《20CrMnTiH棒材轧后冷却温度场模拟》

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1、2006年用户年会论文20CrMnTiH棒材轧后冷却温度场模拟王莉洪慧平康永林（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）摘要通过利用ANSYS有限元分析软件对20CrMnTiH棒材轧后冷却过程温度场进行有限元模拟，得到轧件心部、1/2半径处和表面温度分布曲线，并结合现场实际对模拟结果进行了分析，为制定该钢种的控冷工艺提供了理论基础。关键词棒材温度场控轧控冷数值模拟FEMSimulationforTemperatureFieldof20CrMnTiHRoundBarinControlledCoolingWangLi,HongHuiping,KangYonglin(Sc

2、hoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083)AbstractThepaperadoptedaFEMsoftwareANSYStosimulatethetemperaturefieldofroundbarinthecourseofcontrolledcoolingafterfinishingrolling,andthecurveofthetemperatureofthecore,1/2radiusandsurfaceofthebarwasobtained.

3、Theresultofthesimulationisanalyzedincombinationwiththeactualresult,whichofferedtheoryguidingforoptimizingparametersofcontrolledcooling.Keywordroundbar,temperaturefield,controlledcooling,numericalsimulation1前言轧后控制冷却能够有效的改善棒材的组织状态，提高其力学性能,并降低其生产成本，已成为轧钢生产的重要工艺。棒线材的轧制是一个连续过程，无论水冷还是复热都需要在线完成。通常

4、，由于轧机间距短、轧制速度快使得冷却时间变得很短。能否在短时间内得到预定的温降，现场的水量是否够用，冷却后钢材的内外温差多大等问题都是实际需要解决的，而这都需要对圆钢的温度场进行分析，才能制定合理有效的控冷工艺。本文运用ANSYS9.0对某厂棒材的轧后控冷过程进行温度场模拟，并结合现场实际对模拟结果进行了分析。计算值与现场实测数据取得了很好的一致。采用该控冷工艺达到了对最终产品组织性能的要求。2控冷温度场数学模型2006年用户年会论文棒材冷却问题就传热理论而言，是第三类边界条件无限长圆柱体非稳态传热问题，由于棒材在长度方向上的尺寸远远大于其横截面方向的尺寸，可认为其热量流动主

5、要沿径向变化。其无内热源时的导热微分方程是：∂⎛∂T⎞k⎛∂T⎞∂T⎜k⎟+⎜⎟=ρCp(1)∂r⎝∂r⎠r⎝∂r⎠∂t其中k、ρ、C、t分别是热传导系数、材料的密度和比热以及时间。方程(1)满足的边界条件是：(1)棒材在离开精轧机之后整个断面的温度是一致的，并且是对称分布的。(2)空冷过程中，棒材与周围空气的热交换主要以辐射换热为主，可以忽略对流换热的[1]影响。其边界条件为：∂T()44−k=εσT−T(2)fa∂r其中ε、σ分别是棒材的黑度和斯帝芬-波尔兹曼常数，T、T分别是棒材的表fa面温度和空气温度。(3)进入水冷箱以后，棒材和水之间发生强制对流换热，在其接触面上会

6、发生膜状沸腾和核状沸腾现象。此时的边界条件为：∂T−k=h()T−Tw(3)wf∂r其中h为棒材和水之间的强制对流换热系数，T为冷却水温度。ww3控冷过程温度场模拟3.1轧后冷却线工艺线布置图1精品棒材轧后控制冷却工艺简图Fig.1Layoutofcoolingprocessafterfinishingbarrolling棒材轧后冷却工艺布置简图如图1所示。直径为35mm的圆钢，以5.6m/s的速度穿过冷却器，上冷床。本文对棒材从精轧机组出来后冷却过程的温度场进行了模拟。现场轧制20CrMnTiH的主要化学成分如表1所示。2006年用户年会论文表120CrMnTiH试验钢的化

7、学成分，wt%Table1Chemicalcompositionof20CrMnTiHsteelCSiMnPSCrTiAl0.210.240.880.0160.0291.040.0720.0263.2热物性参数的选择在棒材轧后穿水冷却过程中，温度变化较大，材料的热物性随着材料的组织状态和温度变化明显，则必须考虑热物性与温度的关系。本文所取热物性参数主要包括导热系数λ和[2]定压比热C,取值由表2给出。p表220CrMnTiH钢的热物性参数Table2Propertyparametersfor20CrMn