（机械设计及理论专业论文）工字钢轧后控制冷却过程数值模拟与优化设计.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 为了满足具有更高性能的钢铁产品的生产需要，人们将提高钢板性能的研究 开始转向控轧后再水冷的，以获得控制冷却的效果。从此轧后控制冷却技术逐渐 开始得到了广泛应用。热轧型钢应用控制冷却技术可以提高钢材的综合力学性能， 增强钢材的市场竞争力，是冶金行业优先发展的关键技术之一。因此研究热轧工 字钢轧后控冷机理和控冷模型具有非常重要得意义。 木文应用传热学的基本原理，对热轧工字钢轧后控制冷过程的传热过程进行 分析，并采用适当的假设和简化，参考国内外控冷资料，研究了冷却过程中的热 边界条件，并选择更符合生产实际的初始条件和边界条件，利用a n s y s 软件完成 了热轧工字型钢轧后控制冷却过程的数值模拟，获得工字钢轧后控制冷却过程的 瞬态温度场分布，得出工字型钢轧后控制冷却的重要参数。在此基础上，利用 a n s y s 的a p d l 参数化设计语言对热轧工字型钢轧后控制冷却过程进行了参数优 化设计，并且对热轧工字型钢轧后控制冷却进行了热应力应变分析，由热应力应 变的分析结果可以为型钢轧后控制冷却系统的设计提供参考依据。 通过采用控制冷却技术，可以提高工字型钢的综合力学性能，本课题的分析 结果对于掌握工字型钢的冷却规律以及开发控制冷却新工艺具有实际指导意义， 为工字型钢轧后控制冷却技术的应用提供科学依据。 关键词：工字型钢，有限单元法；控制冷却；瞬态温度场；数值 模拟：优化设计 辽宁科技大学硬士论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fm o r ea n dm o r es t r i c td e m a n d so nh o tr o l l e dc h a r m e ls e c t i o n m e t a l l u r g y ，t h e c h a n n e ls e c t i o nm a n u f a c t o r i e sm a k ee f f o r t st oi n c r e a s et h e c o m p e t i t i v e n e s s o f p r o d u c t s w h i c h i n c o r p o r a t e f a v o r a b l e i n t e g r a t e d ，u n i f o r m m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ，v e rt h e i rc r o s s - s e c t i o na n dh i g hs t r e n g t h s ot h et e c h n o l o g yo f i - b a rs t e e lc o n t r o l l e dc o o l i n gi sg r a d u a l l ya p p l i e di nm o r ea b r o a da r e a s t h et e c h n o l o g y o fc o n t r o l l e dc o o l i n ga f t e r r o l l i n g i s o no ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y i tc a ni m p r o v et h es t e e lp r o p e r t i e s i ti so fs i g n i f i c a n tt oi m p r o v e m a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t y c o n t r o l l e dc o o l i n go f t h ei - b a rs t e e lw a sa n a l y z e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h e r e f o r et h ec o n t r o l l e dc o o l i n gh a sg r e a tp r a c t i c a l i t ya n d s i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot eh e a tr e a n s f e rt h e o r y , b a s e do nt h ei - b a rs t e e lw a t e rc o o l i n gp r o c e s s a st h er e s e a r c ho b j e c t ，ah e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i cm o d e lw a se s t a b l i s h e db yp r o p e r l y s u p p o s i t i o na n ds i m p l i f i c a t i o n , a n dr e f e r r i n gt h ec o r r e l a t i v ei n n e ra n do u t e ri n f o r m a t i o n o nc o n t r o l l e dc o o l i n g ，t h ei n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e s t u d i e d ；t h eh e a tt r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o nw a sa d o p t e d ，t h ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g e o ft h et e m p e r a t u r ef i e l si nc o o l i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o g r a r n eo fc o m t r o l l e dc o o l i n gs y s t e mi n t h ei - b a ri sw e i t t e nb yu s i n ga p d lp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g ei na n s y s ，a n dt h e c o r r e c t n e s so ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sv a l i s a t e d m o r e o v e r , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f t h e1 - b a rw a t e rc o o l i n gm o d u l ei sd o n ea n dt h eh o ti n n e rs f f e s so f p r o f i l e so f t h ei - b a r w a t e rc o o l i n gt i m ei sa n a l y z e db ya y s y sc o u p l i n gm o d u l e a l lt h er e s u l ti sb a s i sf o r t h ec o o l i n gc o n t r o la n dt h ea n a l y s i so ft h er e s i d u a ls t r e s si ni - b a r ，s ot h es t u d yi sv e r y i n s t r u c t i o n a li np r a c t i c e t h r o u g ht h es t u d y i n go ft h et e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e m e c h a n i c sp r o p e r t i e sp r e d i c t i o nm o d e lo f t h ei - b a rs t e e l ，t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp r o c e s s p a r a m e t e r sw e r eg a i n e d ，w h i c hh a si m p r o v e dt h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c sp r o p e r t i e s o f t h el - b a rs t e 日，t h ea p p l i c a t i o nc o n t r o l l i n gc o o l i n gt e c h n o l o g yf o rt h ei - b a rs t e e lo p e n s u pa n e wc h a p t e r k e y w o r d s ：i - b a rs t e e l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c o n t r o l l e dc o o l i n g ； t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 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，除了文中特别加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 辽宁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。 签名： ! 里圈 日期： 塑z ! ：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、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：! 旦! 訇导师签名：耋堕型 日期j 7 型2 ：! ：! ! 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 型材被广泛应用于各个领域，它是一系列新兴产业和传统产业技术更新换代、 结构调整的基础材料，是带动新型建筑用钢发展的重要动力，而各种特殊钢型材 则是现代汽车、轮轨运输和内燃机等产业技术升级的重要基础材料。 2 0 0 3 年的统计资料表明，全国有1 6 0 条小型材和8 4 条线材生产线，型材的产 量达到钢材总产量的5 7 之多，相当于当年全球钢铁总产量的1 2 左右。因此， 我国不仅是钢铁大国，同时还是名副其实的型材生产大国和消费大国。可见型材 在我国钢铁工业中具有重要地位。因此，无论从当前与今后社会的需求，还是从 目前生产现状出发，型材生产在我国都具有潜在的良好前景。 但是，作为占钢铁总产量5 0 以上的型材则必须根据其使用特点和生产特点， 解决自身面临的资源、能源和环境问题。如作为钢材原料之一的铁矿石不能完全 自足，还有钢材生产附加的粉尘排放对环境的影响等等。因此，来自资源及环境 两方面的限制将使我国型材的发展难以为继。若考虑到外矿价格和运费的上涨、 排污及治污费用的增加，加之源于激烈竞争导致的有限利润空间，形势将更为严 峻【1 】o 同时，面对来自应用领域技术进步对型材产品质量等级的要求，虽然运用微 合金化和控制轧制技术可以开发出如：海洋石油平台用h 型钢、铁道车辆用h 型 钢、耐火用h 型钢、英标b s 5 5 c 等高技术含量、高附加值的专用型钢新产品。然 而，仅靠合金含量的增加来提高产品的开发及综合性能导致了产品成本明显上升， 影响到产品性能的进一步提高。所以，为降低生产成本增加效益，迫切需要研制 出有效的途径和方法来满足市场对高技术含量、低附加值型钢双高产品的需求。 随着现代工业的发展，在2 l 世纪的今天，要解决上述资源、能源、环境、特 殊需求等问题，只能在可持续发展的原则指导下进行，即必须在节约资源、保护 环境的前提下生产高使用性能、低成本的先进型材。应用热处理手段可以解决这 样的问题，也就是说通过热处理能够用较少量的、高性能的产品取代传统的、以 较大的规格尺寸弥补性能不足的低性能产品，减少钢材用量。同时，从合金化和 生产技术两方面减轻资源及环境的负担和成本1 2 j 。 然而，随着对钢铁材料研究的不断深入，人们已经认识到组织细化是提高钢 铁材料强韧性的有效途径【3 】。与普通热处理手段相比较，控冷热处理技术( 控制冷 却技术) 是细化材料组织的有效途径，是近几年来发展起来的一种新型热处理技 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 术。 控冷热处理的工艺过程是：保温在奥氏体化一水冷至某温度一空冷。 而普通热处理调质工艺分为两步： 第一步：加热保温在奥氏体化一水冷淬火一至室温； 第二步：重新加热在某一温度，高温间火。 有此可见，控冷热处理工艺和普通调质热处理工艺相比较，前者省去高温回 火，是一种节能型的热处理工艺方法。由于省去高温回火的工序，比普通调质热 处理工艺减少设备投资，降低能耗，从而进一步降低热处理成本h i 。 近年来，控制冷却工艺已经成为现代轧钢技术领域中的项新技术，它不但 充分挖掘了钢材的潜力，大幅度地提高了钢材的综合性能，而且简化了生产工艺， 提高了生产效率，同时也节约了能源和昂贵的合金元素，给冶金工业和社会带来 了巨大的经济效益。控制冷却技术作为实现钢铁材料组织细化的重要技术手段， 已成为现代轧制生产中不可缺少的工艺技术捞j 。 在国家新一代钢铁材料研究项目中，主要以发展先进钢铁材料为目标，为进 一步发挥普通碳素钢的潜力，对其控轧控冷技术进行了研究。研究结果表明可以 通过临界奥氏体控轧控冷技术提高普通碳素钢的性能水平。 而基于碳素钢具有量大、面广的特点，我们应更加重视先进碳素钢的生产。 所以，本文以材质为普碳钢q 2 3 5 的工字型钢为研究对象，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。由 于工字型钢的断面和冷却特征比较复杂，笔者在实验室进行了试验研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 传统控制冷却技术发展与应用 控制冷却技术出现以前，人们曾通过运用控制热轧条件( 加热温度以及各轧制 道次的轧制温度、压下量) 为主的控制轧制技术并结合合金元素成分设计来生产强 度和低温韧性均较高的板带材( 如n b v 系高强度管线钢用厚板的开发生产州) 。 后来，发现这些技术已难以满足需要具有更高性能的钢铁产品的生产需要。随后， 人们将提高钢板性能的研究开始转向控轧后再水冷，以获得控制冷却的效果。最 后确认，通过控制冷却是可在不破坏钢板韧性的情况下提高其强度，而且在同一 强度下，可实现低合金化高强度钢的生产技术。并将结合控制轧制和控制冷却的 技术称为控轧控冷技术t m c p ( t h e r m o - - m e e h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s i n g ) 。 控制冷却设备的普遍应用有力地推动了高强度板带材的开发和在提高材质性 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 能方面技术的进步。控制冷却是在奥氏体相变温度区间进行冷却工艺制度控制， 使相变组织比单纯控制轧制更加细微化，促使钢材获得更高的强度，同时又不降 低其韧性。 1 - 2 2 国外研究概况 控制冷却技术是随着高强度低合金钢( h s l a ) 的发展而发展的。早期的高强 度低合金钢的化学成分是按强度设计的，而对焊接性能、成型性、及抗脆性、断 裂性能没有给予足够的重视。二战后，比利时、瑞典等国的钢铁厂首先采用控制 轧制来代替常化处理，解决钢的脆断性词题。 2 0 世纪6 0 年代，控制冷却就在热带钢输出辊道上用于材质控制过程a t 7 1 。7 0 年代，控制冷却技术工艺在钢板、钢管及重轨生产中得到应用，并形成了相应的 工艺模式及控冷设备。到了7 0 年代中期，控制冷却技术已应用于开发制造管线原 板的厚板领域。如：1 9 6 9 年美国在热轧带钢轧机上采用控轧控冷技术生产出x 6 5 管线板 舯。1 9 7 9 年，日本首先把在线加速冷却系统( a c c ) 应用于中厚板轧机上，并 于8 0 年代在欧洲得到广泛的推广。 2 0 世纪8 0 年代，控轧控冷技术又有新的发展，热处理方式开始由离线热处理 发展到在线处理的形式。如：1 9 8 0 年日本钢管公司在福山制铁所厚板厂4 7 0 0 m m 轧机生产线上安装了世界第一套在线快速冷却装置，标志着控冷技术已从实验室 阶段进入了实际生产应用阶段【9 15 1 。1 9 8 5 年，日本钢管公司在福山第二大型厂采用 离线辊底式连续热处理工字钢，以水雾冷却为冷却方式，将型钢加热到a ，、相变点 上，进行常化或淬火回火( q t ) 处理。经过热处理己能够生产q t 型6 0 0 m p a 、 8 0 0 m p a 级型钢和q t 型9 n i 型钢。其品种可以满足寒冷地区建筑用的型钢需求， 仃。 4 2 0m p a ，瓯 5 6 3 m p a ，同时满足了低温区用高强度、高韧性、焊接性能好 的型钢要求。美国a s t m 公司将热机轧制( t m c p ) 即：在线加速冷却和控制轧 n ( c r ) 共同控制钢材组织结构及性能应用于船板和管线钢板的生产中。 8 0 年代后期，卢森堡的阿尔贝德公司和英国钢铁企业合作开发了钢材在线热 处理技术，其利用轧制余热对钢材进行淬火和自回火( q s t ) 的在线热处理。阿尔 贝德公司拥有的热处理h 型钢的h i s t a r 系列拥有高强度、低温韧性好和可焊性好 等优点。数据表明：利用h i s t a r 4 6 0 强度系列的3 6 0 毫米高宽缘工字钢比用q 2 3 5 的同样高度的工字钢可节材3 0 左右。 随着控轧控冷技术受到越来越多的重视，其在生产中得到更为广泛应用。1 9 8 9 年，d a v y公司在法国敦克尔刻厂和韩国浦项厚板厂分别clecim g t sp o s c 0 2 # 组装了一套气雾式在线加速冷却装置，该装置采用了法国b e r t i n 公司开发研制 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 的水空气混合的专利喷嘴，在六年多的工业生产中收到了良好的效果。迄今为止 已生产经加冷却的厚板1 0 0 多万吨，主要用于管线、造船或其他工业用板，运用 这套装置，不仅可实现优于常规正火处理钢板的加速冷却“a c c ”工艺，而且可 实现在线直接淬火( d q ) 工艺。 近年来，国外已经把控轧控冷工艺技术普遍应用到新型轧机的设计中。例如 法国在中厚板轧机和热带轧机上设有控冷装置，并配置完善的测试仪表及其控制 系统。满足各种控轧控冷工艺要求，生产出性能优良的各种板材。 与此同时，有关控冷应用基础的研究日益深入，些具有推动性意义的学术 论文相继发表，这些都进一步指导并推动了控冷技术的发展和应用。 2 0 世纪6 0 年代，控冷瞬时热应力和残余应力的引用和各种不同晶系的各向异 性材料在内一般连续介质热弹性理论的研究工作在这一时期的到发展。7 0 年代初， 控制冷却技术的研究取得突破性进展，先进的热弹塑性模型和有限元法已经被大 量研究所采用。通过对加载经历、冷却速度和膨胀系数随温度变化等因素的考虑， 使得计算结果更接近于实测值。8 0 年代，a s i m o n 和g b e c k 等人以6 0 - - n c d i i 钢控冷为对象，以相变塑性作为条件，并考虑到马氏体转变既能导致相变塑性又 影响相变动力学这一应力与相变的相互作用，编制的内应力计算程序，计算结果 与实测值吻合较好。从而推动控冷过程和热处理热应力场研究方向上的更深层次 进展 1 6 - 2 0 1 。此外，b b u c l u u a y r 和j s k u - k a l d y l 在模拟计算低合金钢淬火的力学状 态对端淬火样品残余应力和应变的关系【2 1 1 以及r a w a l l i s t 等人在镍基台金锻件在 汽一水混合物中控冷的计算机模拟中，将流体动力学、热传导和应力、应变计算 相结合，开发满足性能要求且残余应力和变形最小的工艺都为我们后来控制冷却 理论研究提供了宝贵的科学资料。 1 2 3 国内研究概况 2 0 世纪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，并开展控轧控冷的研究工作，如用于x 6 0 和x 6 5 级管线钢的研制生产， 并在一些冶金高校、科研院以及冶金企业共同努力下，结合控冷技术与常用钢种， 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：针对n b 、 v 、t i 微合金元素碳氮化物固溶析出而引起变形抗力等控冷工艺与组织性能的关系 的研究，取得了一些提高产品质量的良好方法。 9 0 年代初，重钢五厂的中厚板生产线采用了控制轧制和可控的水幕冷却装置 2 2 1 。攀钢研究开发了钢轨在线全长余热淬火生产工艺。该工艺充分利用钢轨轧后 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 8 0 0 9 0 0 高温，直接对钢轨在专门的冷床上进行喷雾或压缩空气淬火田j ，该工艺 及大地提高钢轨的力学性能和轨头的耐磨性。 1 9 8 5 年，鞍钢于从美国引进的一套二手型钢生产线，该生产线设置了控冷装 置，可以在成品孔出口轨道上进行强喷水冷却，同时在冷床入口侧设有立冷翻钢 装置，这些都有利地减小型钢内应力，但当时由于某种原因其应用和产量都很有 限。9 0 年代，重庆钢铁公司五厂应用可控水幕冷却装置于中厚板生产线。1 9 9 6 年， 宝钢的热轧带钢轧机采用了层流冷却控制系统； 随着国内对控制冷却技术认识的不断加深，我国在冷却设备、冷却方式等控 制冷却技术方面取得了很大的进展。2 0 0 0 年，莱钢中型厂从外国引进的一条具有 国际先进水平的全自动控制、热送热装快速连轧型钢生产线。在精轧后和冷床前 安装限制水冷装置，减小了型钢轧件由于腿、腰冷却不均匀而产生的残余应力的 存在，又防止腰部波浪瓢曲现象的出现，从而提高了型钢的综合使用性能。近年 来，国内新上的板带材生产线如鞍钢2 5 0 0 m m 、首都钢铁公司中板厂等均配备t a n 速冷却设备。这些实践为我国进一步发展和应用这项轧后控冷技术提供了可靠的 实践基础。 近年来，控制冷却过程的计算机模拟的研究发展很快，模型综合化和复杂化， 多学科交叉十分活跃。研究方向主要集中在控冷过程中工件内的瞬态温度场、相 变、应力以及它们之间的耦合作用和预测控冷后工件内部的组织分布、性能分布、 残余应力，畸变方面。潘健生教授在“突变表面条件淬火过程的三维温度场计算 机模拟”一文中对三维、瞬态、非线性、包括对流和辐射的复合表面换热系数， 相变潜热等复杂问题进行了研究，为适合于实际控冷过程的温度场计算提供可靠 的数据材料【2 4 。 然而，目前在国内工字型钢轧后控制冷却技术方面的研究较少、控冷过程数 值模拟几乎为空白，轧后控冷技术在型钢实际应用还有待进一步在国内推广和提 高。 1 3 本课题主要研究内容 本课题以传热学理论为基础，采用有限元数值模拟和最优化设计理论相结合 的方法，以q 2 3 5 热轧工字型钢为研究对象，用有限元分析软件对热轧工字型钢轧 后控制冷却过程传热过程进行了分析，参数化建立模型，对热轧工字型钢轧后控 制冷却过程进行瞬态温度场、应力应变场数值模拟及其控冷工艺参数优化设计中 存在的问题开展研究，主要内容如下： ( 1 ) 以传热学和有限元理论为基础，对热轧工字钢轧后控制冷过程的传热过 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 程进行分析，研究冷却过程中的热边界条件，从理论上分析工字型钢热分析的可 行性，确定工字型钢控制冷却过程的有限元数值计算模型。 ( 2 ) 进行热轧工字型钢轧后控制冷却过程的数值模拟和试验研究。采用 a n s y s 的热分析模块对工字型钢控制冷却过程的温度场进行二维模型数值模拟。 对工字型钢二维模型的模拟确定工字型钢截面上水流密度的分布情况。分析工字 型钢在不同的冷却时间、冷却速度、终冷温度等条件下的温降曲线和瞬态温度场 分布。 ( 3 ) 以优化设计的基本概念和基本方法为基础，提出控制冷却工艺参数的优 化设计方法，以a n s y s 为分析平台，在数值模拟的基础上完成热轧工字型钢轧后 控制冷却过程的工艺参数的优化设计。 ( 4 ) 在温度场数值模拟的基础上，对热轧工字型钢轧后冷却过程中产生热应 力的原因进行分析，并借助于a n a s y s 的热力耦合分析模块建立热轧工字型钢轧 后控制冷却过程的温度场和应力应变场的耦合模型，对工字型钢控制冷却过程的 应力应变场进行模拟计算和分析。 辽宁科技大学硕士论文 第二章控制冷却的基础理论概述 第二章控制冷却的基础理论概述 2 1 组织结构对钢材性能的影响 人们对使用的钢材有各种各样的要求，例如力学性能、物理性能、化学性能、 工艺性能等要满足人们使用的需要，而影响这些性能的内在因素是钢的显微组织 和结构。 要关注需要得到的钢材性能首先要关注什么样的组织能满足需要的性能，而 要得到需要的组织不是仅仅通过轧制一个环节可以实现的。需要合理的成分设计、 正确控制成分、纯净度、铸坯质量的冶炼铸造工艺、正确控制和调整钢的组织的 轧制工艺等环节。以强韧性为例，钢材的强韧化机制包括：1 固溶强化；2 晶 界强化和亚晶强化；3 相变强化；4 应变强化( 位错强化) ；分散强化、( 沉淀强 化、弥散强化析出强化) 。 2 2 控冷原理 通过热处理赋予钢材种种优良特性，是钢铁材料的一大特性。传统的热轧只 是被视为使钢材得到所需外形和尺寸的成形工序，对于热轧钢材，由于热轧变形 的作用，促使变形奥氏体向铁素体转变温度的提高，相变后的铁素体晶粒容易长 大，造成力学性能降低，从而主要依靠添加合金元素和轧后再加热热处理作为强 化手段，这些措施既增加了成本又延长了生产周期，而且往往是在提高强度的同 时降低了韧性和焊接性能 2 5 , 2 6 1 。 为了细化冷却后铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析 出以及提高强化效果，在线热处理应运而生。在线热处理是指将热轧后的钢板在 轧制线上进行水冷却，赋予钢材必要的冶金特性的工艺处理。也就是我们所说的 控制冷却工艺。 控制冷却工艺分为三个阶段，不同阶段控制的目的不同： 1 、相交前的组织准备阶段( 从形变后到相变前) ，目的是为控制相变前的高 温组织状态： 2 、相变阶段( 从相变开始到相变终了) ，目的是控制相变过程； 3 、相变后韵阶段( 从相变后到室温) ，目的是控制相变后到室温的组织状态， 如过饱和碳化物的析出等。 控制冷却是通过合理地控制热轧过程中的温度制度、变形制度和冷却制度等 工艺措施，对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从a t 3 以上的控制冷却至相 变区域，使热塑性变形和固态相变有机地结合在起以获得细小晶粒组织2 7 1 。 辽宁科技大学硕士论文第二章控制冷却的基础理论概述 经过大量的理论研究证实：控制冷却工艺已经成为细化晶粒组织的主要手段， 是改善和提高改善钢的强度、韧性和焊接性的最有效方法。 2 3 控制冷却对组织及形态的影响 人们一直在寻求获得强度更高，性能更好的钢铁材料。随着对钢铁材料研究 的不断深入，已认识到组织细化是提高钢铁材料强韧性的有效途径l “1 。 控制轧制后进行控制冷却时的组织是细晶粒铁素体和微细弥散型贝氏体的混 合组织。空冷时生成的珠光体在控制冷却下变成具有带状结构的贝氏体的比率增 加。但珠光体转变温度有可能在较大范围内波动，片间距可有较大变动。因此， 片间距对珠光体力学性能的影响更具有实际意义。研究表明【2 9 】，片间距大于1 5 0 l m 时，片间距的改变对断面收缩率影响不大，小于1 5 0 l m 即为索氏体时，断面收缩 率随片间距的减少而显著增加，因此为了得到良好的拉拔性能，成品的索氏体组 织已经定为控制冷却的目标。 控制轧制后的控制冷却受到重视，是因为它比直接由再加热后的等轴奥氏体 加速冷却能产生更大的强韧化效果。实践表明，控制冷却引起的a t 3 降低对铁素 体的晶粒细化有定作用，同时在对未再结晶奥氏体进行冷却时，会产生明显的 铁素体晶粒细化效果，从而达到提高钢材强度、韧性和焊接性等综合力学性能的 目的【3 4 j 。一般认为，脆性转化温度取决于快速冷却以前的控轧效果，而控制轧 制以后的快速冷却是在不损害脆性转化份温度的前提下增加了钢板的强度1 3 5 l 。 图2 1 临界奥氏体控轧控冷后q z 3 5 钢的组织 f i g 2 1m i c r o s t r t i c t u r eo f s t e e lq 2 3 5a f t e rc r i t i c a la u s t e n i t ec o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g 临界奥氏体控轧控冷技术是一种节约资源的好方法。其核心是在a r 3 附近及 在a r 3 温度以上进行变形，利用变形诱发铁索体相变产生细小的铁素体晶粒，然 后通过铁素体动态再结晶和轧后适当的冷却，获得既有细小铁索体晶粒，也有适 当数量低温相变产物的最终组织，如图2 1 所示。可见铁素体的平均晶粒尺寸为 辽宁科技大学硕士论文第二章控制冷却的基础理论概述 6 8 l m ，而且晶内还有游离渗碳体颗粒【3 “。 冷却过程中钢的组织变化取决于形变条件和冷却条件。冷却条件包括：开始 冷却温度、冷却速度和终止冷却温度。为了获得预期的理想组织，一般要求：从 形变后就应对冷却进行控制；冷却控制必须与形变的条件结合；要注意形变奥氏 体在各种冷却条件下相变温度均发生改变。 2 4 控制冷却中的晶粒细化机理 在模拟控制冷却实验中得知，使加工后未再结晶状态的奥氏体进行恒温相变， 温度越低，与奥氏体晶界相比，晶粒内变形带从双晶界面产生大量的晶核，使铁 索体晶粒变细侧。因控制冷却引起从未再结晶奥氏体晶粒内产生晶核的现象，即 使是在不产生变形带的很小的应变下也会受到促进，并且因回复、再结晶，晶核 生成的频率降低，因此可以认为，生成点是作为位错、晶粒、亚晶界、第2 相的 夹杂物产生的。此外，通过添加m n 或n i 等降低相变温度对铁素体的晶粒细化是 有效的，但对未再结晶奥氏体的控制冷却对其更为有效。 铁索体晶粒细化不仅能提高钢的强度，而且改善钢的韧性，并使脆性转变温 度降低。 霍尔一佩奇公式给出如下的关系口7 】： 屈服强度吒o s = o - o + 克d 2 q = ( c r 0 + + q + c r v ) + 毛d 2 式中：o - 0 ：单晶时的屈服强度； 毛：晶粒尺寸系数，为曲线斜率； a o r n ：固溶强化作用的增长量； a 口：沉淀强化作用的增长量； a 民：位错强化的增长量： d ：铁素体晶粒直径，1 1m 。 韧性断裂强度以o c ：孕。d 一； 岸 式中：g ：材料的切变模量 y ：表面能 k ：常数 d ；铁素体晶粒直径，p - m ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 辽宁科技大学硕士论文 第二章控制冷却的基础理论概述 脆性转变温度f a t t ，m t = “一m d 2 ( 2 ，4 ) 式中：f a t t ：脆性转变温度，k 、a 、m ：常数 d ：铁索体晶粒直径，u m 2 5 控制冷却的优点 控制冷却的作用不可低估，其优点主要有如下几点： ( 1 ) 利用轧后余热，可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。 ( 2 ) 控制冷却可降低a r 3 温度，造成更大的过冷度，从而提高a 的形核率， 并降低n 晶粒的长大速度，明显细化a 晶粒，使珠光体片层间距明显减小，同时 阻止碳化物在高温下析出，实现强度提高而不减弱韧性。这样，可使控制轧制仅 采用前两个阶段，配合控制冷却来组织生产。终轧温度提高到a r 3 以上，降低了 轧制负荷，减少了轧制道次，从而提高了轧机的产量。 ( 3 ) 可降低含碳量和合金含量，达到降低碳当量的效果，从而改善钢材的塑 性和焊接性。 ( 4 ) 可减少钢板的不平整度和残余应力，防止因不均匀冷却造成的不均匀变 形所产生的扭曲和弯曲，还可以减少表面氧化铁皮的生成。 ：图2 2 酱碳钢的时闻温度一相变图( a 、b 、c 、d 为不同的冷却速度) f i g 2 2m i c r o s t r u c t u r eo f s t e e lq 2 3 5a f t e rc r i t i c a la u s t e n i t ec o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g 对于低碳钢、低合金钢一般采用一次冷却和二次冷却连续进行的方式，快速 冷却终止温度控制在珠光体相变结束点，然后空冷，得到的室温组织是细铁素体 和细珠光体及弥散的碳化物。图2 2 为普碳钢的时间温度相变关系，从图2 2 可 o 辽宁科技大学硕士论文第二章控制玲却的基础理论概述 见，曲线c 是冷却控制的方向。根据图2 时间温度- 丰日变图( t t t 图) 确定不同钢 种在不同阶段的冷却速度【3 8 1 ，从而得到合理的控制冷却工艺。 控制冷却是为钢材相变做好组织准备，并通过控制相变过程的冷却速度，提 高和改善钢材的综合力学性能和使用性能3 9 4 2 。 2 6 型材控制冷却的目的 型钢采用控制轧制和轧后控制冷却能明显改善低温冲击韧性，满足了低温地 带的建筑要求，由此可见，型钢的控制冷却目的主要是： l 、节约冷床面积； 2 、防止或减轻型材的翘曲及弯曲； 3 、降低残余应力； 4 、提高型材的力学性能及改善其组织状态，简化生产工艺。 目前控制冷却技术已广泛应用于桥梁、建筑、结构、管道、压力容器用钢生 产过程成为当代钢铁工业最重要的技术成就之一1 4 。 近年来，控制轧制和控制冷却工艺已经成为现代轧钢技术领域中的一项新技 术，它不但充分挖掘了钢材的潜力，大幅度地提高了钢材的综合性能，而且简化 了生产工艺，提高了生产效率，同时也节约了能源和昂贵的合金元素，给冶金工 业和社会带来了巨大的经济效益m j 。 2 7 本章小结 本章首先论述了控制冷却的原理，并以组织与钢材的关系为出发点，指出利 用控制冷却技术来控制钢材的组织形态，细化组织，从而提高钢材强韧性的原理。 并以晶粒细化原理为基础，论述控制冷却技术的优点和目的，提出对型材实施控 制冷却，提高钢材综合性能、生产效率以及经济效益的重要意义，为后文的数值 模拟及优化设计的研究提供理论基础。 辽宁科技大学硕士论文第三章工字型钢在轧后控冷时的传热分析 第三章工字型钢在轧后控冷时的传热分析 3 1 传热学理论 传热学作为研究热量传递规律的一门科学已经被广泛的应用于社会生产和科 学研究的各个领域，如能源、化工、冶金、建筑、机械制造、电子、制冷、航空 航天、农业、环保等生产部门都存在着多种多样的热量传递问题 4 5 , 4 6 1 。根据热量 传递方式不同，传热可以分为导热( c o n d u c t i o n ) 、对流( c o n v e c t i o n ) 和热辐射 ( r a d i a t i o n ) 三种基本形式。热传递是一个动态的能量传递过程，按物体温度是否 随时间变化的不同，可以将热量传递过程分为：稳态过程和非稳态过程两大类。 凡是物体中各点温度不随时间变化的热传递过程均为稳态传递过程，反之则称为 非稳态传递过程。 3 1 1 导热 导热是物体各部分仔肩不发生相对位移时，依靠分子、原子及电子等微观粒 子的热运动而进行的热量传递过程。导热遵循傅里叶定律，即发生导热的时候， 单位时间内通过某一面界的热量成为热流密度或热流量，记为矿，单位w m 2 。显 然矿：孚。则遵循傅里叶定律用热流密度表示为 a 口一：一七塑( 3 1 ) 出 用热流量表示为 。：盯一a = - k a d t ( 3 2 ) 出 式中q ”为热流密度( w m 2 ) ，a 为导热面积，单位为m 2 ，k 为导热系数( w m k ) ， 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。温度梯度是温度增加方向的变 化率，而热量则则从物体温度较高的部分向温度较低的部分传递。傅立叶定律建 立了物体温度场与导热热流密度的数量关系，因此也称为导热的热流速率方程 ( r a t ee q u a t i o n ) 。 3 1 2 对流换热 对流换热是流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量 传递方式。对流仅发生在流体中，而且必然伴随着导热，这就是所谓的对流换热。 1 2 辽宁科技大学硕士论文第三章工宇型钢在轧后控冷时的传热分析 当流体流过固体表面时，如果存在温度差就会繁盛对流换热。对流换热按引起流 体流动的不同原因可分为：自然对流和强制对流两大类自然对流是由于流体冷、 热各部分密度不同引起的而强制对流是由于流体受到水泵、风机或其他压差作用 产生的流动。热对流用牛顿冷却方程来描述 巾= 矿a = 幽( 五一死) ( 3 3 ) 式中h 为对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) ，单位是w ( m 2 k ) 五为固体表面的温度，b 为周围流体的温度，单位为k ；a 为换热面积，单位 为m 2 。 3 1 3 热辐射： 热辐是通过电磁波来传递热量的。电磁波的传播可以在真空中进行，、因此辐 射换热与导热和对流换热的明显不同点在于前者是非接触换热，而后者是接触换 热。两个温度不同的物体，依靠本身i 甸# 1 - 发射辐射能和吸收外界投射到本身上的 辐射能来实现热量的传递，这就是辐射传热。不同物体的辐射能力与吸收能力各 不相同，能够全部吸收外来辐射的理想物体称为绝对黑体，简称黑体。在同一温 度下，黑体的辐射能力也是所以物体中最强的。黑体表面辐射的热流量可以用斯 蒂芬一玻尔兹曼定律所揭示“”： o = o a t 4 ( 3 4 ) 式中，a 为黑体的辐射表面积，单位为m 2 ；t 为黑体表面的热力学温度，单位 为k ：称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值等于5 6 7 1 0 8 w m 2k 4 在工程中通常考虑两个或两个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。它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 = 盯4 曩2 ( 墨4 一譬) ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 中玎为热流率，占为辐射率( 黑度) ，盯为斯蒂芬一波尔兹曼常数， 约为，4 为辐射面1 的面积，f ：为由辐射面l 到辐射面2 的形状系数，7 i 为辐射 面1 的绝对温度，z 为辐射面2 的绝对温度。 3 2 工字型钢在轧后控制冷却时的传热分析 3 2 1 模式传热方式分析 工字型钢控冷过程复杂，是传导、对流、辐射换热等方式的综合，且工字钢 型材内的温度随时间的变化而变化，是非稳态导热过程。热轧工字钢轧后控制冷 却过程( 即指型材从终轧到控冷结束的整个冷却过程) ，主要包括三个阶段( 参见 辽宁科技大学硕士论文第三章工字型钢在轧后控冷时的传热分析 图3 1 ) ：终轧后进入冷却装置前的空冷阶段，控冷装置下的水冷阶段以及水冷结 束后的空冷阶段( 返红过程) 。第一阶段工字型钢表面温度高达1 0 0 0 左右；在 水冷阶段，喷射的水流带走了型钢的热量，型钢温度下降；在最后的空冷阶段， 型钢的温度最后将降到室温。 1 终乳机3 呤卸装置5 剪切机6 辍搜莲8 岭床2 、4 、7 测涮暹 图3 1 工字钢轧后控冷系统工艺布置不意图 f i g 3 1p r o c e s ss e t - u po f c o n t r o l l e dc o o l i n gf o r t h ei - b e a m 分析模型可知，热轧工字钢轧后控制冷却时候与外界之间有以下几种传热方 式： ( 1 ) 热轧工字型钢通过滚道传输，高温的热轧工字型钢在与滚道接触的同时， 把热量传递给滚道，存在热量传导； ( 2 ) 热轧工字型钢在非水冷阶段，始终与周围空气之间存在自然对流作用： ( 3 ) 热轧工字型钢在水冷阶段，水将高温的工字钢的热量带走。冷却水与工 字钢之间存在强制对流作用： ( 4 ) 工字钢向外界进行着辐射传热作用。 3 2 2 传热模型 通过简化分析，建立热轧工字型钢轧后控制冷却模型的三维瞬态传热微分方 程 4 9 , 4 9 ： ，芸卜罢 + 号一等 + 乏i 署 + ；= 詈 c s 剐 式中：p ：材料密度，k g m 3 ： c ：材料比热容，w ( k g ) ； k ，、k y 、k ：材料沿x ，y ，z 方向的热传导系数，w ( m ) q ：内热源强度，w ( m 3 s ) 。 辽宁科技大学硕士论文第三章工字型钢在轧后控冷时的传热分析 根据上文所述，考虑到各项热性能参数是各向同性的( t = k y = 吒= k ) 以及 无内热源等简化措施，简化为二维传热微分方程，取热轧工字钢某个截面进行分 析，方程如下： 昙卜罢 + 新七等 = p c 百0 t c ，m 式中：k ：材料热传导系数，w ( m ) 。 3 3 模型简化 工字钢轧后控制冷却的过程实际上是工字钢与水和空气之间的非稳态交互式 作用的复杂瞬态传热过程。在有限元求解时，为简化计算作如下假设【5 0 j ： ( 1 ) 热轧工字型钢的各项热性能参数是各向同性的； ( 2 ) 不计热轧工字型钢相态变