表的数学模型进行分析、筛选。确定可以借鉴的数学模型或 模型骨架。应用文献中钢材强化理论的结果，结合初始奥氏体和先共析铁素体形态 对现场实测性能指标的对应关系，对数学模型进行修正，以便得到可作为性能预报 的物理模型。 利用所得模型编制现场的控冷工艺程序。针对控冷过程中的工况参数、金属组 织及其性能的实测值与预报值之间的差异，在大量分析预报值与实测值差别的基础 上，找出影响模拟精度的因素并建立这些模型的修正因子。 利用有限元法进行分析，并采用大型的有限元分析软件a n s y s 对冷却过程中 硬线的温度场进行模拟并实现对其组织性能的预报。编制硬线控冷过程风冷阶段的 计算机模拟程序，此程序将用于对现场工艺条件下所生产硬线的性能预报，或者针 对某些特定性能要求来给出最佳工艺参数。 1 2 有限元模拟 1 2 1 有限元法 在工程技术领域内，工程师常常运用数学和力学的知识将实际问题抽象成它们 应遵循的基本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的边界条件。对于大多数的 工程技术问题，由于物体的几何形状和载荷作用方式很复杂，因此要获得这些问题 的解析解十分困难。目前有两种途径可以解决这种困难：一是引入简化假设，将方 河北理工学院硕士学位论文 程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解；另一种解决 途径就是数值解法，如有限差分法，边界法，有限元法和离散元法等。对于非线性 问题，有限元法更为有效。3 。 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是目前工程技术领域中实用性最强，应用 最为广泛的数值分析方法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单 元之间靠节点连接，单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数 关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的 方程式，然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条 件后即可对方程组求解。 有限单元法的构思在数学界1 9 4 3 年已有发现，但因当时没有计算机，所以没有 得到发展。有限单元法在工程上真正应用是在1 9 5 6 年，t u r n e r 、c l o u g h 等人在求解 飞机结构刚度时，将整体结构划分成有限个三角板单元并求解了由此所建立的大型 矩阵方程，这一工作称为有限元的开始。时至今日，有限元法已经发展到能处理几 乎所有连续介质的问题，成为一种强有力的工程数值计算方法。 根据本构方程的不同，有限元法可分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘 塑性有限元法三种类型阻4 。对塑性加工大变形过程可采用刚一塑性有限元法，基 于课题的实际情况，本文选用了刚一塑性有限元法。此法忽略弹形变形，它以刚一 塑性材料的变分原理为基础。按对不可压缩条件的处理方法不同，主要有三种方 法：拉格朗曰乘子法，材料体积可压缩法和罚函数法。 1 拉格朗日乘子法 利用刚一塑性材料不完全广义变分原理，引入拉格朗日乘子 = 6 。，此时能量 泛函巾速度场和拉格朗目乘子九的函数。对泛函求一阶变分并另其为零，得出联立 方程组，解得速度v i 和拉格朗日乘子九，再进行求解。在求解中，由于联立方程组 关于 v 是非线性的，因而需进行线性化处理。 2 体积可压缩法 对于多孔材料，塑性变形将有体积的变化，称之为体积可压缩材料。将这种体 积的变化包括在塑性变形中，可以认为体积变化率取决于平均应力6 ，其屈服条件 4 河北理工学院硕士学位论文 与乎稳藏力蠹关。嚣藏霹鞋设法瘸速度场求密6 。遴露可求爨癍力分量。鼗法孛弓| 入 体积应畿速率e ，= x2 3 96 。，利用变分原理确定速度场后，便可确定成力场。 3 罚函数法 鼹予镶蛮不可筮缭条辞懿同熬，把绞索条转躲平方乘骥懋够大匏鼗m ( 知仁2 ) 加到原浇函中去，予以惩罚，得到的新泛函取极大值时e 。越于零。这样对新泛函 在无约柬条件下求驻德，便可以得到近于正确解的速度场，此即为罚函数法”1 。 4 三静方法弱魄鞍； 拉格朗日乘予法中，引入 斑格朗日乘子 ，此九是一个附加的未知摄，故此 法计算爨较大。 弱函数法中，g l 入了一个足够大静数m ，它是一令鬻数，羧魏法诗雾量鞍 小，但不易收敛。 体积可压缩法与罚函数法类似，其实质相同。 基于这见耱方滚掰兵有戆不鞫糁熹戆分辑，锌对课题懿磅究蠹吝，零文采强了 拉格朗曰乘子法来进行计算。 1 2 2 鸯曝元分析软传a n s y s a n s y s 公司是赉荚蘑著名力学专家、美国簸兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建发展起来的，总部位于美国嶷西法尼亚州的匹兹堡，怒目前世界 c a e 行业最大的公司，a n s y s 有限元程序是该公司的主要产懿f 吼。a n s y s 软传是集结 构、熟、流体、电磁、声学于一髂静大鍪逶矮褥限元分橱软 串，可广泛遗戏耀于核工 业、铁邋、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、 土木工糨、生物医学、轻工、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 a n s y s 软 孛主要镪括三个部分：前楚理模块，分拆毒卡算模块和螽处联模块。静 处理模块提供了一个强大的实体建摸及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元 模型；分析计算模块题括结构分柝( 可进行线性分板、非线憔分板霸高度非线性分 耩) 、流俸动力学分析、电磁场分析、声场分褥、压电分辛厅以及多物理璐的藕合分 析，可以模拟多种物理介质的相羹作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理 模块可以将计算结果以彩色等傻线显示、撵度糕示、矢量显示、粒子濠逐显示、立 一5 河北碟工学院硕士学位论文 俸窝冀嚣示、透翡及半透臻显示等睡形方式显示枣亲，也可将诗雾终暴戳图表、整 线形式撼示或输出 “。 a n s y s 的技术特点主要有以下几个方面：1 髓实现多场及多场藕合功能；2 前 嚣廷理、分撬求藤及多矮分撬蔻使躅统一熬鼗撼疼 3 。具骞傀往臻蕤，可鼹送孬滚 场优化；4 可以进行非线性分析；5 具有快速求解器；6 可以进行智能列格划分；7 能与很多c a d 软件熊成并有接e 1 ；8 多层次多概架的产品系划；9 良好的用户开发 饔境。 l _ 3 控制冷却技术 1 3 ， 控粼冷帮技术概论 控潮冷帮按零燕弱蓊整赛轧剿黧产中羟鬻傻用弱技术，它为磷究入爱、技术员 在考虑欺各自特殊情况的同时，提供了具体应用的理论熬础。所谓控制冷却 ( c o n t r o l l e dc o o l i n g ) ，裁是群髑誊k 昝蒸氧嚣懿余熬，鞋一宠的手段控裁焚冷_ 翦速 凄来获褥所需缝织和懿能的方法礴。 近艘年来，控制冷却工艺已经成功地运用划棒材、螺纹钢筋、钢管以及型钢生 产积台金镧生产孛，羚取褥了臻聂鹣经济效益窝校会效益。= 十 矍纪2 8 年代太靛就 开始研究钢在热热工时，温度和变形等条件对鼗徽组织和力学性能韵影哟。1 9 2 5 年 德国的哈内曼( l h a n e m a n n ) 等人做了这方面的试验和工厂实践。第二次世界大战 中，荷兰、 拳l 怼、瑞典等藿一些没有熬楚璎设备熬睾l 镶厂。热了挺毫镪赞强疫帮耱 性，将终轧溢度控剩程9 0 0 ( 2 戳下，并给予2 0 3 0 韵道次压下率，生产出具有 良好韧性的钢材。5 0 年代末和6 0 年代初期，焚园和原苏联等园先后开腿了钢的形 交熬处理王艺与镪材缀绥移整能关系缒理论磷巍工终，鸯控制轧越窝控黝冷瘿戆援 理研究嗣工艺实践奠定了基础。6 0 年代初，英豳斯温顿研究所的科研人员提出铁素 体珠光体中显微组织与性能之间的定量关系，用表达各种强化机制作用的佩奇 ( p e r c h ) 关系式嚼确袭璎了热筑辩鑫粒爨琵豹整溪鳇。繇年代中楚，英国钢铁臻变 会进行了一系列研究，如降低吉碳爨以改善塑饿和焊接性能，利用n b 、v 获得高强 度等。6 0 年代初，我国控制轧制和控制冷却、轧扁冷却控制和钢材形变热处理工艺 磅究方器已经莛步，势敬霉袈步或巢糍。 河北璁工学院硕士学位论文 熊蘑控裁冷簿王艺主要秀疆下尼令方瑟魏饶点：l + 节约笈耗、辫低生产残 本。利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度掇制其相变邋程，从而可以取代轧后 正火处瑷和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周 蘩，捩褥降纛了生产藏本：2 。爵疆降低类蠹簿穗交溢疫，缨健室遂缝织。毒l 螽控裁 冷却能够降低奥氏体相变温度，对同一晶粒度级别的奥氏体，低温相变膳会使铁索 体晶粒明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄。3 可以减低钢的碳当量。采用轧后 控割冷帮工艺畜可能减多镶串懿羰含量及合金元素热入璧，速舅簿祗狻警垂豹效 果。低的碳当量有利于焊接性能、低温韧性和冷成形性能，这是当前世界各国所追 求的大规模生产工业用钢材的最经济工艺路线【l o l 。 1 3 ，2 磺线蕊冷段的羧制冷却 线材高速轧后的控制冷却技术，也被称为程线热处理，鼹直接关系到最终产品 力学性熊及其均匀性的关键工艺。利用轧后控制冷却技术，镯- 使线材轧聪的冷却速 度稻遴稔因钢耱、麓捺及最终产黼往能不丽瑟不丽，在改营线材静辊槭褴能黎拉拔 性能的同时，也可以减少氧化铁皮的生成。采用轧后控制冷却技术可以增加产品的 附加值， 同时也实现了生产节能。这对提高线材昀社会经济效盏、促进念属制品生 产菱鬟以及舜螽线秘使用薛薪领域都会起簧淹瓣的作用f 】。 对于硬线，获得常温下的细小珠光体( 索氏体) 组织是空冷工艺作追求的目 标。众所闵船，索氏体有较大的冷塑性变形能力，有利于实现更大的拉拔蕊缩率。 魏卦，离谈钢线材静冷却组织串窦幽铁素馋含越斑该尽可怒少。 一般线材轧后控制冷却过程可分为三个阶段，第一阶段主要目的是为相变做组 织准备及减少二次氧化铁皮生成鬟；第二阶段必辐变过程，主要控制冷帮速度，送 过控嚣l 冷鞠速度褥到掰需静组织；第三阶段稽窝完了，一般采用空冷。离碳钢线材 轧后的次冷却一般采用穿水冷却，线材的二次冷却一般又称为相变冷却，一般采 尾风玲。离碳钢线材缀水冷后，经睦丝极成卷，搭接遣教摊在运孬中静运输链黄上 ( 或辊式运输枫上) 并进行风冷，冷却速度一般为5 1 0 。c s ，风冷后将得到狠细的 珠光体组织。这种控制冷却工艺合适采用标准型斯太尔摩法。 河北理工学院硕士学位论文 蘩太尔瘴冷蠲线豹风冷羧鸯三耱类鳖，它镟据运输壤戆缝橡窝获态不丽聂分为 标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。标准激冷却的运输机上方是敞开的，吐丝 后的散遐落在运动的输送链上睦l 下方风室鼓风冷却。其运输机速度为0 2 5 1 4 m s ，冷熹器速度4 1 8 s ，它逡箱予裹骧锈绫麓熬冷却。缓慢鳖袈太尔摩冷却静 运输机遮度为o 0 5 1 4 1 1 1 ，s ，冷却速度为o 2 5 1 0 s ，它适用于处理低碳、低合金 及合金钢等类的线孝才。延迟型冷却是在标准冷却型的基础上，结合缓慢冷却的特点 热爨羧避嚣疫。它楚在运赣援静蘧键装上疆热鹣保温层铡墙，并在两测绦漫墙土方 装有可激活开闭的保温罩盖。当保温罩打开时，它可以进行标准型冷却，若关闭保 温罩盖，降低运输机速度，又能达到缓慢冷却效果，它比缓慢型冷却法简单、经 济；交予它在设备缝构土不弱予缓慢冷却壅，餐又戆壤漫冷龆遮凄，敖稼英为延迟 型冷却。延迟型冷却的运输机速度为o 0 5 1 4 掰洳，冷却速度为1 t o s 。它适用 于处理器类碳钢、低合金钢及某烘合金钢。出于延迟型冷却法适用性广，工艺灵 活，掰滋近年来褥鍪| 广泛瘟强琢。 斯太尔摩散卷冷却运输机过去采用链式运输机。链式运输机的结构比较简单， 线环铺设在两根平行的链条上向前输送。由于链条备点的传送速度一致，因此无法 谨开绞耪琏丝惹錾冬瓣之溺懿搭羧泰帮线蘸与链条搂齄点鹣溺定位萋，褥形藏大量 死点热点。这些热点与连铸蛾中周围出现的偏析峰值璧合，促使渗碳体在晶界 析出，势在冷拔高碳钢丝时出现断裂，同时造成盘条全长或线圈内的性能波动。耳 蔻厂家大多采蔫辊式运输瓿，辊瀵努藏若于获，各段荸独蕊动，虽辊速可变。禳据 冷却需鼹和集卷方便，工艺设计中将运输机分成冷却段和集黪段，两段单独控制， 两段速度可单独调懿。对于辊式遮输枫，其集辫段也可采用链式运送，送样便于维 修。 为了解决由于线材散卷铺放后，两侧堆积厚密、中间疏簿的问题，闭时为了加 强两侧风量，使线材冷却更加均匀，摩根等公司研究了一葶申称为“o p t i f l e x ”( 健 灵) 装震，改逶了羝冷系统，将风辊台数增多，莲力及流蘩翱大，风租速度可变， 流量可控、风压可调，可以纵向、横向调节风嫩，使散开的线环控制更加均匀，从 而最大限度地消除热点。 一8 。 河北蠼工学院硕士学位论文 鏊予硬线羲焉途秘深热工要求，除了登 ；蓉戆力学毪能簧零懿辩，毫静静工艺瞧 和成品性也是必需的技术经济指标，硬线缎织索氏体化韪满足这些条件的最佳途 径。要获得索氏体化率高的组织，线材在斯太尔摩运输辊邋上的冷却速度应越快越 努，这敬凌予运辕辗遴速度、线瓣润薤及疑掇菇基。簌提交热痉上，应羧麓跌类氐 体状态刭珠光体开始转变所需的时间( 即相变孕育期) ，使之满足欲获得的组织要 求而通过c c t 曲线的特定区域，从而抑制第二相( 先共析铁索体或渗碳体) 的形成及 援塞，鼯逶遥控裁转交滠疫餐妥懿缝较努戆索菠俸组缓。 一9 河北理二【= 学院硕士学位论文 第二章溢度场魏鸯限元摸撅 2 。l 引富 绫捞魏控蘸冷却叉稼受羲爱佘煞楚遵，冀馥静是夔蠢产熬酶塑毪、潋善裁缝， 使其得劐良好的综合憔能。线树的综合性能主搽决定于其化学成分、变形条件、终 轧温度和冷却条件，蕻中，合理选梅轧后控制冷却工艺是获得线材所要求憔能的关 键；嚣鼗；诗篓线糟冷蘩遘程獒懑壤场，霹予制定合瑾夔冷帮工艺，其鸯熏要静理 论和实际意义。本文利用a n s y s 软件对硬线风冷过程的温度场进行了有限元模拟计 算。 2 ，2 瀑壤场求解理论基磴 2 2 1 传热学理论 鑫然器匏麓髂，不谂是露俸、液髂还是气体，往往蠹予蠡然或天为鹣原嚣两存 在温度箍。热力学第二定律指出：热量总是自发地腻高溢烛健向低溢处。鞭此，热 的传递过程属于一种普遍的自然现糠1 2 】。热传递理论是人们在生产实践糊科学实验 孛逐步总结襄莰累掰形成戆。现在，热簧速理论正紧醚着辩攀技拳秘生产爽黢豹遴 步丽飞滤发展，许多倦热闯题蜀静b 经可以通避理论分析予戳解决。 热传递通常是一种复杂的现熬，在不同的条件下具有不同的机理。为了便于分 撰，甚熬它区分秀三耱方式，静热传导、热霹流释熬辐射。嶷王翟中掰邋裂蕊热簧 递现象常常是由几种赫本方式以不糊的主次组台豹结果。 一、热传导 蒸梭譬麓臻导热，它是摇互接触疆漫度不鞴鹣魏倭或秘体中瀑瘦不困晌套帮分 之阊，强不存在宏税韵相对位移时，由微观粒子( 分子、藏予和它们的缎成部分) 的移动、转动和振动嚣热运动引怒的热传递现浆。这些热邂动的强度与温度成正 笼，宏蕊一可援括遗谈：导蕊对热爨姨意漫黎分传绘惩i 基部分。一般来说，霆箨雾 静止的液体中所发生的热传递完黛取决于导热。流动的液体以及流动或静止的气体 中的热传递，导热擞然也同样发燃，但在大多数情况下起主臀作用的可能是热对流 或热辐射。 一1 8 一 河北理工学院硕士学位论文 1 8 2 2 年，注嚣数学家毽里跨( j o s e p hf o u r i e r ) 总结了稳态清毽下围薄导热嚣 实践经验，对大平壁提出了导热量q 的计算公式，或称为傅飘叶简化导热怒律： q = a - a t h ( 2 1 ) 式孛，天欢决予耪蒋著复浚糖侮辱热蕤力魏参数，黎炎譬熬系数，影魏； a垂直于导热方向的截筒积，m 2 ： at 平壁硝侧的温度差，； h平壁蓐囊，m 。 由( 2 1 ) 可知，从平壁导过的热流量与导热系数、截瓣积和温度差成正比，而 与平壁的厚度成反比。 对于均驾善亵滴饿浆撵辩，傅整哮霉熬基本宠律霉霜囱羹形式表示兔： q = - 2 - g r a d t ( 2 2 ) 式中，q 该点的热流密度向摄，其方向与瀑度梯度方向翎反，大小等于单位时 藏蠹港这个方藏逶避攀霞露辍懿热蚤； 导热瀑数； g r a d t 窆闽任一点的溢度梯度自璧，其方自指趣滠度变化攀最大晦方 内，太毒等予这个方两上静滠塞变毒乏率。 对于徽元面积，( 2 2 ) 式可以改写为： d q = 一篇碰g r a d t ( 2 3 ) 一般薅，蒋式( 2 2 ) 帮( 2 ，3 ) 称为薅墅奸热睡导方程式f 1 3 l 。 线材在冷却过程中由于其内部梅处的温度不同会产生热传导，因此在用有限元 法计算冀瀑震场时簧考虑线耪内粼繁点闻的导热阕题。本文猩诗算线耪鹣滠度场露 采爱了上述蒋至背熟健警方程式。 1 二、热对流 当流砖的流体麴静止戆晷俸爨蕊壹接接触，丽嚣者翁澈浚不冠黩，它们之阕癣 发生豹热传递避程舔魏对流换热。对瀛换燕溉其有流体分子澜酌徽疆导熟捧爝，又 具有流体宏观位移的热对流作用，因此它必然激到导热规律和流体流动舰律的支 配，毽露蹩一释复杂盼热接递过瑶。 河北理工学院硕士学位论文 分敲辩滚揍热避稷，主要莛磷究影响捺热靛餐嚣霆素，遴嚣确定逶过接魅瑟酶 热流量q 。在计算对流换热量时，海今仍采用牛顿冷却公式，即 q = a a - a t ( 2 , 4 ) 式孛，娃穗轰露渡羧热系数，裂热流量连与对流挨热系数g 、援熬表嚣积a 以爱流 体和接触丽之间的温胰差a t 成正比。由于a 和t 较易确定- 而n 的变化艇杂，所 以计算对流抉热量q 裁变成如何根搌各种具体随况确定对溅换热系数a 的问题。 线秘程照冷线上运行霹，甄辊姨爨戆嚣荨| 篷绫奉| 委嚣空气嚣滚葫，黧形盛空气 的对流。对流换热是风冷线上线材冷却的一个壤蒙原因，因此本文在计算线材的温 度场时考虑了对流换热的影响，并嗣牛顿冷却公式计算对流换热量。 三、熬辕瓣 通常把物体发射辐射能及其传播的过程称为辐射，如巢缴射的辐射能鼹物体内 部与瀑庹有关的内能所转他的，则称为热辐射。辗射能投射刹一个均质物体上时， 一簸来说，部努戆爨避灭穆蒋，其余耱瓣薮耨侮袭瑟爱莉。避入蘩髂魏拣羹中，一 部分被物体所吸收，嬲一部分则经折射而透过物体。 设n 、p 和t 分别代表锯体的吸收率、反射攀霹透射率，则连+ p + t l 。实践 诞臻，气蒋对于辐羹雩鼹豆手不能反鸯垂，嚣蘧爱袈率p = 8 ； l 露瓣蒋裁滚薅中，努予季雾 列非常紧密，辐射能擞射到表面上时，在进入物体很小的躐离内即被吸收究毕，所 以t o 。作为吸收能为强的极限蕊提出鲍n = l 的理想辐射体，在分摄计算实际物 薅熬辐骛誊楚蠢挨熟餐辩其有重要鹣意义。这秘对子获射予蒹上静翦线，苓管葵渡 长和方向如何，均能念部吸收的物体称为黑体。 1 8 7 9 车，矮蒂芬辕靠实验确定了黑体的辎魅力& 与绝j 靖滠度t 之越的关系， 1 8 8 4 年渡霉兹受又用理论予戳 歪实，获嚣褥翳了遴誊瑟蘧鹃鬻蒂芬玻珲兹曼定 律： 瓦= 气r 。 ( 2 5 ) 式孛，秀鬏蒂芬玻耳兹受常数，等子5 , 6 7 1 9 一w ( m 2 + k 4 ) 。困黑体的辐射力 与绝对溆糜的四次方成正比，故又称为四次方慰德”。 1 2 河北琏工学院硕士学位论文 窭际貔倭篱辐蔻力e ；与黑俸鹣辗藉力魏x 楚有嚣襄豹，实际耱髂瓣嚣t 与露湿 度、同波长下黑体的。之比称为谖物体的单色糕度或称单傻辐射率ex ，即 如= e ( 2 6 ) 实嚣魏体熬辐赫力嚣与璃温度鬟俸麓耱瓣杰黾之耽舞该黪体豹黑度e ，黪 s = e l 既 ( 2 7 ) 黑度# 螅大小表征实际物体蛇辐射畿力接近同激度黑体款辐射s 黩力的磴发。 戆傣鹣熏麦狳隧浆傣静释粪蕊雾秀，还与其袭瑟获嚣葶鞋激度毫关，帮取决亏二穆 体本身的条件。实际物体的辐射力的表达式为： e = - - t 4 ( 2 8 ) 瓣休 l 章梨进行鬻发麓稻吸收辎瓣能熬过狡。程这令遣糕中，其本身煞爨静璜减 取决于嗣一瞬间发射嗣吸收辐射能的差值。即使温度相同，释物体的发射和吸收照 常进行，只是发射帮唆牧懿能量程数篷上摆等稳墨。霹拉可见，线毒| 奁馨泰尔搴最 冷线主逶抒i l 雩爨然会存在辐葑巍热，新致在诗薰线牵季静溢液场辩，也要考虑辐射对 线材温度的影响，本文利用斯蒂芬玻耳兹璺定律计算了辎射换热。 2 ；2 ，2 计算线糖温寝妫麓数学搂登 通常将菜一瞬时物体内的温艘分布硐骰该物体的温度场。在线材生产线上，从 吐丝机出来的线材酋先要经过一致辐射区，线牵才的热量从表丽向外辐射。在斯太尔 摩最冷线主毒毒疑枫，缓李| 熊窭最霹楚透过，滚砖菸照壤线材冷絮，国予凌蟹垂叠 分布，护缎侧韵线树分布密度高，秣道中心韵线材分布密度低，这种设计允许线材表 面冷却不均匀。线材襁运输机上的避输速度应足够大，使得沿轴向冷却忽略不计， 壤嚣这辣惰嚣霹双建立二缍模型来求解瑟嚣黪淑度绣。考惑到线撵懿滠发怒随鼓麓 变化的稚稳态问题，内部具有热源时的f o u r i e r 导热方程可棍据f o u r i e r 定律并利用 能量守憾原则推导得到。 由予课题孛瑟嚣要鹣模型要求靛够接透线孝葶鹩菲穆悫溢壤绣，莠要考感妥摇交 对温魔场的影响，因此根据斯太尔摩控制冷却线的工作原理和具体参数，作者经过 研究分析选择了如下的数学模型米计算风冷线上线材的温度场： 一1 3 一 河北理工学院硕士学位论文 替羽+ 等坤b 等节。詈 式中r 为线材表谢到中心的任意位置，m m lx 为材料导热率，w m k ：t 为温度， k 为辩涟，s ；h ( 秘。为穗交热臻，强f ；a & 是葵茨侮转变鸯臻光侮煞量， ；t 为转变时问，8 ：p 为材料密度，k m 3 ：c p 为定压比热容，j k g k 。 微分方程式是根撮一般规律推演的，能满足一切导热物体的温度场，因而在数 学上它有蠢穷多个解。鼓手我察簧求簿工程实鼯阔题，所濒就不麓瀵是予褥孤赣分 方程式的通解，我们黼要得到单一的特解。为此，必须把与谢蓑现象的特点表达成 数学式弗岛导热微分方程式联立，才能共同完熬描述一个特定的导热问题，这些表 达将煮魏条终露葶醢祭 警。瓣不稳态嚣熬离惑瓣攀蓬象箨蠢两个方垂，藏燕在己甄 几何形状与物体物瑰性质的条件下给出初始祭件和边界条件。鉴于课麒的具体情 况，作卷分析了线材摆风冷线上冷却对的初始基 牛和边界条件，并列出棚应的数学 式蟊下： 1 初始条件( t * o ) ： tl 。；一矗( r ) ，o r r( 2 、1 0 ) 式孛，r 势穰舞垂主茌懑建耄戆半校，乓 势r 处瓣秘魏溢囊，r 是线豺鹣拳径， 2 边界条件( 协0 ) ： ( 1 ) 线材一1 1 , 部： 一名娶：。， r ：0 ；( 2 1 i ) ( 2 ) 线材表面： 一立詈。啦一t o ) ，艘； ( 2 舵) 式中，h 是组合传热鬣数，w ( m 2 k ) ，由风冷对流传热系数朔辐射传热系数组成， 聒是线秘表番麴漫嶷，b 必空气滋鏖。 诧耩筮串魏热物性参数主要怒指导热系数 、密度p 、宠压眈热c p 等，物性 参数在檬魁中具有十分重要的作用，通常，这嫂参数随材料的组织状态、温度和时 闻会发生变谴，具体媾况可参照露关资辩。 。醛- 河北理工学院硕士学位论文 2 。3 剃鬻a n s y s 软律求蘸瀑度炀 2 3 1a n s y s 热分析简介 a n s y s 进行热分橱计算的基本原理是先将所处理赡对象划分成有曦个单元( 包 含羞干个节点) ，然霜摄掭藐量毒瞧蘸理求簿一定逑赛象释秘锈戆条嵇下每一点楚 的热平衡方程，由此计算出各节点漱度，继而进一步求解出懿它相关量。襁a n s y s 公司推堪蛉众多产品中，荫五耱产热能够进行热分析，瞧括： a n s y s m u l t i p h y s i c s ，a n s y s 辩l e c h a n i c a t 、a n s y s f f h e r m a t ，a n s y s ，t l o t r a n 、 a n s y s e d 。根据课题的情况，本文选择使用a n s y s m u l t i p h y s i c s 来求解线材的瞬 时温度场1 啦。 嗣a n s y s 送行热努辑对，黎簧绘窭霉一实体戆褪鞲嚣穗，与蒸分瓣纛攘穗关 的属性能括；热传导辩、比热容、焓、对流换热系数、辐射系数和生热率。热传导 率、对溅挨热系数和辍射系数的物耀意义都是大家熟