（机械设计及理论专业论文）h型钢控制冷却过程应力应变场与组织场的研究.pdf

交宁辑寝大学硕士论文 摘要 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 的新兴产业的发展。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h 型钢控制冷却技术具有研究的重要意义。 本课题以型号为h 2 0 0 x 1 0 0 、材树为q 2 3 5 的热轧h 型钢为研究对象，选择合 理的的边界条件，建立了二维三维h 型钢有限元模型，利用a n s y s 软件对二维 模型的三种方案和结果进行分析，同时用有限元分析软件对三维模型的温度场和 应力应变场进行了分析，通过大量的分析在不同的部分使用不同的水流密度t 找 到具有较好控冷效果的工艺流程。通过试验对比研究最大的应力误差为5 9 ，最 大应变的误差为7 5 ，证明了理论分析与实验结果基本相符。通过分析和试验的 验证得出随着水流密度的增大，温度逐渐降低，应力逐渐增大，应变逐渐减小的趋 势。 通过试验对h 型钢控制冷却过程中的组织场和力学性能进行了分析，发现调 整好q 2 3 5 h 型钢材料的化学成份( c 、s i 、m n ) 的百分含量及控冷工艺参数( 开 冷温度、冷却时间、水流密度、辊道速度、终冷温度) 可以明显地改善h 型钢的 组织场以及力学性能( 屈服强度吒、抗拉强度吒，延伸率正) 。q 和得到明显 提高。 本课题的研究可为h 型钢轧后控制冷却装置的设计提供重要的参数，为h 型 钢轧后控制冷却技术的应用提供科学方的法和理论的参考。 关键词：h 型钢，控制冷却，应力场。应变场，组织场 壁尘壁垫盔堂曼鲨盔 垒! 墅! ! a b s t r a c t h - b e a ms t e e li st a l li ni n t e n s i t y , t h es t n z c t t u - ec o n d u c t so n e s e l fw i t hd i g n i t yl i g h t l y a n dt h ed e s i g nf l e x i b l y , w i d e l yu s e d ，h a v ed r i v e nt h ed e v e l o p m e n to fh u n d r e d so fn e w i n d u s t r y t h eh b e a ms t e e lc o n t r o l l e dc o o l i n go ft h ed e v e l o p i n gi m p r o v i n gi t si n t e n s i t y o f c o o l i n gt e c h n o l o g y , h a ss a v e dr e s o u r c e s ，h a v i n gs a v e dt h ep r o d u c t i o nc o s t ，h a sr a i s e d c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，s oh b e a ms t e e lo fc o n t r o l l e dc o o l i n gt e c h n o l o g yh a v e i m p o r t a n tm e a n i n gs t u d i e d t h i ss u b j e c tr e g a r d st y p ea sh 2 0 0 x 1 0 0 ，m a t e r i a la st h er e s e a r c ho b j e c ta sh o t - r o l l e dh s e c t i o ns t e e lo f q 2 3 5 c h o i c er e a s o n a b l eo f t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ee s t a b l i s h m e n t o ft h eh b e a ms t e u2 da n d3 df m i t ee l e m e n tm o d e l ，u s i n ga n s y ss o f t w a r eo nt h e t w o - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h et h r e ep r o g r a m m e sa n dt h er e s u l t so fa n a l y s i s ，a tt h e s a m e t i m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s8 0 t t v c a r ew i t hat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s s - s t r a i nf i e l di nt h ea n a l y s i s ，t h r o u g hag r e a td e a lo fa n a l y s i si n d i f f e r e n tp a r t so f t h eh - b e a ms t e l lo ft h e 啪o fd i f f e r e n td e n s i t yf l o wa n df i n dab e t t e r c o n t r o l l e dc o o l i n ge f f e c to ft h ep r o c e s s c o m p a r a t i v es t u d yt h r o u g hp i l o te t l - o ri st h e g r e a t e s ts t r e s s5 9p e r c e n t , t h el a r g e s tc o n t i n g e n c yo fe r r o ro f7 5 t h a tt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r cc o n s i s t e n t b ya n a l y z i n ga n dt e s t i n gp r o v e nt h a t w i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e rd e n s i t y , t e m p e r a t u r ed e c r e a s e dg r a d u a l l y , t h es t r e s si s g r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，t h ec o n t i n g e n c yg r a d u a l l yd e c r e a s i n gf i e n d h a v ea n a l y z e df i e l da n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fo r g a n i z a t i o nt h a th - b e a ms t e e l c o n t r o l l e dc o o l i n gi nt h ec o n r s et h r o u g ht e s t i n g ，f i n dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f a d j u s t i n gs t e e lp r o d u c t sm a t e r i a lo fg o o dm o d e lq 2 3 5 h b e a ms t e l lp e r c e n t a g ea n d a c c u s eo fc o l dc r a f tp a r a m e t e r ( t u r no nc o l dt e m p e r a t u r e ，c o o lt i m e ，r i v e r sd e n s i t y , a p a c eo fr o l l e r , c o l dt e m p e r a t u r eo fe n d ) c a r li m p r o v et h ef i e l da n dm e c h a n i c s p e r f o r m a n c eo fo r g a n i z a t i o no fh - b e a ms t e e lo b v i o u s l y ( s u r r e n d e ri n t e n s i t y ( r ，t e n s i l e s t r e n g t h # 6 ，c o e f f i c i e n t o f e l o n g a t i o n 6 , ) o r s a n d 吒h a s b e e n n o t a b l y e n h a n c e d t h er e s e a r c hp r o j e c t si nt h eh - b e a mc a nb ec o n t r o l l e dc o o l i n ga f t e rr o l l i n gd e v i c e s p r o v i d ea ni m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e rf o r t h eh - b e a mc o n t r o l l e dc o o l i n ga f t e rr o l l i n g t h ea p p l i c a t i o no f t h el a wt op r o v i d es c i e n t i f i ca n dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e k e y w o r d s ：h - b e a ms t e e l ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，s t r e s sf i e l d ，s t r a i nf i e l d ， o r g a n i z a t i o nf i e l d i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特，l , j j t l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：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守此规定) 签名：庭丝塞导师签名：= 耋堕堑 日期：坌! 堕：立：盆 辽宁科技太擘硬士论文第一章课题缘连 第一章课题综述 1 1 h 型钢及控冷技术冷简介 h 型钢是一种截面分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高 效型材，因其断面与英文字母”h ”相同而得名，h 型钢也称宽平行边工 字钢或宽缘钢梁。它与普通的钢梁相比，其翼缘宽、壁薄、单重轻、节 省金属，并且高度范围大、规格多、使用灵活、翼缘内外侧表面基本平 行、翼缘端为直角，便于组合铆焊连结，有优良的力学性能；其断面模 数、惯性矩及相应刚度等力学性能都优于同类工字钢。h 型钢具有抗弯 能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应，h 型 钢的截面图如图1 1 所示1 。 图1 1h 型钢截面图 f i g 1 is e c t i o n a lp i c t u r eo fh b e a ms t e e l 图中参数代表的意义：h 为高度，b 为宽度，r 为圆角半径，t 1 为腹板厚度，t 2 为翼缘厚度， 热轧h 型钢的表示方法：h 型钢分为宽翼缘h 型钢( h k ) 、窄翼 缘h 型钢( h z ) 和h 型钢桩( h u ) 三类n 1 。其表示方法为：高度h 宽 度b 腹扳厚度t l 翼扳厚度t 2 ，如h 型钡q 2 3 5 、s s 4 0 02 0 0 2 0 0 8 1 2 表示为高2 0 0 r a m 宽2 0 0 r a m 腹板厚度8 m m ，翼板厚度1 2 m m 的宽 翼缘h 型钢，其牌号为q 2 3 5 或5 s 4 0 0 。 辽宁科技大学硬士论文 第一章谋题综述 1 2h 型钢国内外发展概况 l 。2 1 国内发展概况 目前国内已经投产的共有5 套具有世界先进水平专业性h 型钢万能 轧机，马钢2 套，莱钢2 套，日照钢厂1 套，全部达产后可以年生产h 型钢及大型材为5 0 0 万吨以上。由于莱钢的大h 型钢刚投产，马钢小 规格h 钢产能还在逐步释放中，今年这几套轧机实际生产产量预计为 2 8 5 万吨左右。 1 0 年前，我国热轧型钢生产全部由横列式三辊轧机轧制，轧机采用 胶木瓦作轴承的开口式或闭口式机架，轧制精度低，换辊时间长，效率 低，能耗高。也正因为没有万能轧机，我国长期不能生产经济型断面的 热轧h 型钢，在我国仍未推广应用。但是近1 0 年来，我国热轧h 型钢 及型材的生产技术发生了很大变化，主要表现在： 一是采用万能轧机生产h 型钢，拓展了我国h 型钢的生产局面和应 用市场。 二是从横列式轧机发展为连续式、半连续式或三机架可逆轧制，轧 机广泛采用短应力或紧凑式机架，用滚动轴承替换胶木瓦。 三是精整系统从过去的定尺冷却、定尺矫直，发展到长尺冷却、长 尺矫直精整新工艺。 四是从机械化操作过渡到自动化或计算机控制。 h 型钢是一种经济型断面钢材，2 0 世纪初期在欧美已开始使用，广 泛应用于钢结构建筑工程中。1 9 9 8 年，马钢、莱钢h 型钢生产线陆续 投产，结束了我国不能生产h 型钢的历史。 目前我国已经建成的h 型钢生产厂除了马钢、莱钢之外，还有日照 小h 型钢厂、津西大h 型钢厂、长治小h 型钢厂、莱钢万力小h 型钢 厂。 这些已建的h 型钢轧机，采用了国际上先进的技术和装备，主要有 以下特点： 一是广泛采用异型坯轧制。 二是万能轧机的结构有了很大改进。生产中，小规格h 型钢的万能 轧机，有的采用预应力的高刚度万能轧机，机架整体换辊，万能轧机的 压下均为电动。有的采用紧凑式机架、液压压下、a g c 控制，换辊时机 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 架的非传动侧牌坊可移动，辊系不需从牌坊的侧窗口移出，即可进行快 速更换。 三是主电机采用交流变频调速。 四是部分h 型钢厂选用了一h 轧制工艺。该工艺在三机架可逆连 轧机上往返轧制后，不再设置精轧机就可轧制出成品，与传统的h - h 轧 制技术比较，减少了l 台精轧机。从国外的生产实际看，x h 法轧制的 h 型钢其质量和消耗不比传统的h h 法差，更重要的是减少了1 台万 能轧机，从而降低了建设成本。 五是广泛采用长尺冷却、长尺矫直、冷锯切定尺的精整工艺。国内 新建h 型钢厂大多采用长尺冷却、长尺矫直、冷锯锯切的精整工艺。减 少了成品的头、尾矫直盲端，提高了产品质量。尤其是近期建设的莱钢、 津西大h 型钢，采用了双支撑的门式多辊矫直机，从而保证了大规格h 型钢的矫直质量。这种双支撑门式矫直机一侧的牌坊是可移动的，牌坊 移出后，吊车上悬挂的机械手将一排矫直辊同时吊走，可实现快速换辊。 1 2 2 国外发展概况 随着工业的发展“1 ，在资本主义工业革命的推动下，钢铁和造船业在 欧美得到迅速发展。这时，方、圆、h 型钢等简单断面型钢已不能满足大 型工程的设计要求。材料力学的研究表明，具有工字型断面的型钢具有更 大的抗弯系数，又比上述断面的型钢节约金属。正是在这样的情况下1 8 7 4 年法国人兹尔发明了工字钢。在1 8 5 0 1 8 6 0 年间，人们发明了万能轧机。 这种万能轧机由两个水平辊和一对立辊组成，水平辊由电机驱动，立辊靠 轧件摩擦力带动。一般万能粗轧机和万能中间机组是可逆多道次轧制，万 能精轧机为一道次不可逆轧制，它作为精轧机架与二辊和三辊横列轧机一 起工作。在1 8 8 0 年前后具有多机架的万能轧机相继在法国、德国和美国 问世。万能轧机的发明，为轧制宽腿无斜度的工字钢创造了条件。 平行腿工字钢( 8 0 衄x8 0 哪) 最初是由德国格拉茨厂用普通三辊式 轧机轧成的。质量极不稳定。为保证腿部平行，后来人们用一架万能轧机 作精轧机的方法来获得平行腿部，这种方法能生产出平行腿工字钢和中等 尺寸的宽腿工字钢，但不能成系列的生产型钢。可见万能轧机的出现对于 宽腿和平行腿工字钢的生产具有决定作用。尽管万能轧机可使工字钢的腿 部受到垂直压力而宽展和延伸，但它无法准确控制轧件腿部的宽展以及腿 尖部加工精度。 3 辽宁辑技大学颈士论文 第一章谦题缘连 1 8 9 7 年格林等人在研究报告中曾经明确指出：仅靠一个万能轧机架 是不能保证工字钢腿部宽展和腿尖部加工精度的。必须还有一架立压机架 与之连轧才能保证腿高的控制和腿尖的良好加工。 自1 9 0 8 年开始按照格林法先后在美国和德国建立了大量生产平行腿 和宽腿工字钢的轧钢厂，如1 9 0 8 年投资生产的美国伯利恒公司的宽腿工 字钢厂，1 9 1 4 年德国投资兴建的培因厂等，这种轧机的建造一直到1 9 5 5 年。在1 9 5 5 年后，随着建筑业的发展，设计上要求轧钢厂提供腿和腰很 薄的平行腿工字钢。1 9 5 8 年在欧洲煤钢联营的国家范围内，发展了适应 上述要求的新的轻型工字钢系列i p e ( 梁型h 型钢) 工字钢系列。而仅由 几架二辊式或三辊式粗轧机、一架万能轧机，一架轧边机所组成的轧钢机 组是不可能成系列轧出这种腰薄腿宽的工字钢的。这样，就促进了轧机的 改造和薪建。 新建轧机的特点足采用多机架的万能轧机机组，在轧制方法上多采用 连轧的方法来获取高的生产率。1 9 5 7 年9 月第一批i p e 系列的宽腿工字 钢在培因厂诞生。由于i p e 系列及 p b ( 柱及桩型h 型钢) 系列的工字钢 是平行腿工字钢，其断面如英文字母“h ”，故人们称这种平行腿工字钢 为h 型钢，有的也称其为宽腿工字钢。实际上凡是腿内侧无斜度的工字钢 都通称为h 型钢。h 型钢一般包括做梁、柱和桩用的各种腿内侧无斜度的 工字钢。热轧型钢诞生一百多年来，经历了四个发展阶段。第一阶段即普 通型工字钢；第二阶段是窄腿h 型钢( 如i p e ) ；第三阶段为宽腿h 型钢 ( 如i p b 系列) 第四阶段为闭合形型钢，如方管，是用热轧平行腿槽钢焊 接成的。这种方管比h 型钢的断面模数更大，而且维修施工方便，外形美 观，被广泛用于蜂窝梁、龙骨等构件。 h 型钢具有平行的腿部，便于机械加工和安装，既美观大方又省工省料。 h 型钢用在建筑上可使构件质量减轻3 0 ，用在桥梁上，可减轻质量1 5 ， 所以现在许多国家都用h 型钢代替了原来有斜度的工字钢。在国外，h 型 钢产量占工字钢生产总量的8 0 以上。据调查日本h 型钢产量占型钢产 量的5 0 左右，而普通工字钢的产量仅占型钢产量的2 ，3 。h 型锅以建筑 业需要量最大占6 0 ；其次是机械行业及桥梁制造业，分别占2 0 和s 。 2 0 世纪6 0 年代以前，世界上共有大型轧机7 4 套，轨梁轧机2 4 套，宽边 钢梁轧机1 2 套。宽边钢梁轧机当时以美国为最多。共6 套，日本仅有2 套。 6 0 年代以后，随着世界钢铁工业的发展，h 型钢轧机也随之得到迅 速发展，而大型和轨梁轧机则发展得很慢。大多数国家的钢铁界都在积极 4 辽宁科技大学硕士论文 第一章课题综述 筹建新型的h 型钢轧机。为节约建设投资。充分利用原有大型及轨梁轧机 进行技术改造，这种作法在日本得到普遍采纳。 从1 9 6 1 年到1 9 7 2 年大约十年间，日本先后改造了三个大型厂和一个 轨梁厂，主要引进了万能轧机。日本大约用了四年的时间进行设备改造和 引进了新技术，到1 9 6 5 年已可大量生产h 型钢。随着日本钢铁工业的发 展，从1 9 6 7 年到1 9 7 2 年的五年时间里，日本的h 型钢生产又取得了巨大 的发展。这期间先后兴建了八个h 型钢厂。特别是川畸制铁公司的水岛中 型厂和新日铁公司的君津大型厂的新式h 型钢轧机，由于采用连续轧制、 高速轧制和计算机控制等新技术，所以日本h 型钢生产无论在产量还是 在质量上都已名列世界前茅。 据世界有关钢铁统计报道，1 9 8 5 1 9 9 5 年间日本h 型钢年产量为4 2 0 万吨6 0 3 万吨，h 型钢产量占日本钢材总产量的5 2 8 8 ，平均为 6 7 。该国主要应用在建筑业中的h 型钢，约占h 型钢的总消费量的8 0 ， h 型钢的出口量约占其产量的2 0 。据不完全统计，世界每年h 型钢产量 在2 0 0 0 万吨左右，在建生产能力约为4 0 0 万吨，总生产能力每年在2 5 0 0 万吨以上。h 型钢主要生产国和地区有日本、美国、韩国、德国、法国及 欧共体等。 1 3h 型钢的制造方法简介 1 3 1 焊接h 型钢 焊接h 型钢生产工艺流程：钢板- 一自动分条一组立自动埋弧焊一探伤 一- 翼缘矫正腹板矫正一端面加工一喷砂除锈一喷漆。工艺流程图如图1 2 所示 图1 ，2 焊接h 型钢生产工艺流程圈 f i g 1 2w e l dh b e a ms t e e la n dp r o d u c et h ep r o c , e s sc h a r t 辽宁年 技大学硕士论文 第一章课题综连 焊接h 型钢制造工艺比较简单，但是其力学性能照热轧h 型钢较差， 存在着一定的局限性。 1 3 2 热轧h 型钢 热轧h 型钢根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，具有优良的 力学性能和优越的使用性能。 一是结构强度高。同工字钢相比口1 ，截面模数大，在承载条件相同 时，可节约金属1 0 1 5 。 二是设计风格灵活、丰富。在梁高相同的情况下，钢结构的开间可 比混凝土结构的开间大5 0 ，从而使建筑布置更加灵活。 三是结构自重轻。与混凝土结构自重相比轻，结构自重的降低，减少 了结构设计内力，可使建筑结构基础处理要求低，施工简便，造价降低。 四是以熟轧h 型钢为主的钢结构，其结构科学合理，塑性和柔韧性 好，结构稳定性高，适用于承受振动和冲击载荷大的建筑结构，抗自然 灾害能力强，特别适用于一些多地震发生带的建筑结构。据统计，在世 界上发生7 级以上毁灭性大地震灾害中，以h 型钢为主的钢结构建筑 受害程度最小。 五是增加结构有效使用面积。与混凝土结构相比，钢结构柱截面面 积小，从而可增加建筑有效使用面积，视建筑不同形式，能增加有效使 用面积4 6 。 六是与焊接h 型钢相比，能明显地省工省料，减少原材料、能源和 人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好。 七是便于机械加工、结构连接和安装，还易于拆除和再用。 八是采用h 型钢可以有效保护环境，具体表现在三个方面：一是和 混凝土相比。可采用干式旌工，产生的噪音小，粉尘少；二是由于自重 减轻。基础施工取土量少，对土地资源破坏小，此外大量减少混凝土用 量，减少开山挖石量，有利于生态环境的保护；三是建筑结构使用寿命 到期后，结构拆除后，产生的固体垃圾量小，废钢资源回收价值高。 九是以热轧h 型钢为主的钢结构工业化制作程度高，便于机械制 造，集约化生产，精度高，安装方便，质量易于保证，可以建成真正的 房屋制作工厂、桥梁制作工厂、工业厂房制作工厂等。发展钢结构，创 造和带动了数以百计的新兴产业发展。 十是工程施工速度快，占地面积小，且适合于全天候施工，受气候 6 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 条件影响小。用热轧h 型钢制作的钢结构的施工速度约为混凝土结构施 工速度的2 - 3 倍，资金周转率成倍提高，降低财务费用从而节省投资。 以我国”第一高楼”上海浦东的”金贸大厦”为例，主体高达近4 0 0m 的 结构主体仅用不到半年时间就完成了结构封顶，而钢混结构则需要两年 工期。 1 4h 型钢控制冷却的国内外发展现状 1 4 1 我国发展现状”1 6 0 年代初，我国在控制冷却和钢材形变热处理工艺方面已经起步， 并取得初步的成果。7 0 年代初，控冷技术先后被列为“六五”、“七五” “八五”科技攻关项目，有关大专、科研院所及生产厂家，结合常用钢 种和国内的控冷技术条件，在控冷技术的基础理论与实际应用方面做了 许多卓有成效的工作，如测定了钢种的基础数据；对n b 、v 、t i 微合金 元素在钢中的作用，形变奥氏体再结晶，控冷工艺与组织性能的关系， 微合金元素碳氮化物固溶析出，钢的变形抗力等进行了广泛深入的研究； 某些生产厂应用控冷工艺取得了提高产品质量的良好效果。另外还在重 钢五厂等建成了国内第一条独具特点的控冷生产实验线。这些工作为我 国进一步发展和应用这项具有明显经济效益的轧钢新技术奠定了可靠的 基础。 1 9 9 1 年1 2 月，马钢在改造的6 3 0 轧机试轧成功了2 0 0 m m 以下的h 型钢，但由于种种原因没有批量生产。1 9 9 2 年6 月。马钢向外商提出了 万能型钢轧机的项目询价书，最终德国曼内斯曼德马格萨公司( m p s ) 中 标。这是我国投资兴建的第条万能轧机生产线。至1 9 9 8 年又引进建成 我国第一条热轧腰高2 0 0 7 0 0 m m 的h 型钢生产线。该厂的设备是从德国 和美国引迸的，是我国目前生产h 型钢装备水平最好、自动化程度最高 的生产线，前后不过1 0 年时间。因此在h 型钢的控制冷却方面，国内开 展的研究工作还很少。我国鞍山第一轧钢厂于1 9 9 5 年从美国内陆钢铁公 司引进的一套h 型钢二手生产设备。该生产线设置了控冷装置。可以在 成品孔出口辊道上进行强化喷水冷却，同时在冷床入口侧设有立冷翻钢 装置，这有利于减小温度造成的型钢内应力。 从总体上来看，我国h 型镪生产还处在起步推广阶段。如何使热轧 h 型钢，尽快在国内工程建设中广泛应用，充分发挥其优越性，是当务 辽宁科技大学硬士论文第一章谋题综述 之急。 1 4 2 国外发展现状“1 ” 早期一些国家如比利时，瑞典等国的钢铁厂首先采用控轧来代替常 化处理，解决了钢的脆断性问题，这确立了控冷技术的原始技术。以后 随着控冷技术的进一步发展，6 0 年代采用控轧控冷解决了含n b 钢v t s 偏高的问题。近年来国外有关控冷应用基础研究日益深入，发表了许多 水平较高的学术论文，进一步指导和推动了控冷技术的发展和应用。 本世纪6 0 年代上半期，日本颞日铁为在提高韧性的同时保持良好的 焊接性能，采用了微合金化加上控轧控冷的措施。轧制中对翼缘进行控 制冷却，以减少温度差，细化铁素体晶粒，同时使得h 型钢的断面各部 分的组织均匀，防止产生较大的内应力，以及翘曲和弯曲。 8 0 年代后期卢森堡的阿尔贝德在开发低温高冲击韧性钢中也取得了 较大的成功，采用了t m s c 工艺( 控轧一局部冷却工艺) 开发出的低温高冲 击韧性钢。在轧后采用了q s t 工艺( 淬火自回火) 。通过对钢材的微合金 化处理。结合采用t m s c 工艺和q s t 工艺，生产出了传统工艺无法获得 的高韧性高强度的产品，同时保持了其良好的焊接性能。为克服普通的 t m 热轧工艺在轧制h 型钢时缺点，卢森堡的阿尔贝德公司与其它公司合 作开发了t m s c 工艺( 控轧一局部冷却工艺，其局部冷却原理如图1 4 所示。 图1 4t m s c 工艺局部冷却原理 f i g 1 ，4t m s cc r a f to fp a r t i a lc o o lc o o l i n gp r i n c i p l e 采用t m s c 工艺基本克服了普通控轧h 型钢的缺点，生产的产品 截面的性能均匀，提高了轧机的生产效率可以看出这个局部冷却工艺与 h 型钢翼缘冷却工艺几乎是相同的。卢森堡的阿尔贝德公司与其合作伙 伴进一步开发了o s t 技术( 淬火加自回火) ，该工艺是在终轧后对钢梁进 行快速水冷，使其表面生成马氏体，在钢梁中心冷却前停止水冷，利用 中心余热进行回火。 目前世界上h 型钢控冷技术以卢森堡的阿尔贝德公司为代表，开发 了h 型钢t m - s c 轧制技术和o s t 控冷技术代表了目前h 型钢生产，控冷技 辽宁科技大学硕士论文 第一章课题综连 术的最高水平。其结构简图如图1 5 所示 图1 5q s t 控制冷却设备简图 f i g 1 5q s tc o n t r o ll e dc o o li n gt e c h n o l o g ye q u i p m e n ts k e t c h 1 5 控冷形式的选择 控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目 的。出于热轧变形的作用，促使变形奥氏体向铁素体转变温度( a r ) 的提 高，相变后的铁素体晶粒容易长大。造成力学性能降低。为了细化铁索 体晶粒，减小珠光体片层间距，阻止碳化合物在高温下析出，以提高析 出强化效果而采用控制冷却工艺。 特别是生产薄腹h 型钢的关键技术是h 型钢翼缘水冷技术。随着腹 板厚度减薄，腹板的弯曲刚度也在下降，同时腹板冷却速度更快，腹板 与翼缘的温差加大，作用于腹板与翼缘的热应力增加，容易造成腹板弯 曲。只有对翼缘进行辅助冷却，减少腹板与翼缘的热应力，才能防止腹 板弯曲。h 型钢翼缘水冷技术原理如图1 6 所示。 图1 6h 型钢翼缘水冷技术原理图 f i g 1 6f l a n g ew a t e rc o o l i n gt e c h n o l o g ys c h e m a t i cd i a g r a mo fh - b e a m s t e e l 9 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 控制冷却钢材的性能取决于轧后的冷却条件。控制冷却条件( 开冷 温度、冷却速度、终冷温度) 对相变前的组织和相变后的相变产物、析 出行为，组织状态都有影响。因此为获得理想控制冷却钢材的性能，就 得要选择良好的冷却方式。一般可把轧后控制冷却过程分为三个阶段， 称为次冷却( 空冷) 、二次冷却( 水冷) 和三次冷却( 空冷) 。三个阶 段的冷却目的和要求是不同的”2 “。 次冷却( 8 7 0 - 7 7 0 ) 是指从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体 开始转变温度4 ，或二次碳化物开始析出温度这个温度范围内的冷 却控制，即控制其开始快冷温度、冷却速度和冷却终止温度。这一阶段 控制冷却的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止奥氏体的长大，阻 止碳化物析出，固定因相变而引起的位错，降低相变温度、为相变做组 织上的准备。相变前组织状态直接影响相变机制和相变产物的形态、粗 细大小和性能。一次冷却的开始快冷温度一般说来越接近终轧温度，细 化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。 二次冷却( 7 8 0 - 6 5 0 ) 是指从相变开始到相变结束温度范围内的冷 却控制。二次冷却的目的是控制钢材相变的冷却速度和控冷的温度，即 控制相变过程，以保证钢材快冷后得到所要求的金相组织和力学性能。 二次冷却是整个控冷过程中的关键部分。 三次冷却( 空冷) 是指相变后至室温范围内的冷却。对低碳钢来说 相变过程全部结束，冷却速度对组织没有什么影响。而对于含有n b 钢在 控冷过程中会发生碳氮化物析出，对生成的贝氏体产生轻微的回火效果。 对于高碳钢或高碳合金钢控冷相变后将使快冷时来不及析出的过饱和碳 化物继续弥散析出。如相变后仍采用快速冷却工艺。就可以阻止碳化物 析出，保持其碳化物的固溶状态，以达到固溶强化的目的。“，本文对于 型钢温度场以及应力应变场的研究就是采用先空冷再水冷最后空冷的三 个冷却阶段。 针对h 型钢的特点其冷却方式主要是根据以下因素选择n ”1 ：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，灵活性可靠等。常用的具体冷却方法有：喷水冷却( 喷流冷却) ， 喷射冷却，雾化冷却，层流冷却，浸水冷却等。 根据h 型钢断面的特点本课题将采用喷射冷却，采用多方向对h 型 钢腰、腿部进行喷水冷却，控制腰、腿部的温度，从而减小h 型钢内应 l o 辽宁科技大学硕士论文 第一章课题综速 力，得到较好形变效果。喷射冷却就是将水加压后由喷嘴喷出的时候， 如超过连续喷流的流速时则水流发生破溅。形成液滴群冲击被冷却的钢 材表面。把这种利用液滴群冷的方法叫做喷射冷却。该方法适合于一般 冷却和各种用途的喷嘴。但是用同一喷嘴所能控制的冷却能力范围有限。 并且需要比其他方法施加更高的压力。 1 6 课题研究的内容 本课题根据目前h 钢生产的实际情况和空冷技术的现状，利用有限 元分析软件a n s y s 对热轧h 型钢控轧后制冷却过程进行分析模拟，得到 h 型钢在不同水冷条件下的温度场、应力应变场，通过显微境观看其组 织场，建立喷水装置的模型，从而为制定和设计合理的控冷工艺参数为 h 型钢的生产提供重要的指导。同时减少h 型钢在空冷过程中的温差， 减小热应力，我出h 型钢的冷却过程中的合理变形，最终使其力学性能 接近合金钢的性能。 本课题利用a n s y s 有限元分析软件，对h 型钢的冷却过程进行有限 元模拟，研究冷却过程中的热边界条件；分析h 型钢冷却在不同温度下 应力应变场的分布及其变化规律，从而为控制冷却系统的设计提供指导： 分析不同冷却方式h 型钢的力学性能，选择最佳方案，建立实际冷却装 置模型并进行实验研究。具体内容如下： 建立合理的h 型钢喷射水冷却温度场的有限元模型，尽量减小抽象 模型与实际模型的差距、热传导系数的理论数据与实际的差距，及边界 条件等问题。 利用大型有限元分析软件a n s y s ，对q2 3 5 h 型钢相同的终轧温度、 终冷温度及不同冷却速度等控冷工艺参数下的温度场、应力应变场及组 织场进行有限元分析。获得各种条件下的温差曲线、应力曲线、应变曲 线及组织的变化图等。 通过对q2 3 5 h 型钢轧后控制冷却过程组织场及性能的分析，明确微 合金元素对h 型钢控冷性能的影响程度，明确影响h 型钢控冷后组织性 能的加速冷却的主要工艺参数：开冷温度、冷却速度、终冷温度。 1 7 课题研究的现实意义 目前h 型钢在建筑及工业中应用非常广泛，用户对h 型钢性能要求 将会不断提高，客户需求的h 型钢的性能要求更高，企业尤其是建筑业 辽宁科技大学硬士论文第一章课题综述 以及工业厂房设备所需要的h 型钢的性能更加严格，国外的h 型钢工艺 的研究起步早，发展快，面对我国h 型钢的生产市场，如何能够提高其 质量，增加竞争力，是国内生产h 型钢企业所需要面对的问题。 h 型钢在轧后控制冷却的工艺研究主要是围绕着提高产品性能，同 时减少残余应力及不均匀变形所进行的，到目前为止这方面研究开展的 不多。本课题意义就在于借鉴国内外冶金企业在开发热轧h 型钢控制冷 却和余热淬火工艺方面实际经验，进行h 型钢轧后控冷的应力应变场及 组织场的基础性研究。使：q 2 3 5h 型钢性能达到合金钢的机械性能要求， 其中经控冷处理q 2 3 5 钢的屈服强度可提高5 0 以上。 h 型钢采用控制冷却工艺的优点主要有心”剐：节约能耗，降低生产 成本；利用轧后钢材余热，给予一定的冷却速度控制其相变过程，从而 可以取代轧后正火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，大大的提高生产率， 增强产品的市场竞争力，从而为企业和国家带来可观的经济效益；可以 降低奥氏体相变温度，细化室温组织，轧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，将会大大的提高其机械性能，使其达到合 金钢的力学性能要求：可以降低钢的碳含量，采用轧后控制冷却工艺有 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； 道次间控制冷却可以减少待温时间，提高轧机小时产量，因此本课题无 论在理论研究上，还是在实际的生产应用中都具有非常重要的意义。 我国某一钢厂h 型钢由于生产线上没有设立轧后控制冷却装置强”， 轧制后的h 型钢无法进行有效的控制冷却，影响到产品性能的进一步提 高；产品的开发及综合性能的提高仅靠合金含量的增加，导致了产品成本 明显上升，如英标b s 5 5 c 钢种的h 型钢钒含量超过了0 1 0 ，铌含量在 0 0 4 以上，使得产品的平均成本上升约2 2 0 元t 。随着高技术含量、高 附加值h 型钢双高产品产量的扩大，为降低生产成本增加效益，迫切需要 研制出有效的h 型钢轧后控制冷却技术，通过控制冷却来提高钢材产品 综合性能，以达到用廉价的水冷却方式来取代昂贵的合金元素的目的。 1 8 本章小结 本章介绍了h 型钢国内外发展情况，国内外空冷技术的发展情况， 以及课题研究内容及意义。 ：辽宁科技大学硕士论文 第二章h 型铜控制冷却过程理论分析 第二章h 型钢控制冷却过程理论分析 2 1 有限元软件州s y s 简介 a n s y s 软件池 是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析( f e a ) 软件。它是世界范围内增长最快的c a e 软件，能够进行包括结构、热、 声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空 航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子等领域有着广泛的 应用。 本课题利用软件a n s y s 对h 型钢进行热分析，进而进行应力应变场 和组织场的分析。热分析主要用来计算一个系统或部件的温度分析及其 他热物理参数( 热量的获得或损失、热梯度、热流密度等) a n s y s 进行 热分析的过程，实际上是先将待处理的对象划分成有限个单元( 包括若 干个节点) ，然后基于传热学经典理论、能量守恒原理的热平衡方程，求 解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出节 点温度，进而求解出其他相关量。课题主要是利用有限元建立h 型钢控 制冷却过程中的瞬态温度场、应力应变场的有限元模型，为h 型钢整体 控冷过程的实验提供理论依据。 2 2 通过应力应变场进行有限元分析的目的 本章主要是对h 型钢轧后控冷过程的应力应变场有限元分析。利用 a n s y s 有限元软件建立q 2 3 5h 型钢温度场模型，过程h 型钢横截面瞬态 应力应变场。通过应力应变场的有限元分析主要有以下几方面研究内容： 1 研究h 型钢均匀淬火冷却后，h 型钢横截面应力应变场的分布规 律。 2 研究h 型钢不均匀淬火冷却后，h 型钢横截面应力应变场的分布。 3 通过多组数据的模拟比较得出较好的分析结果，找出水流密度与 温度场( 应力应变场是基于温度场研究的) ，应力应变场的的分布规律， 找出一组较好的水流密度分布，为生产提供参考。 2 3 温度场有限元计算原理简介啪1 幻 应力应变场的研究是在温度场的研究基础之上的，所以必须先研究 温度场，先介绍温度场有限元基本原理。 辽宁科技大擘硕士论文 第二章h 型钢控帚l 冷却过程理论分析 2 3 1 三种基本热传递方式 热传递可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分 之间由于温度梯度而引起的内能的交换，热分析包括热传导、热对流和 热辐射三种传递方式心”： 1 热传导 当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递 到低温部分：而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到 低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。 q r 图2 ，1 热传导示意图 f i g ，2 1t h eh e a tc o n d u c t i o ns c h e m a t i cc t r a w i n g 如图2 1 所示，图中的左右两个表面均维持均匀温度，分别为和 ， ，热量从左侧向右侧平面传递。且满足以下关系式： 譬：型雩型 ( 2 1 ) 式中：q 时间t 内的传热量或热流量；k 为热传导率热传导系数；t 为温度；a 为平面面积：d 为两平面的距离。这个公式表达的就是著名 的傅立叶定律，又称热传导基本定律。 2 对流 热对流是指固定的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在 引起的热量的交换。高温物体( 如暖气片) 表面常常发生对流的现象。 这是因为高温表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。于 此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气，如图2 2 所示。 热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方 程来描述： g ”= ( 7 二一瓦) ( 2 2 ) 式中：h 为对流换热系数( 或称膜传导系数、给热系数、膜系数 等) ；z 为固体表面的温度；乙为周围流体的温度。 1 4 辽宁科技大学颈士论文第二章h 型钢控制冷却过程理论分析 3 辐射 鬈同 片1 1 1j 1 j 图2 2 对流示惹图 f i g 2 2c o u n t e r - f l o ws c h e m a t i cd r a w i n g 热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换 过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需 要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效 率最高。 在工程中通常考虑两个或以上物体之间的辐射，系统中每个物体同 时辐射并吸收热量。他们之间的净热量传递可以用斯蒂芬波尔兹曼方 程来计算： q = c p a i e 2 ( 五4 一巧) ( 2 3 ) 上式中：q 为热流率；占为实际物体的辐射率，或称为黑度，它的数 值处于0 - 1 之间；p 为斯蒂芬一波尔兹曼常数：4 为辐射面1 的面积；e ： 为由辐射面l 到辐射面2 的形状系数；z 为辐射面1 的绝对温度；正为 辐射面2 的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是非曲线 性的。 2 3 2 导热微分方程的建立陆”1 h 型钢余热淬火过程的温度场以及应力应变场的计算基本上是在一 定的初始条件和边界条件下型钢内部瞬态的热传导问题。型钢内部的温 度是时间和空间的函数，