中厚板淬火冷却过程温度场热应力场数值模拟.pdf

收稿日期 2008 12 22 牛 珏 1973 博士 100070 北京市丰台区 中厚板淬火冷却过程温度场热应力场数值模拟 牛 珏 1 王长胜 2 1 建龙钢铁控股有限公司 2 特变电工沈阳变压器集团有限公司 摘 要 建立了中厚板淬火冷却过程温度场 热应力场数学模型 通过有限元数值模拟方法 研究了中厚板无约束淬火过程温度场 热应力场变化情况 为优化中厚板淬火工艺 保证淬 火质量提供依据 关键词 中厚板 温度场 热应力场 数值模拟 Numerical si mulation of te mperature field and thermal stress field of heavy plate in quench cooling process N iu Jue 1 W ang Changsheng 2 1 Jianlong Iron and SteelCo Ltd 2 TBEA Shenyang Transfor merGroup Co Ltd Abstract Based on establishing themathe maticalmode l temperature field and ther malstress field of heavy plate in quench cooling processwere studied The result provides effective basis for opti m izing quenching craft and guarantees the quenching quality of plate K eywords heavy plate te mperature field ther mal stress field numerical si mulation 随着中厚板生产技术迅速发展 发展重点已 从追求产量转移到追求产品高附加值上来 虽然 可以采取精炼 微合金化 控轧控冷工艺等措施 来提高中厚板产品的综合力学性能 但对于一些 高性能指标 如高钢级的钢种 低温压力容器 用钢 耐磨钢 不锈钢等 和其它特殊用途的 钢种 必须采用适当的热处理工艺才能达到性能 要求 1 淬火是中厚板热处理的重要工艺 研 究中厚板淬火过程的温度场 热应力场等对改善 淬火控冷工艺 提高淬火质量等意义重大 文章 通过中厚板无约束淬火过程的有限元数值模拟 对其温度场 热应力场变化情况进行研究 为优 化中厚板淬火工艺 改善淬火质量提供依据 中厚板无约束淬火机是钢板淬火时的主要冷 却设备 主要由上下多组集管组成 每组集管有 多个圆形喷嘴 钢板淬火时采用上下集管圆形射 流冲击冷却方式 使淬火钢板在向前行进的过程 中得到冷却 加热好的钢板自出炉后在经历空 冷 水冷 空冷返红三个冷却阶段后完成淬火过 程 1 确定淬火冷却过程换热边界条件 对钢板淬火过程温度场 热应力场进行有限 元数值模拟 确定钢板表面换热条件是其关键技 术之一 在对钢板淬火过程温度场 热应力场进 行数值模拟前 对上下集管射流冲击热钢板时的 对流换热系数进行研究 对相同射流喷口直径 相同射流高度 不同射流出口速度及不同钢板表 面温度下 射流冲击热钢板时的对流换热特性进 行了数值模拟 得出了钢板上下集管冷却区平均 对流换热系数与射流速度的离散函数关系 2 见表 1和表 2 对于淬火机上下集管任意射流速 度 板面温度条件下的平均对流换热系数都可以 从表中插值得到 2 钢板淬火过程温度场热应力场数学模型 2 1 建立温度场数学模型的基本假设 1 钢板淬火主要靠上下集管冲击射流强 化对淬火钢板的冷却 淬火介质冲击换热是影响 钢板温度场变化的主要原因 忽略淬火钢板组织 转变对温度场的作用和影响 25 Vol 28 No 4 July 2009 冶 金 能 源 ENERGY FORMETALLURGICAL I NDUSTRY 表 1 上集管冷却区平均换热系数 W m2K 板面温度 K 射流速度 m s 1 1 01 52 02 53 0 3731491717883204202101323425 5731516318178207572136023812 7731248014961170831757919597 973905010850123891274914212 117353676434734775608428 137315841899216922322488 表 2 下集管冷却区平均换热系数 W m2K 板面温度 K 射流速度 m s 1 3 54 04 55 05 5 3731322616150181341989721626 5731344416416184332022521983 7731106513511151711664618092 97380249798110021207213120 117347595811652571597781 137314051715192621132297 图 1 温度场模拟几何模型 2 钢板内应力场和应变场对钢板温度场 的作用和影响不大 忽略其对温度场的影响 3 钢板在淬火过程中是匀速运动的 板长 方向上不同位置的冷却规律基本相同 只是尾部 温度变化滞后于头部 忽略钢板长度方向的传热 2 2 建立温度场数学模型 在上述假设条件的基础上 建立描述钢坯淬 火冷却过程的二维传热数学模型 将钢板的内部 传热近似认为无限长扁坯上下两面和左右两面冷 却 近似认为对称冷却 的二维不对称非稳态 传热问题 温度场模拟几何模型如图 1所示 1 控制方程 T Cp T T x y T T x y x x T T x y y y 1 2 定解条件 初始条件 0 T 0 x y T0 x y 2 水冷时边界条件 a x a y b T T x b y 1 Tw 1 Tf 3 a x a y 0 T T x 0 y 2 Tw2 Tf 4 0 y b x a 2 T T a 2 y x 3 Tw 3 Tf 5 0 y b x a 2 T T a 2 y x 4 Tw 4 Tf 6 空冷时边界条件 a x a y b T T x b y h1 Tw1 Ta 7 a x a y 0 T T x 0 y h2 Tw 2 Ta 8 0 y b x a 2 T T a 2 y x h3 Tw 3 Ta 9 0 y b x a 2 T T a 2 y x h4 Tw4 Ta 10 其中 空冷阶段钢板与环境间的综合换热系数为 hi Ai Tw i Ta 0 25 0 Tw i 273 4 Ta 273 4 Tw i Ta i 1 4 11 上述式中 T 为钢板密度 kg m 3 C p T 为 钢板比热 kJ kg T 为钢板导热系数 W m T0 x y 为钢板淬火开冷温度 1 2 为水冷阶段板坯上 下表面射流冲击冷却对流换 热系数 W m 2K 3 4为水冷阶段板坯左 右 侧表面流水冷却对流换热系数 W m 2K h i为 空冷阶段钢板与环境间综合换热系数 i 1 4 1代表钢坯的上表面 2代表钢板的下表面 3代 表钢坯的左侧表面 4代表钢坯的右侧表面 W m 2K T w i为钢板表面温度 i同上 Tf为冷 却介质温度 Ta为环境温度 Ai为对流换 热因子 为钢板表面黑度 0为斯蒂芬 玻耳 兹曼常数 2 3 建立热应力场数学模型的基本假设 1 钢板淬火控冷之前 其内部各点不受 应力作用 2 淬火钢板材料力学性能随温度的变化 而变化 3 塑性变形不改变淬火钢板的体积 钢 板材料服从 Von M ises屈服准则 4 淬 火钢 板进 入塑 性变 形区 后满 足 Prandtl Reuss塑性流动准则 2 4 建立热应力场数学模型 在上述假设条件的基础上 依据温度场模拟 的几何模型 建立钢板无约束淬火控冷过程热应 力场模拟数学模型 模型主要包括几何方程 平 衡方程及本构方程 1 几何方程 形变和位移的关系式 x u x y v y xy v x u y 12 协调方程 26 冶 金 能 源 ENERGY FORMETALLURGI CAL INDUSTRY Vol 28 No 4 July 2009 2 x y 2 2 y x 2 2 xy x y 13 2 平衡方程 x x yx y 0 y y xy x 0 14 3 本构方程 d D d C dT 15 在弹性区 D D e C D e D 1 e T 在塑性区 D D ep D e D e T D e S C D ep D 1 e T D e f T S S T D e f p T 上述式中 x y为正应变 xy为剪应变 u为 x 方向位移 m v为 y 方向位移 m xy为 剪应力 Pa d 为应力增量 Pa d 为应变增 量 为线膨胀系数 1 C 为与温度有 关的向量 D 为弹性或弹塑性矩阵 D e为 弹性矩阵 D ep为弹塑性矩阵 T 为温度 为等效应力 Pa f为屈服函数 钢板无约束淬火过程不受外力载荷 热应力 场模拟的定解条件是钢板自身温度场已知 通过 钢板淬火过程温度场有限元模拟可以确定钢板在 淬火过程中的温度载荷条件 3 钢板淬火过程温度场热应力模拟条件及模拟 结果分析 3 1 模拟条件 以某公司生产的 SPV490钢板淬火为例 研 究钢板在淬火过程中温度场 热应力场的变化规 律 钢板规格为 10000 2000 32 辊道速度为 24m m in 开冷温度 930 水温 26 集管开 启 18组 分别为 G3 G20 其中 G3 G6为强 冷集管 单组上集管水流量 206m 3 h G7 G19 为中冷集管 单组上集管水流量 170m 3 h G20 为弱冷集管 单组上集管水流量为 100m 3 h 上 下集管的水比为 1 2 20 3 2 模拟结果分析 从图 2钢板淬火过程温降曲线可以看出 钢 板淬火冷却过程包括空冷 集管水冷 空冷返红 三个阶段 在钢板出炉到进入集管冷却区之前 处于空冷阶段 钢板温降很小 在 8 8s内钢板 表面温度只降低 16 钢板内部温度降低得更 少 当钢板进入集管冷却区后 钢板表面温度快 速下降 在几秒之内迅速降至 200 以下 钢板 内部各点的冷却速率随着距钢板表面距离的增加 依次减小 在水冷 7 2s t 16s 之后 钢板表 面冷却速率迅速减小 内部冷却速率与钢板表面 冷却速率相比相对增加 距离钢板表面越远 相 对增加值越大 此温度变化曲线也表明在水冷 7 2s t 16s 之后 由于钢板表面与冷却水之 间的温差大大降低 仍采用较大的水量则无法取 得理想的冷却效果 如果采用中小流量集管冷却 方式 既能保证冷却速度 又能节约水量 水冷 结束时 t 43 钢板表面与内部仍存在一定温 差 此时表面冷却热流很小 内部冷却导热热流 较大 钢板快速返温 内外温度逐渐趋于均匀 图 2 钢板淬火过程上表面和内部各点 x 0 y 0 016m 温度时间历程曲线 图 3 钢板截面中线各点 x 0 y 0 016m 热应力时间历程曲线 从图 3 钢板截面 中线各点 x 0 y 27 Vol 28 No 4 July 2009 冶 金 能 源 ENERGY FORMETALLURGICAL I NDUSTRY 0 016m 的热应力时间历程曲线 图 4钢板淬 火过程各阶段等效应力矢量图可以看出 钢板淬 火空冷阶段 t 8 8s 厚度方向各点的热应力变 化不大 最大值发生在钢板表面 热应力在钢板 表面表现为拉应力 在钢板心部表现为压应力 在钢板与心部之间的某一位置处 热应力为零 即不受拉应力也不受压应力 钢板一旦进入淬火 水冷区 由于钢板表面换热条件迅速加强 使得 各点的热应力发生急剧变化 尤其是钢板表面点 温度迅速降低 热应力值迅速增大 在水冷 2 2s时 表面拉应力达到最大值 钢板内部由 于受到本身导热的限制 温度变化没有表面剧 烈 不同时刻各点温度变化率不同 导致不同位 置处热应力的大小及达到极值的时刻也不相同 各点温度变化率的大小与热应力的大小相对应 钢板在水冷开始阶段 表面附近冷却速率大于心 部附近的冷却速率 表面附近处于拉应力状态 心部附近处于压应力状态 表面与心部之间的某 一位置处于零应力状态 随着水冷过程的进行 钢板表面温度越来越低 换热也越来越弱 此 时 钢板心部温度仍然很高 心部与表面间的导 热量和表面与冷却介质之间的换热量相比相对增 加 心部点温度变化率大于表面点温度变化率 钢板在厚度方向上各节点的应力状态也逐渐发生 转变 表面点所受到的拉应力逐渐减小 心部点 所受到的压应力也逐渐减小 当水冷进行到 27 1s时 表面点的应力状态为零 既不受拉应 力也不受压应力 之后 表面点的应力状态由拉 应力变为压应力 且一直保持压应力状态至空冷 返红结束 在厚度方向上不同位置节点的应力状 态转变点均发生在水冷阶段 不同位置对应的转 变时刻不同 这是由水冷不同阶段表面换热量不 同及钢板内部存在导热热阻使不同位置节点相对 温度变化率不同导致的 水冷结束 t 43s 后 钢板进入空冷返红阶段 t 43s 在返红 开始阶段 t 43 48s 表面及心部节点的压 应力及拉应力均有所增加 而在表面及心部中间 某位置处一直保持零应力状态 在返红结束阶段 t 48s 钢板在厚度方向上温度已基本趋于均 匀 应力值不再发生变化 淬火结束后钢板厚度 方向上残余应力分布极不均匀 表面存在比较大 的残余应力 钢板内部相对于表面 残余应力较 小 在表面与中心之间存在残余应力为零的位 置