GCr15轴承钢棒材轧后快冷过程的温度场模拟－RAL何小丽.pdf

2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 372 GCr15 轴承钢棒材轧后快冷过程的温度场模拟 何小丽 1，赵宪明1，马宝国2 （1.东北大学 轧制技术及连扎自动化国家重点实验室，沈阳； 2.宝钢特殊钢分公司条钢厂，上海） 摘摘 要要：借助 VB 的可视化界面,利用 ANSYS 有限元分析软件对 GCr15 轴承钢棒材轧后冷却过程温度场进行模拟仿 真，获得轧件表面和内部温度分布规律，结果表明轧后冷却过程温度场模拟所得结果与实测值基本相符，为轴承钢 在线控冷提供了理论依据。 关键词关键词：GCr15 钢；VB；ANSYS；温度场模拟 1 前言 GCr15轴承钢棒材在轧后冷却过程中的温度控制是影响轧制产品最终组织和质量控制的关键因 素。在实际生产中，受检测手段的限制，仅能得到钢材表面温度的变化，无法获得轧件内部温度场 的变化规律，给控冷工艺的制定带来很大的困难。因此利用ANSYS有限元分析软件模拟GCr15轴承 钢轧后控冷过程的温度场具有现实的意义。本文结合国内某厂轴承钢棒材生产线的生产实际，借助 VB语言对ANSYS进行二次开发，用户只需选择参数等, 系统就能自动调用ANSYS计算程序模拟计 算GCr15轴承钢棒材轧后控冷过程的温度场。 2 轴承圆钢温度场模型的建立 2.1 求解模型 轴承圆钢的控冷过程属于断面各部位温度随冷却时间变化的瞬态传热问题。采用有限元法计算 温度场时，通常假设单元内节点的温度呈线性或双线性分布，根据变分公式建立单元节点温度的一 阶常系数线性微分方程； 在时间域上,用有限差分法得到其节点温度线性代数方程组的递推公式,然后, 将各单元矩阵叠加,形成节点温度线性代数方程组. 解此方程组。可得到不同时刻对应的各单元节点 温度值。 圆钢控冷过程的温度场计算属于轴对称问题，轴对称温度场的变分方程如下： 无内热源时的热传导方程为： 22 22 0 p TTTT rrCr rzrt ××+ ×+×× ×= （1） 用Galerkin 法及格林公式引入边界条件，可得： 11 1 1D 1 -0 p r WWJTTT rCWrdzdr Tzzrrt T Wrds n =× ×+××× × ×× ×= ? （2） 引入第3 类边界条件，则有： () 11 1 1D 1 +0 p c r WWJTTT rCWrdzdr Tzzrrt HWrTTds =× ×+××× × ×× ×= ? （3） 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 373 式中： J 表示温度函数T 的泛函； J /T1 泛函的变分； W1 权函数； 导热系数，W/m. ； 密度，kg/m3； Cp 比热，J/kg. ； H换热系数 W/m2.； Tc 环境温度，。 式(2) 和(3) 为轴对称、非稳态、无内热源温度场整体区域变分计算的基本方程。实体建模时， 考虑到长度方向传热远小于径向传热， 故可简化为二维轴对称瞬态热分析问题, 采用PLANE35 热 单元。在前处理器(PREP7) 里建立有限元模型,然后利用ANSYS 前处理模块中的自动网格划分器对 整个模型进行网格划分。 2.1 温度场模拟的物性参数和边界条件 在利用有限元求解温度场的过程中，轴承钢物性值见表1： 表1 物性参数表 密度 Kg/m3 导热系数 W/m 比热 J/kg 空气温度 冷却水温度 7810 33.6 729 25 20 轴承圆钢轧后控冷温度场模拟计算时，换热系数是非常重要的数据。 2.2.1 水冷换热系数的处理 由于冷却关系复杂， 难以通过理论推导或建立数学模型来描述。控轧控冷实验表明， 轧后采 用水冷器快速水冷的热交换系数可通过设备参数调节在012000 W/m2.之间变化。 2.2.2 空冷换热系数的处理 棒材自由表面在空冷过程中，主要有热辐射和对流两种传热方式，其换热系数可利用简单的经 验公式计算： ()()() 0.25 822 c H=2.25T4.6 10TTT wcwwc TT ×+××+×+ 式中：Tw轧件温度；Tc环境温度。 3 VB调用ANSYS程序计算温度场的模拟结果及分析 利用VB前台开发友好、方便、易用的人机交互界面, 对复杂、难于理解和掌握的ANSYS 命令 流进行后台封装, 用户只需在前台界面的引导下输入必需的尺寸、 材料性能和载荷参数, 即可调用后 台的ANSYS 命令进行计算, 分析计算后把计算结果返回给用户, 进行后处理。 如下图1所示界面。只需在界面中输入相应的参数，点击确定，在图2中选择开启的水箱，当点 击开启或不开时分别会弹出相应对话框要求输入换热系数。 即可由VB 处理程序生成ANSYS 可执行 的命令流文件,再调用ANSYS 求解模块, 就可以得到相应参数下的结果和图形。大大简化了计算时 间。 图1 参数输入界面 图2 水箱开启控制 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 374 本文以最终成品为直径40mm轴承圆棒为例，直径40mm轴承圆棒的开轧温度1200左右，终轧温 度960-980，以3.3m/s的速度穿过冷却器。依据此条件，模拟计算了直径40mm轴承圆棒轧后控冷过程 不同时刻的断面温度变化。 终轧机到冷床末端长79m，水箱布置： 1号水箱（7m） 3剪切机 KOCKS 轧机 2 号水箱(7m) 40m 冷床 该厂直径3060mm规格棒材轧后由S3剪切机进入2水箱，由于出1水箱后的S3剪切机有温度 要求， 为防止剪切机出现问题， 必须控制出S3剪切机的温度。 因此在此1#水箱不开。 下图是直径40mm 轴承钢热轧后仅开启2#水箱时的温降曲线，钢温从980进入2#水箱，出水冷器后钢温返红在 770-800。 02468101214 400 480 560 640 720 800 880 960 1040 t e m p ( ) t i m e ( s ) 1 2 3 1心部 21/4D处 3表 面 图3 40mm轴承圆钢水冷温降曲线 采用相同控冷工艺， 生产实验中在不同轧号中取样进行跟踪测温。 测得进 2水箱温度在 960 980，出水箱口温度 400450，返红温度 770800。由此可见，利用数值模拟手段研究轴承 圆钢冷却过程温度场是可行的，可以真实地反映圆钢断面温度变化的趋势及规律。 但是，模拟值和实测值都显示对于直径 40mm 轴承钢采用一次快冷后的返红温度在 770-800 之间，正处在碳化物激烈析出的温度区间，会生成粗大珠光体和严重的网状碳化物。经前人的大量 实验结果表明，碳化物网状的析出温度为 700900之间，而且当返红温度小于 650,基本消除了 原始组织中的网状碳化物。因此应加快这一温度的钢材冷却速度。针对如 40 的轴承钢若采用一次 性快冷到终冷温度，由于钢材断面大，采用一次性快冷到终冷温度则钢材表面将发生马氏体相变， 断面温差加大，造成由表面到中心的组织不同。中心部位温度高则生成粗大珠光体和较严重的网状 碳化物。为防止不均匀组织的出现，应采用多次间断快冷工艺为宜。本文结合该厂生产线实际考虑 在 2#水箱后再加上 3#(5m)、4#(5m)水箱,通过工艺的调整，利用 ANSYS 模拟，控制返红温度在 600650之间。 水箱布置图： 2号水箱(7m) 3m 3 号水箱(5m) 5m 4号水箱(5m) 22m 冷床 根据现场水箱的长度和布置情况，通过反复调整水箱开启参数和换热系数等，对于直径40mm的 轴承圆棒轧后温度场分析计算表明可以达到所需的温度目标。 图4表示直径40mm轴承钢进行三段间断快冷的控制冷却工艺。钢温从980进入2号水冷器，出 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 375 水冷器后钢温返红到600左右再进入3号水冷器进行二次冷却，出3水冷器钢温返红到580左右再 进入4号水冷器，出4号水冷器钢的表面温度为370左右，经一段时间后钢的表面回升到590，心 部温度为680。返红温度能达到要求。 4 结论 (1) 借助VB方便的参数输入图形化界面,结合ANSYS对轴承钢圆钢轧后温度场进行模拟计算，使得 整个求解过程快捷、方便。 (2) 采用ANSYS 软件对圆钢控制轧制时的冷却过程进行了有限元分析结果与实测基本吻合 。验证 了利用数值模拟手段研究轴承圆钢冷却过程温度场是可行的。 (3) 通过模拟计算证实了采用多次间断水冷可以满足控温工艺要求，能达到控制碳化物网状级别的 目的。 (4) 针对生产实际存在的返红温度高的问题， 采用多次间断水冷， 利用有限元模拟得出了满意的结论， 为实际生产提供了理论上的参考。 参考文献 1 管晓光，唐广波，马保国，等. GCr15 轴承钢棒材热连轧过程温度场模拟J. 上海金属，2006，28(4)：52-56. 2 赵宪明，吴迪，闻雷. 大规格带肋钢筋余热处理过程的有限元模拟J. 轧钢，2000， 17(4)： 26-29. 3 庄振东，王敏华. 高碳铬轴承钢棒材轧后控制冷却与快速球化工艺J. 特殊钢，2000， 21(1)： 53-55. 4 邵军，文先琪，李迎涛. 基于VISUAL BASIC的ANSYS参数化设计分析J. 重庆科技学院学报，2006，8(3)： 98-100. 5 李胜利， 徐建忠， 王国栋， 刘相华. 大断面轴承钢控轧控冷工艺的模拟与分析J. 东北大学学报， 2006， 27(6)： 658-660.