（机械工程专业论文）小h型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究.pdf

l 一 学位论文版权使用授权书 i l l l ll li ii i ii i ll li i iiil y 18 9 4 5 2 5 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 u 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：琴译 冽1 年占月l7 日 指导教师签名： 如n 年 l 小h f i n i t e 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 h 型钢强度高、结构自重轻和设计灵活，得到广泛的应用，带动了 数以百计新兴产业的发展。h 型钢控制冷却技术的发展提高了其强度， 节省了资源，节约了生产成本，提高了综合性能，因此开展h 型钢控 制冷却技术的研究具有重要意义。 本文主要研究内容如下： 1 控制冷却原理的理论分析。对钢铁冷却强化机理及冷却强化技 术的控制要点做研究分析，并结合现场条件提出冷却段划分的依据， 为轧制过程温度场的有限元模拟和试验研究提供理论依据。 2 有限元模拟研究。结合现场工艺参数设定，对断面不同位置处 提出了温度场计算的初始和热边界条件，用a n s y s 有限元分析软件对 轧制过程和控冷过程h 型钢断面在温度场变化情况进行仿真分析。仿 真结果显示，轧制过程的模拟值与实测值基本相符。利用a n s y s 软件 对控冷过程温度场分布进行模拟，结果显示在控冷开始阶段，表面温 度迅速降低，心部温度降低缓慢，控冷结束后，表面温度有一个短暂 的回升，内外温度趋于一致，从而为下一步的在线试验研究提供了理论 基础。 3 在线试验研究。根据仿真结果及控冷工艺因素选择三种方案进 行试验，通过对各方案的温度分布规律、金相组织和力学性能分析进 行研究比较，结果显示方案一温降幅度大，冷却速度较高，能显著提 高产品力学性能；方案二因冷却时间较短，冷却速度高，产品各处冷 却较为均匀，温度分布较为合理，性能也相当均匀；方案三因冷却水 压力低，冷却时间短，冷却效果不明显。 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 关键词：h 型钢，有限元，控制冷却，温度场，金相组织，力学性能 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hs t r e n g t h ，l i g h tw e i g h ta n df l e x i b l ei n d e s i g n ，h b e a ms t e e li sw i d e l yu s e da n dh a v ep r o m o t e dt h eg r o w t ho f h u n d r e d so fn e wi n d u s t r i e s t h ed e v e l o p m e n to fc o o l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y i m p r o v e st h es t r e n g t h ，s a v e st h e r e s o u r c e sa n dp r o d u c t i o nc o s t s ，a n d e n h a n c e sc o m p o u n df e a t u r e s s oi ti sam e a n i n g f u la c tt os t u d yt h eh b e a m s t e e l sc o o l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r yo fc o o l i n gc o n t r 0 1 t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo f s t e e lc o o l i n gc o n t r 0 1 a n dt h ek e yt e c h n o l o g yd u r i n gc o o l i n gc o n d i t i o n sa r e a n a l y z e d t h et h e s i sa l s oc o m e su pw i t h t h ep a r t i t i o nb a s i so fc o o l i n g s e c t i o na s s o c i a t e dw i t ht h ep r a c t i c ee x p e r i e n c e i tp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i s f o rt h es i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n de x p e r i m e n t a ls t u d y 2 t h es t u d yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n w i t ht h es e t t i n gp a r a m e t e r ， i n i t i a lc o n d i t i o na n dh e a tb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h ed i f f e r e n ts e c t i o n sa r e p u tf o r w a r d b yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h e t e m p e r a t u r eo f h o tr o l l i n gp r o c e s s i sd o n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ev a l u eo ft h es i m u l a t i o ni sc o n f i r m e dt ot h em e a s u r e d t h es i m u l a t i o n s h o w st h es u r f a c et e m p e r a t u r er e d u c e dr a p i d l yw h i l et h ei n n e rt e m p e r a t u r e r e d u c e ds l o w l yd u r i n gt h es t a r ts t a g e ，b u tt h e r ei sas h o r tt e m p e r a t u r er i s et o t h es u r f a c e ，a f t e r w a r d st h et e m p e r a t u r eo ft h ei n n e rw o u l da l m o s tb et h e s a m et ot h eo u t e r i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h en e x to n l i n e e x p e r i m e n t a ls t u d y 3 o n l i n ee x p e r i m e n t a ls t u d y d ot h eo n l i n ee x p e r i m e n t a ls t u d yw i t h t h r e ek i n d so fp l a no nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ep a r a m e t e r s o ft h ec o n t r o l l e d c o o l i n gp r o c e s s b ym a k i n g a c o m p a r i s o n t ot h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，m e t a l l o g r a p h i co r g a n i z a t i o n a n dm e c h a n i c a l i i ! l 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 p r o p e r t i e so ft h ed i f f e r e n tp l a n s ，t h er e s u l t ss h o w s t h a tp l a no n eh a sal a r g e r a n g e o f t e m p e r a t u r e r e d u c t i o na n da h i g h e rc o o l i n gs p e e da n d a s i g n i f i c a n t l yi m p r o v i n g o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w h i l et h es e c o n dp l a nh a s au n i f o r m i t yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，b u tt h ee f f e c to ft h et h i r dp l a nw a s n t o b v i o u s k e y w o r d s ：h - b e a ms t e e l ，f i n i t ee l e m e n t ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，t e m p e r a t u r e i v f i e l d ；m e t a l l o g r a p h i co r g a n i z a t i o n ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 江苏大学工程硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景一1 1 2 课题研究目的意义2 1 3国内外小h 型钢的发展概况4 1 4 高性能h 型钢的理论研究7 1 5 本课题研究内容与主要技术方案9 1 5 1 课题主要研究内容9 1 5 2 主要技术方案9 第2 章控制冷却原理l o 2 1 冷却原理1 0 2 2 冷却段的划分1 2 2 3 屈服强度计算1 3 2 3 1 屈服强度计算式【3 办1 3 2 3 2q 2 3 5 钢屈服强度核算1 3 2 3 3q 3 4 5 钢屈服强度估算与实测1 4 2 4 本章小结1 6 第3 章轧制过程温度场的有限元模拟研究。1 7 3 1 生产工艺参数1 7 3 1 1 工艺规程1 7 3 1 2 孔型布置1 8 3 1 3 轧辊尺寸1 9 3 2 现场测温数据的分析1 9 3 3 轧制过程温度场的模拟分析2 1 3 3 1 轧制过程温度场分析方案的确立2 1 3 3 2 有限元软件a n s y s 简介2 1 3 3 3 有限元分析过程相关问题的阐述2 2 3 3 3 模拟结果与分析2 3 3 4 控制冷却过程模拟2 8 3 5 有限元模拟结论3 2 3 6 本章小结3 2 v 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 章在线控冷试验研究3 3 4 1 方案一的控冷试验及分析3 6 4 1 1 温度分布规律3 6 4 1 2 金相组织3 8 4 1 3 力学性能分析3 9 4 2 方案二的控冷试验及分析4 1 4 2 1 温度分布规律4 1 4 2 2 金相组织4 2 4 2 3 力学性能分析4 3 4 3 方案三的控冷试验及分析4 4 4 3 1 温度分布规律4 4 4 3 2 金相组织4 5 4 3 3 力学性能分析4 6 4 4 三种方案之比较4 8 4 5 本章小结4 8 章总结与展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 1 文献! ；：! 谢! ；! ； v i 众所 进步的重 主要的工 运用先进 能持续发展，成为冶金工作者的奋斗目标。为此，开发出优质、高性能先进钢铁 材料_ 走蛋级钢铁材料已是当务之急。作为发展中国家的中国，超级钢的发展更 符合中国的国情，被列为“十二五 重点发展的新材料之一【1 1 。因此开发研究新一 代高性能超级h 型钢具有重要的意义和显著的经济效益及社会效益。 热轧h 型钢是一种经济断面型材，与普通工字钢相比具有截面模数大、重量 轻、节省金属等优点，而且由于翼缘的内外侧平行，可以很方便地组合成各种不 同形状和尺寸的构件。在承受相同载荷的条件下，h 型钢比普通工字钢可节约金 属1 0 1 5 ，在建筑上使用h 型钢可使结构减轻3 0 - 4 0 ，在桥梁上可减重 1 5 2 0 ，这在国民经济建设中将会带来巨大的经济效益。因此h 型钢在国民经 济建设的各个领域获得了广泛的应用，如铁路公路建设，桥梁和车辆制造，核电 站和水力、火力发电工厂建设，地铁和城市高架交通、高层建筑建设，水利以及 堤坝防护、港口建设，重要抗震设施建设，机械和船舶建造，以及隧道、矿山等 地下工程的支护工程等。在国内，热轧h 型钢已成功应用于诸如中华世纪坛、北 京地铁、长沙远大集团住宅及秦争岛、绥中、文昌海上石油平台等一大批工程和 标志性建筑均采用了热轧h 型钢【2 1 。 从h 型钢生产线规划分析来看，到2 0 1 1 年，国内h 型钢生产规模将达到2 0 0 0 ，吨。由于生产规模的扩张、生产厂家的增多以及来自进口h 型钢的竞争，热轧 h 型钢与建材、中板等钢材品种的价差将较低，这一方面将抑制新增产能的增长， 乡j 一一方面将大大促进钢结构业和热轧h 型钢的需求增长。目前我国建筑中采用钢 结构设计的份额还不到5 ，钢结构所用的钢材还不到全国钢材总量2 ，钢结构 用钢总量中h 型钢占有率不到3 5 ，而工业发达国家在其建筑业增长时期，如日 本钢结构建筑占建筑总量的5 0 左右，韩国约占2 0 ，美国、日本等国钢结构用 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 钢量已占剑钢产量的3 0 左右，并且钢结构用钢总量中h 型钢占5 0 - 6 0 。根 据我国的同情，参照国外钢结构产业的发展过程，预计我国h 型钢需求量将达到 1 5 0 0 万1 1 e 甚至更多【3 卅。 马钢【5 】于1 9 9 8 年9 月建成我国第1 条热轧大h 型钢生产线，可生产腹高度达 8 0 0 m m 、翼缘宽度至4 0 0 m m 的大型h 型钢，s p 4 0 0 m m x l 6 0 m m 钢板桩及其他普通 大型型铡产品，具有2 0 世纪9 0 年代世界先进水平。于2 0 0 5 年3 月又建成投产一 条1 0 0 - - - 4 0 0 m m 中小型h 型钢生产线，设计年产量为5 0 万吨。主轧线由意大利 d a n i e l i 公司引进的1 5 架连轧机组成，是我国第1 条中小型h 型钢全连续轧制 生产线。马钢h 型钢主要设备有：步进梁式加热炉、二辊水平开坯轧机、三架组 合式力能轧机、5 台锯机、液压驱动的步进梁式冷床和悬臂辊环式辊式矫直机。产 品与规格：【1 h 型钢( m m x m m ) ：钢梁h z 2 2 0 1 1 0 6 0 0 2 2 0 ；钢柱h k l 5 2 x 1 6 0 - - 一 6 2 0 3 0 5 ：钢桩h u 2 0 0 2 0 4 3 5 0 3 5 0 。【2 】普通型钢( r a m ) - 工字钢2 5 0 - 5 6 0 ，槽 钢2 0 0 - - - 4 0 0 ，角钢1 6 0 - - - , 2 0 0 ，l 型钢2 5 0 , - - + 4 0 0 ，球扁钢2 0 0 , - - + 2 7 0 ，钢板桩4 0 0 x 4 4 5 4 0 0 x 1 5 0 。工艺流程为：连铸坯_ 步进加热炉加热_ 高压水除鳞_ 开坯轧制_ 热锯 切头、尾一万能粗轧机组往复轧制一力能精轧机轧制叶热锯机切头、尾并锯切定 尺或倍尺_ 步进式冷床冷却_ 变节距辊式矫直机矫直- 冷锯切定尺_ 人工目视检 查。 世界上h 型钢生产技术以日本新铁、川崎和卢森堡的阿尔贝德公司为代表， 前者开发出了外形尺寸一定的h 型钢和薄腹h 型钢；后者开发出了h 型钢t m s c 轧制技术和q s t 控冷技术。代表了目前h 型钢生产技术的最高水平1 6 1 。 1 2 课题研究目的意义 近年来，随着人类对环境保护、资源合理利用和节约能源认识的不断提高， 对材料和机械零部件的性能提出了更高的要求，如汽车、造船、航空航天、高速 铁路车辆、电力设备、建筑和家用电器等，要求零部件具有强度高、重量轻、韧 性好、耐腐蚀性强、焊接性能好等。为了达到这一目的，可以通过采用新材料和 新的材料制备技术，也可以通过采用新的加工方法和工艺而获得，通常后一种方 法更经济。如对塑性加工而言，通过合理控制变形量、变形温度和冷却速度，可 以大大提高零部件的综合机械性能。目前，世界各国在材料塑性成形加工【7 1 领域向 2 江苏大学工程硕士学位论文 着四个方向发展，一是向精确成形工艺( n e ts h a p ep r o c e s s ) 方向发展；二是用计 算机模拟仿真来逐步替代传统的经验性研究方法；三是通过对成形过程的控制提 高产品的综合机械性能；四是将塑性加工和产品使用过程对环境的影响以及资源 和能源的利用减少到最低限度。 h 型钢的生产工艺比较复杂，在轧制和冷却过程中影响金属流动、组织结构 的因素非常多哺1 ，而这些往往对最终制品质量有着非常重要的影响。随着生产节奏 的加快，出现了以下问题： 1 ) 轧件表面氧化铁皮厚，矫直后呈片状脱落，产品在存储期间锈蚀严重。 2 ) 在轧件的腰腿接合部( 简称r 部) 外侧出现明显疤疹状缺陷。 3 ) 轧件的力学性能偏低，且经常出现不合格。 4 ) 轧件上冷床温度偏高，容易出现冷床上变形甚至倒伏现象。 5 ) 冷床能力严重不足，成为抑制生产节奏的瓶颈。 因此，针对某钢厂小h 型钢轧后冷却能力不足、制品力学性能不高的现状， 通过对不同钢种的终轧温度和轧后冷却制度进行科学探索，寻找在保证高的屈服 强度下获得比较好的综合机械性能的轧制工艺，使得小h 型钢综合性能高于用户 标准要求。 鉴于此种情况，有效的解决方法是在精轧后设置在线控制冷却装置，对成品 轧件立即进行控制冷却。通过控制冷却，提高h 型钢的性能，为最终实现开发高 强度、低成本、节约型建筑用钢提供关键技术。实现减少钢材生产过程的矿石、 贵合金等战略性资源消耗，降低冶金企业生产成本。并且对建筑、冶金行业发展 具有重要意义。 本文通过对小h 型钢轧后控制冷却的温度场分析、喷水冷却装置的改造、控 冷装置的结构参数优化、典型钢种冷却工艺的开发与工艺参数优化、控冷工艺参 数的检测及控制系统的实现等方面内容的研究，实现下述目标。 现有冷却线进行雾化冷却的改造 通过改造方案的实施，改造后的小h 型钢生产线冷却效果应达到如下指标： 降温速度：1 0 - - 6 0 s ；使轧件经过控冷区时从9 0 0 左右降至6 5 0 以下( 轧 件运行速度2 - - 3 m s ) ，最小温降不低于2 5 0 ；上冷床后不产生明显的变形；产 品的实物屈服强度和抗拉强度较控冷前提高5 0 m p a 以上：对q 3 4 5 、q 2 3 5 在m n 3 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 不超过1 的条件下，实现实物屈服强度和抗拉强度满足用户要求。 本文的实施，将在不改变钢材成分的基础上，通过对小h 型钢轧后冷却工艺 造和优化，实现钢材组织的转变和晶粒的细化，显著提高产品的综合性能， 丰富了钢材控制冷却技术内涵，也进一步提升了钢材品质，为我国超级h 型 研发提供成功的范例。 国内外小h 型钢的发展概况 世界上最早出现h 型钢生产设备是在1 9 0 2 年，由卢森堡研制的世界第一套轧 型钢的万能轧机。目前全球约有2 0 个国家生产h 型钢，拥有近1 1 0 套万能轧 组。世界主要产钢国家h 型钢产量已占大型型钢产量的6 0 以上，其中日本 7 0 - - - 8 0 。近几年，亚洲一些国家和地区如韩国、印度、中国台湾等也相继 了近十条h 型钢生产线，h 型钢的生产能力逐步增大。据不完全统计，世界 h 型钢生产能力在2 5 0 0 万吨以上【9 - 1 1 1 。近十几年来，韩国、泰国和我国台湾 均不断有新厂投产。 在国内，h 型钢起步较晚，1 9 8 0 年国内第一条焊接h 型钢生产线在武钢建成 ；上个世纪9 0 年代马钢在6 5 0 轧机系统中增加万能轧机机组生产出第一根国 小h 型钢，但由于设备、工艺等方面的原因并没有形成批量生产，直到1 9 9 8 钢和莱钢引进万能轧机投产，才真正开始了我国国产热轧h 型钢的生产与消 也成为我国到目前为止最大的两个型钢生产基地。2 0 0 3 年，由河北京华创新 、莱芜钢铁集团和香港誉进发展有限公司共同兴建的日照钢铁集团成立，日 铁以生产热轧中型型钢为主要产品借助日照港口的地理优势主要面对海外市 售。目前，国内还有不少企业正在筹建型钢生产线，已经投产的共有6 套具 界先进水平专业性h 型钢万能轧机，马钢2 套、莱钢2 套，日照钢厂1 套， 钢厂1 套。鞍钢、攀钢、包钢等大型材轧机改造的万能轧机均可在适当时生 产高度在4 0 0 m m 以下的小规格h 型钢。型钢生产技术也得到了迅速发展，产品型 号己经覆盖了大中、小多个规格，型钢的年产量在我国钢梁产量中的比重也在不 断上升。截止2 0 1 0 年我国热轧h 型钢的生产能力达到2 0 0 0 万吨以上【1 1 , 1 2 - 1 4 。 在国外，1 9 9 7 年日本首先启动了“超级钢基础研究十年计划。1 9 9 8 韩国启 动了“二十一世纪高性能结构钢”计划。2 0 0 1 年欧盟启动了“超级晶粒钢开发 4 江苏大学工程硕士学位论文 计划。2 0 0 2 年美国在钢铁研究指南中公布了两个新一代钢铁材料开发项目1 1 1 。 在日本，1 9 7 0 年日本建筑用钢结构产量超过了5 0 0 万吨，1 9 9 1 年突破1 2 0 0 万吨，创历史最高纪录。2 0 0 0 年后产量稳定在约7 0 0 万吨年的水平。热轧h 型钢 从1 9 5 9 年开始生产，到1 9 9 0 年消费量创下7 2 4 万吨的纪录，2 0 0 0 年至今大体维 持在每年4 0 0 万吨左右。 在欧洲，h 型钢的生产能力4 5 0 5 0 0 万吨，其需求量大致在4 0 0 5 0 0 万吨，供 需基本平衡。欧洲市场每年需要进口一部分1 0 0 0 m m 以上的大规格热轧h 型钢和 特殊材质的h 型钢，主要用于建筑石油平台，要求耐火钢轧制的h 型钢及钢板桩。 此外，欧洲每年还出口一部分小规格的h 型钢，出口与进口的数量基本相等，供 需矛盾并不突出。 在北美，美国有1 5 套h 型钢生产机组，年生产能力4 5 0 5 0 0 万吨，但近年的 实际生产量维持在3 5 0 万吨左右，主要原因是生产成本高，国外进口的h 型钢其 价格低于本国的产品价格。因此，美国加大了对h 型钢反倾销的调查。而加拿大 热轧h 型钢的年需求量约4 0 万吨，主要用于加工后出口到美国市场。 纵观h 型钢的发展历程和态势，结合目前钢铁行业的发展状况和国际经济发 展形势，随着国内h 型钢生产线产能的不断释放，市场竞争同趋激烈，面临的经 济形势更不容乐观，h 型钢的消费水平会受到抑制，势必会导致生产厂家加强对 产品质量和成本的控制，以便在未来的市场竞争中取得优势。由于超级h 型钢【1 8 1 主要用于钢结构，钢结构归纳为高层重型钢结构、空间大跨度钢结构轻型钢结构 钢混组合结构住宅钢结构等，其发展前景分析如下： ( 1 ) 钢结构住宅4 , 1 5 - 1 6 1 我国钢结构住宅目前处于发展的起动阶段，发展空间非常大。钢结构住宅在 近几年已完成近3 0 0 万m 2 的试点工程建筑，用钢约1 5 万吨。在民用方面，现在 由于h 型钢的使用，住宅钢结构成本降低建筑速度加快给社会带来巨大的经济效 益。我国钢结构住宅建设将逐步成为国民经济的支柱产业。预计1 0 年内将新建住 宅5 6 亿m 2 ，如按年竣工面积1 - 5 采用钢结构计算，每年钢结构的建筑面积将 达到5 6 0 万 - 2 8 0 0 万m 2 ，如果按其中6 为h 型钢住宅楼推算，年需求h 型钢1 5 0 力吨。如此巨大的需求量，如果全部被超级h 型钢替代，将节约钢材近二分之一。 h 型钢钢结构节能住宅建筑体系是遵循国家钢结构住宅产业化技术原则所研发的 5 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 新型节能住宅建筑体系，符合国家住宅产业化的发展方向，具有广阔的发展前景 ( 2 ) 轻钢结构 轻钢结构是九十年代崛起的一个新兴产业。它采用h 型钢及薄壁c z 型钢制作 组合或建筑骨架，屋面和墙体采用彩色涂层压型钢板或夹心彩板。现阶段，我国 与国外的发展水平相比存在较大差距。在美国普通的低层民用住宅中，轻钢结构 应用于住宅建筑所占的比例，从9 0 年代初的5 ，发展到现在的2 5 。目前我国一 栋3 0 0m 2 的轻钢结构房屋，用钢量为3 0 , - 4 5 k g m 2 。按平均每年新建住宅5 4 亿m 2 轻钢结构占3 的比例推算，我国年需求h 型钢不少于6 5 力吨，这将成为超级h 型钢另一消费市场。 ( 3 ) 空间网架结构 近年来，以网架和网壳为代表的空间结构也得到蓬勃发展。它不仅用于一般 民用建筑，而且用于工业厂房候机楼、体育场馆、展览中心等。不过目前在我国空间 网状结构h 型钢用量占总用钢量的比例不到2 0 。而台湾h 型钢在所用钢材中所 占比例分别为：大楼3 0 4 5 ，购物中心5 5 一6 5 ，厂房1 5 4 5 ，差距非常 之大。随着未来热轧h 型钢的不断普及，加上奥运世博会等所需体育场馆及展馆 的大量兴建，以及由此带动的相关配套设施建设，将为超级h 型钢产品提供广阔 的消费空间。 ( 4 ) 石油平台n 国家正在进行1 2 个油气田项目的建设或扩建，其中有6 个在渤海油田。至2 0 1 0 年，海上油田的产量达到5 5 5 0 万吨油当量，成为我国油气增长的主体。海洋石油 2 0 1 5 年远景规划提出，要确保2 0 0 6 年至2 0 1 5 年间新增探明原油储量1 5 4 亿吨， 天然气4 0 0 0 亿立方米。可以预期，我国海洋石油开发装备必将在“十一五”的基 础上会有更大幅度的新增发展和更新计划。海上天然气的开发将是我国今后1 0 年 重点之一。海洋石油平台建设由于其对强度等性能的特殊要求，将成为超级h 型 钢用武之地。 ( 5 ) 铁路用超级h 型钢 由于我国铁路运输的紧张，运能不足一直是国民经济发展的瓶颈。有资料显 示，从客货运输要求来看，到2 0 2 0 年，我国铁路营业里程保守估算将达到1 4 万 公里。而以目前每年仅新增1 0 0 0 公里的速度，未来1 7 年我国也只能增加里程1 7 6 江苏大学工程硕士学位论文 万公里，加上目前现有的7 2 万公里，也只能达到9 万公里，离需要尚差5 万公里。 对于动辄上亿元的铁路建设来说，无疑将启动新一轮的投资高潮。超级h 型钢主 要用于平板车大梁电气化铁路的电力支架铁路沿线的钢结构桥梁等。铁路建设跨 越式发展必然引发超级h 型钢需求的商机。 ( 6 ) 电力部门 今后几年内我国将投资2 5 0 0 亿元用于输变电铁塔及变电站钢结构用材消耗， 用于重点电力建设的钢材将在1 0 0 万吨以上，其中高强度h 型钢将占有相当大的 使用份额。此外，“十二五”将是我国核电加速发展时期，到2 0 2 0 年我国核电装机 容量将达到4 0 0 0 万千瓦，这意味着从2 0 0 6 年开始，平均每年新开工3 个1 0 0 万 f 瓦的核电机组。由于核电工业钢材的寿命和强度的特殊要求，导致目前1 0 0 从 法国、意大利等国进口。毫无疑问，只有超级钢，才能担起替代进口的使命。 综上所述，超级h 型钢应用前景广阔。因此为满足经济建设和社会发展的需 求，必须走依靠科技，提高钢的强韧性和使用寿命，研究、开发新一代超级h 型 钢，以一吨钢材顶数吨钢材使用的新路。通过提高钢材强度和寿命，实现国家提 出的将有限的资源发挥出最大的利用价值，从而使钢铁工业既能与地球和谐相处 义能持续发展的战略目标。 1 4 高性能h 型钢的控冷控扎工艺研究现状 随着h 型钢产品的使用越来越广泛，其产品质量、使用成本也越来越受到人 们关注。促使各国工程技术人员试图在不改变材料成分的基础上，利用现有的装 备，通过调整轧制制度和冷却工艺的办法提高h 型钢产品的综合性能，特别是对 高性能h 型钢的控轧控冷工艺技术日益关注。针对h 型钢的特点其冷却方式主要 是依据以下因素选择9 珈：冷却能力，冷却均匀程度，节省冷却介质( 水、高压 空气等) ，节省动力，可控性好，灵活性等。常用的具体冷却方法有：喷水冷却， 喷射冷却，雾化冷却，层流冷却，浸水冷却等。 目前，国内生产高强度h 型钢所采用的控轧控冷工艺【2 1 l ，主要集中在前两个 阶段并通过以下环节进行控制： ( 1 ) 加热温度控制【2 2 】 传统方法是采用较高的均热温度，奥氏体晶粒长大的过程即是晶界迁移的过 7 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 程，也就是原子扩散的过程，温度越高则奥氏体晶粒越大。因此，为获得细小的 奥氏体品粒，则从钢坯加热开始即控制晶粒尺寸，其控制效果相当明显。奥氏体 晶粒长大与加热温度决定于加热时要求产生的冶金反应，最低的加热温度决定于 钢中碳及合金元素的质量分数。 ( 2 ) 形变量及形变温度控制【2 3 l 钢在热变形过程中发生再结晶，控制这一过程使其发生多次再结晶，可导致 有效晶粒细化。金属的变形量越大则金属中的储存能越多，再结晶的驱动力越大， 再结晶温度亦越低。再结晶区轧制应注意每道次# l n 采用的最小变形量，当变形 量d , n 一定程度时将不会再结晶，且发生晶粒长大。变形前的奥氏体晶粒越小， # l n 温度越低，每道次变形量越大，最终再结晶后的晶粒尺寸减小。 ( 3 ) 奥氏体和铁素体转变 在纯净钢中，当奥氏体向铁素体转变时最合适的形核位置是奥氏体晶粒边界： 变形奥氏体向铁素体转变时晶粒内部的位错带也可成为形核位置。形核后，铁素 体晶粒长大直到晶粒间紧密接触。在一定的冷却速度下，原始晶粒细小的奥氏体 晶粒，特别是拉长的奥氏体晶粒，因其奥氏体晶粒表面积与体积之比的增加，转 变成的铁素体晶粒将变得更细。 ( 4 ) 合金元素控制 如果变形温度很低，以至于不能发生再结晶，奥氏体晶粒则变为伸长的晶粒。 合金元素较高的钢种，尤其是碳、氮化物形成元素，即使质量分数很低，其再结 晶的温度也相对较高，这些元素中铌是最有效的元素。合金元素的主要作用是： 首先，固溶态下合金元素在这样一种位错多的组织中，将以碳化物或碳氮化物形 式快速析出，这些应变诱导析出的粒子最终完全抑制了再结晶的发生。 ( 5 ) 加速冷却【冽 采用较快的冷却可进一步细化晶粒，因过冷奥氏体转变速度与形核率和生长 速度有直接关系，而形核率和生长速度又取决于过冷度，随过冷度的增大，转变 温度降低，奥氏体转变自由能增大，在过冷奥氏体中形核更多。通常加速冷却一 般在约5 5 0 时终止，接下来是空冷。 h 型钢采用控制冷却工艺的优点主要有 2 5 - 2 6 1 节约能耗，降低生产成本；利 用扎后刚才余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而可以取代扎后正火 8 江苏大学工程硕士学位论文 处理和淬火加回火处理，节省了二次加热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期， 从而降低了生产成本，大大提高生产率；可以降低奥氏体相变温度，细化室温组 织，扎后控制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 变后会使a 晶粒面明显细化，使珠光体片层间隔明显变薄，将会大大提高其机械 性能；可以降低钢的含碳量，采用扎后控制冷却工艺有可能减少钢中的碳含量及 合金元素的加入量，达到降低碳当量的效应。 1 5 本课题研究内容与主要技术方案 1 5 1课题主要研究内容 1 控制冷却原理的理论分析。对钢铁冷却强化机理及冷却强化技术的控制要点 做研究分析，并结合现场条件提出冷却段划分的依据，为* l n 过程温度场的有限 元模拟和试验研究提供理论依据。 2 有限元模拟研究。结合现场工艺参数设定，对断面不同位置处提出了温度 场计算的初始和热边界条件，用a n s y s 有限元分析软件对轧制过程和控冷过程h 型钢断面在温度场变化情况进行仿真分析。根据仿真结果进行下一步的在线试验 研究。 3 在线试验研究。根据仿真结果及控冷工艺因素选择三种方案进行试验，通 过对各方案的温度分布规律、金相组织和力学性能分析进行研究比较。 1 5 2 主要技术方案 本研究以某钢厂热轧小h 型钢q 2 3 5 为研究对象，以提高其强度为目的。技 术方案的设计原则是“节省费用而尽量利用原有设备”、采用的冷却原理是“采用 水冷却、气一雾冷却相结合的方式”。通常提高热轧态q 2 3 5 钢强度主要在于通过增 大轧后冷却速度，细化铁素体晶粒，同时增加伪共析珠光体数量。根据某钢厂工 艺实际，性能突破的关键点是合理分配冷却能力使铁素体晶粒获得最大程度的细 化。 9 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 第2 章小h 型钢冷却强化机理与计算 2 1 小h 型钢冷却强化机理 快速冷却强化机理与控制轧制机理有本质不同。轧后快速冷却实质上是控制 轧制后细化了的变形奥氏体组织经过快速冷却，相变匀i 织相应变化。钢中析出物 的大小、数量、析出部位发生变化。从而使钢材的强韧性得以提高的。例如一般 在中厚板轧机上进行控制轧制后的加速冷却采用弱冷，可以得到微细的铁素体和 小片层间距的珠光体组织。或者得到微细的铁素体和贝氏体双相组织。此外由于 轧后快冷，钢中碳原子来不及扩散，仍固溶在奥氏休中，相变后铁素中碳含量较 高，在低温条件下碳从铁索体中弥效析出，都将影响材料的性能【2 7 1 。 经验表明：在快冷停止后的空冷过程中发生碳、氮化物细化析出，并对生成 的贝氏体产生轻微的回火效果。自回火效果也影响钢材冷却后的性能。在决定其 冷却速度、冷却停止温度对生成的贝氏体最佳数量影响时也要考虑回火效果。 本文以某钢厂热轧小h 型钢q 2 3 5 为研究对象，以提高其强度为目的。通常 提高热轧态0 2 3 5 钢强度主要在于通过增大轧后冷却速度，细化铁素体晶粒，同时 增加伪共析珠光体数量。根据某钢厂工艺实际，性能突破的关键点是合理分配冷 却能力使铁素体晶粒获得最大程度的细化。小h 型钢在9 0 0 左右终轧获得奥氏 体后，经控冷转变为铁素体等组织，细化铁素体通常有以下两种途径1 2 3 1 1 ： 途径一：再结晶+ 重结晶机制 高畸变能的奥氏体经再结晶转变为无畸变的奥氏体晶粒( 丫畸变叫无畸变) ， 在此过程中，奥氏体晶粒获得一次细化；再结晶后无畸变的奥氏体晶粒在a r 3 一a r l 温度之间发生丫一q 重结晶转变，铁素体晶粒等进一步细化： 途径二：单一利用y _ a 重结晶机制 该t j l n 的要点是：阻碍热轧态奥氏体晶粒的再结晶过程，而将具有高畸变能 的奥氏体晶粒快速冷却至低于a r 3 温度重结晶转变为细小的铁素体等。 途径二虽然只有一次细化效果，但由于发生丫_ q 转变时，丫晶粒因未发生再 结晶而包含大量的晶体缺陷和相变储存能，这极大提高了铁素体的形核率，铁素 体晶粒的细化更为有效。有研究表明：若能合理控制冷却工艺，途径二获得的细 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 化与强化效果优于途径一。 本设计以途径二为主，兼顾途径一。 途径二工艺控制关键点： ( 1 ) 强化热轧后到8 5 0 之问的冷却，避免再结晶过程产生，以保留大量晶 体缺陷作为铁素体形核的核心。 对于0 2 c 的碳素钢，当变形量为3 0 左右时，9 5 0 时热轧一结束即开始再 结晶，大约2 分钟完成再结晶过程；8 5 0 停留2 0 秒后开始再结晶，大约5 分钟 完成再结晶过程；而8 0 0 。c 停留2 5 0 秒后才会开始再结晶过程，见表2 1 。 表2 - 1 奥氏体再结晶温度与时间关系 从以上数据看，根据某钢厂的轧制条件，只要在2 0 s 内快速冷却到8 5 0 8 0 0 ， 就可抑制奥氏体再结晶过程，随后可以采取普通空气冷却，直至接近y _ q 相变温 度时，进行快速冷却。但需要指出：随着冷却速度的降低，a r 3 和1 会有所提高， 而这是不利于铁素体细化的。 ( 2 ) 丫一a 相变温度附近采取强制冷却，获细化铁素体 下表给出了q 2 3 5 钢连续冷却时对应不同冷却速度的丫一a 的相变温度，要获 得理想的细化效果，必须强化a r 3 a r l 温度之间的冷却，见表2 2 。 表2 - 20 2 3 5 钢连续冷却时的相变点 ( 3 ) 低于a r l 温度后只需采取普通的空气冷却 小h 型钢控制冷却系统温度场有限元分析及试验研究 2 2 冷却段的划分 根据以上理论分析和某钢厂的轧制条件，只要在2 0 s 内快速冷却到 8 5 0 8 0 0 ，就可抑制奥氏体再结晶过程，以保留大量晶体缺陷作为铁素体形核的 核心，从而有利于晶粒细化。对于某钢厂h 型钢2 米秒的轧制速度，需要的强制 冷却的距离最多为4 0 米，而对于某钢厂小h 生产线，由于供水量有限( 总水量 2 0 0 吨，j 、时，水压0 4 m p a ) ，过长的控冷距离没有意义，因此，在现有三段控冷段 的基础上再增加三段，位置在现有控冷段的前面，每段有效冷却长度4 8 米，总冷 却长度2 8 8 米，总控冷段数分为六段。 第一段尽量接近最后一架精轧机( 根据现场条件，最接近的位置只能在飞剪 后) ，以实现终轧后立即进行快速冷却的目的，以最短的时间进入控冷，并且减少 高温坯氧化铁皮的厚度。经第一段、第二段冷却后温度要低于8 5 0 。理由是： 铁素体晶粒大小与奥氏体中各类晶体缺陷的多少密切相关。晶体缺陷越多晶粒越 细小，而晶体缺陷取决于奥氏体终轧变形量和终轧温度以及随后的冷却速度，冷 却速度越快对缺陷的保留越多。在第一段分配合理的水量，以达到快速冷却的目 的。在第一和第二段，钢坯通过的时间大约是4 秒( 按照钢坯的平均速度2 5 米 秒，第一和第二段长度1 0 米计算) ，为了使飞剪后的钢坯( 平均温度9 0 0 左右) 在一、二段冷却后的温度低于8 5 0 ，降温速度必须达到2 0 3 0 s 。 第三段、第四段和第五段、第六段为相变开始与结束段。尤其是第三段和第 四段，在该段发生相变的关键段，钢坯在8 5 0 以下进入其余的