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摘要：当前轧钢技术不断发展，对于轧钢控冷技术的研究也愈加深入，我们通过对20CrMnTiH圆钢精轧后控冷过程温度场有限元分析，对圆钢精轧后的控冷技术进行了研究，通过多手段分析后深化了我们对于轧钢控冷技术的了解。
关键词：20CrMnTiH圆钢精轧；控冷；温度场有限元分析
引言
当前汽车工业对高品质齿轮钢需求较大。在齿轮钢中20CrMnTiH钢具有晶粒长大倾向性小、加工性能优良及价格低廉等特点，在我国齿轮行业中多年来占有重要地位。渗碳齿轮钢除了要保证末端淬透性等性能指标以外，还要求具有适当细小和均匀的晶粒尺寸（通常晶粒度≥6级），这对稳定钢材的末端淬透性、减少齿轮热处理后的变形量、提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。轧后控制冷却技术是改善和提高20CrMnTiH圆钢轧材组织及性能的重要措施之一。温度场模拟预测则是合理制定合金棒材控轧控冷工艺方案的技术基础。通过分析和总结从棒材芯部至表层温度的分布和变化规律，能够为合理制定冷却工艺方案及改善组织和提高性能提供技术依据。
1有限元分析技术概述
有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
2 圆钢轧后控冷过程温度场模型
国钢在轧后控制冷却过程的热传导方程可表示为：
式中：hω-棒材和水之间的强制对流换热系数；Tω-冷却水温度。
3 控冷过程温度场模拟
3.1圆钢精轧后控冷工艺特点
200mmx200mm断面连铸方坯从步进加热炉出来后，经过14个道次连轧的X35mm20CrMnTiH圆钢，以5.60m/s终轧速度穿水冷却后通过运输辊道上冷床。在轧后水冷段的人口和出口处以及冷床的人口和出口处布置测温仪。在圆钢轧后穿水冷却过程中，因温度变化较大，合金钢材料的物性参数随着组织状态和温度变化明显，故须考虑温度对相关物性参数的影响。热物性参数主要包括导热系数人和定压热容CP，取值如表1所示。
3.2模型的选择
温度场有限元建模时，将圆钢断面作为扇形来处理。有限元模型使用平面四角八节点单元PLANE77。在此采用了不同的网格划分形式与网格密度分别求解温度场，比较网格形式与网格密度对温度计算值的影响。图1（a）为采用直角坐标方法划分网格，沿半径方向等分为50份。
用C-fan50表示。图1（b）为采用极坐标方法划分的网格，沿半径方向等分30份，用P-fan30表示。图1（c）采用极坐标方法划分网格，沿半径方向等分50份，用P-fan50表示。为分析网格划分情况对温度场计算值的影响，采用图1所示3种不同网格密度条件，分别计算20CrMnTiHФ35mm圆钢轧后控冷过程相关时刻的温度偏差值，其中：t=1.63s、t=2.68s、t=13.77。分别为对应于圆钢到达水冷段出口、水冷段出口测温点和冷床人口的时刻。最后采用图1（c）所示的细密网格模型。为了避免在中心部位出现三角形单元，可取中心有限小半径，计算中按绝热考虑。
4 温度场模拟结果与分析
研究可见，在水冷过程中圆钢表层的温度变化呈锯齿状，而芯部温度变化是较为连续平稳的降低过程，这是因为棒材表层受水冷和空冷的交替作用，存在表层温度的降低和回升；而圆钢芯部温度变化是内部热传导的结果，由于水冷时间短，芯部热量还来不及向外传递，故芯部温度变化相对平缓。在穿水冷却过程中，圆钢芯部与表层最大温差约为115̊C，在水冷段出口（c=1.63s时刻）圆钢断面径向的温度梯度最大。水冷后的空冷阶段，芯部热量向表层传递，导致表层温度回升而芯部温度下降，同时内外温度趋于一致并缓慢下降。由于水冷段出口测温点与水冷箱出口之间有一定的空冷距离，圆钢表层温度有所回复，圆钢在水冷段出口测温点时的断面温度梯度减小。圆钢在上冷床和下冷床过程中，其径向的温度梯度逐渐减小。在下冷床时（t=400s时刻）圆钢芯部和表层温度已经趋于一致。在水冷段人口处与出口测温点的温度实测值与圆钢表层温度模拟值是一致的。从温度场模拟结果和实际生产显示，20CrMnTiH圆钢精轧后快速水冷并配合空冷，有利于抑制奥氏体晶粒长大并获得均匀细小的轧材组织。
结束语
通过温度场有限元模拟值与实测值比较分析，得到了20CrMnTiHФ35mm圆钢控冷过程芯部至表层温度场变化规律，为合理制定控冷工艺方案提供了技术依据。并且20CrMnTiH圆钢精轧后采用快速水冷加空冷工艺，有利于改善20CrMnTiHФ35mm圆钢的轧材组织。
参考文献
[1]李广龙,姚圣杰,郭晓波,李文斌,钟莉莉.中厚板层流冷却过程温度场的有限元分析[J].鞍钢技术,2011,(04):32-35.[2017-08-17].
[2]鲁怀敏.Q235小H型钢轧制过程温度场有限元分析[J].沙洲职业工学院学报,2012,15(01):7-12.[2017-08-17].
[3]郭娟,吴迪,赵宪明,贾玉萍.H型钢轧后控制冷却的研究与应用[J].钢铁研究学报,2007,(05):40-43.[2017-08-17].DOI：10.13228/j.boyuan.issn1001- 0963.2007.05.010.
[4]徐东涛.H型钢控冷过程温度场的数值模拟[J].轧钢,2007,(02):28-31.[2017-08-17].DOI：10.13228/j.boyuan.issn1003-9996. 2007.02.008.
[5]何小丽,赵宪明,马宝国,郑雨旸.GCr15棒材轧后快冷过程温度场模拟分析[J].物理测试,2008,(03):28-31.[2017-08-17].DOI：10.13228/j.boyuan.issn 1001-0777.2008.03.006.
[6]董洪波,康永林.有限元模拟技术在板带钢轧制中的应用[J].轧钢,2004,(02):44-47.[2017-08-17].DOI：10.13228/j.boyuan.issn1003-9996.2004. 02.015.
论文作者:姚英航,王青海,肖磊磊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/3
标签：圆钢论文; 水冷论文; 温度论文; 有限元论文; 表层论文; 网格论文; 冷床论文; 《基层建设》2017年第28期论文;