三数值模拟温度场在合金减量化组织分析中的应用

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摘要：新一代TMCP工艺的减量化采用节约型的成分设计和减量化的生产方法，其技术发展已日臻完善。文章基于对超快冷UFC+ACC联合冷却模式，通过显示差分法建立一维非稳态导热温度场的数值模拟，运用冷却过程曲线与动态CCT连续冷却曲线相结合方法，研究中厚板的冷却过程和组织行为，探索适合减量化工艺的冷却参数及微观组织，为减量化工作的进一步完善提供理论依据。

关键词：减量化；显式差分法；导热温度场数值；模拟轧后冷却；组织行为

中图分类号：TG316 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）05-0033-04

以超快冷为核心的新一代的TMCP技术，采用冷却速度可调、可以实现极高冷却速度、冷却均匀的控制冷却系统，综合采用细晶强化、析出强化、相变强化等多种强化机制，对钢材的相变过程进行控制，可以明显提高钢材的性能，充分挖掘钢铁材料的潜力。

某钢厂的冷却装置采用超快冷UFC+传统ACC的冷却模式，轧后冷却设备全长24m，超快冷UFC设备全长为12m，包括2组缝隙喷嘴和5组高密快冷喷嘴，可以实现高冷却速度、冷却均匀性的精确控制。传统ACC设备全长为10m，包括5组U型管层流，可以作为超快冷的补充和辅助冷却手段使用。

本文根据设备特定结构，采用VisualBasic编程语言来实现冷却过程的数值模拟，通过数值模拟将冷却过程与金相组织、动态CCT曲线相结合进行分析，从而研究钢板冷却过程的微观组织行为及强化手段。

1 中厚板轧后控制冷却数学模型

1.1 控冷过程热传导方程及初始边界条件

根据能量守恒定律和傅里叶定律，可以推导出在平面直角坐标系中的三维非稳态无内热源导热微分方程的一般表达式。如式-1所示：

（1）

式中：

ρ―密度，对于钢板ρ=7850kg/m3

cp―比热容，对于钢板cp=653J/（kg・℃）

λ―钢板的导热率（又称为导热系数或热传导系数），对于钢板λ=26.4W/（m・℃）

同时，对钢板热传导过程的初始条件和边界条件进行如下分析：

（1）初始条件：将钢板进入水冷区的各点温度初始化为均匀一致的问题。

（2）边界条件：根据传热学的基本原理可知，中厚板冷却过程是典型的非稳态导热过程，在水冷过程中，边界条件主要为对流换热，在空冷过程中，边界条件为辐射换热。因此，边界节点的冷却条件可以看成是给定了边界上物体与周围流体的表面换热系数h值和周围截止温度Tf的第三类边界条件，即：

（3）

通过泰勒展开式将差商法代替微商法及钢板的边界条件可以得到钢板内部节点、边界节点上一时刻与下一时刻的温度表达式。

1.2 冷却过程换热系数计算模型模型

中厚板的轧后冷却过程可以分为冷前、冷后、水组间隙及UFC和ACC间隙的空冷过程，UFC或ACC的冷却水和钢板进行对流换热的水冷过程。

1.2.1 空冷过程的换热系数如下：

（4）

式中：

k1―空冷换热系数修正值

ε―辐射率，或称为黑度系数，

Tsu―钢板表面温度，相对温度，℃

Tf―环境温度，相对温度，℃

利用VisualBasic6.0可以实现对空冷温度场进行模拟。根据现场的实际情况，通过热轧不同规格钢板对空冷换热系数进行回归，k1=62.65474，黑度ε=0.777813。

1.2.2 水冷过程的换热系数如下：

（5）

式中：

a、b、c―换热系数、流量、温度的修正系数

W―水流密度，m3/h

T―钢板表面温度，绝对温度，K

vx―辊速，m/s；为了简化回归计算方法，可以对此公式两边取对数将函数转变为线性函数：

ln（hw）=ln（a）+b・ln（W）-c・T+ln（vx），通过现场数据求解，可以算出a=10080，b=0.70183，c=0.00593。

2 数值模拟在组织分析中的应用

根据冷却模型温度所做的钢板从开冷至返红过程计算出来的数据，从钢板表面至心部选取四个位置做连续冷却过程曲线。图1为根据合金减量化后的成分所建立的动态CCT曲线，因其开冷温度为880℃，实际生产过程中，开冷温度是不固定的，因此在数值模拟过程中需要对CCT的冷却曲线进行近似处理后分析。

图1 合金减量化钢板的CCT曲线

将钢板的冷却过程曲线和CCT曲线合并，通过合并后的冷却过程曲线可以分析钢板冷却过程中组织的变化。笔者针对使用超快冷具有代表性的18、30、46mm进行冷却过程和金相分析。

2.1 减量化低合金板的工艺参数

与常规生产低合金板不同，采用减量化的低合金板具有更低的Mn含量，其含量降低了0.4～0.6，为了保证性能达到国标要求，可以通过提高钢板的冷却强度来获得良好的组织和性能，其成分及工艺如表1所示，性能如表2所示。

表2 减量化低合金板的性能

编号 规格/mm 屈服强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 延伸率 平均冲击功/J

标准 16～40 ≥335 470～630 ≥20 ≥34

1229498 18 385 555 22 185

1324178 18 360 500 30 214

1324179 30 385 575 23 179

标准 ≥40 ≥325 470～630 ≥19 ≥34