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1、第32卷第3期武汉科技大学学报Vol.32,No.32009年6月JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyJun.200982B线材在斯太尔摩线上的温度场模拟杭乃勤,万五霞,王伯文,卓钊,程向龙(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)摘要:采用商用marc/mentent有限元软件,利用marc软件的用户扩展接口,开发fortran语言相变潜热处理模块,模拟高碳钢线材在斯太尔摩线上的传热及相变过程,所得模拟结果与实测结果吻合。运用该模拟研究平台可对现场控冷工艺进行有效分析。关键词:高碳钢;高速线材;斯太尔摩线;
2、相变潜热中图分类号:TG335.11文献标志码:A文章编号:16743644(2009)0302290582B线材的性能很大程度上取决于其最终的温度。微观组织和形态,最直接有效的方法是控制轧后1.2边界条件的冷却和相变过程。对金属热变形后相变的定量风冷线上线材的温降采用第3类边界条件,研究已成为建立材料成形过程中传热和相变模型即确定线材与周围流体间的表面传热系数及周围[5]的基础,该研究主要集中于钢材变形后的淬火热流体(空气)的温度,第3类边界条件表达式为处理和CCT曲线的计算等,而关于轧件温度场和T-()=!(T-Ta)(3)n金相组织变化全过程直观可
3、视化方面的研究相对2[13]式中:!为传热系数,W/(mK);Ta为环境温较少。度,!。本文采用有限元模拟方法,利用marc软件在线材中心线处,温度场呈轴对称分布,因而的用户扩展接口,开发了fortran语言相变潜热处有!=0;在线材表面,热交换为外表面与空气间理模块。在建立风冷线上线材的温降和组织演变的对流换热和对周围环境的热辐射,根据现场实模拟系统基础上,根据现场情况确定边界条件和测数据,可通过温度场反算法确定空冷时的换热初始条件,模拟高碳钢线材在斯太尔摩线上的传系数!。热及相变过程。利用该模拟研究平台,对现场控1.3热物理参数制冷却工艺进行分析,为5.5mm和12
4、.5mm热物理参数包括材料密度、质量热容c、热线材控冷工艺的改进提供理论依据。[6]导率,82B钢的热物理参数如表1所示。1线材温降数学模型表182B钢热物理参数(=7823kg/m3)20!Table1Thermalphysicalpropertiesdataof82Bsteel1.1温度场数学模型温度/!4005006007007458009001000对于随时间而变(非稳态问题)且具有内部热c/J(kgK)-15295596357561080577624720源的轧件,其Fourier导热微分方程在极坐标系/W(mK)-132.323025.9628.834.8
5、123.3825.6826.92[4]下的表达式为22相变潜热处理子程序TT1Tc=qc+(2+)(1)trrr2.1相变模型3式中:为轧件材质密度,kg/m;c为质量热容,J/[7]线材相变潜热qc用下式计算:(kgK);T为轧件温度,!;qc为相变潜热,J/fn+1-fn3qc=∀H=∀H∀f(4)m;为热导率,W/(mK);r为轧件半径,m。∀t初始条件:由于初始温度是均匀的,故有:式中:fn为n时刻奥氏体转变为珠光体的体积分T
6、t=0=T0(2)数;fn+1为n+1时刻奥氏体转变为珠光体的体积式中:T0为线材在风冷线入口时的温度,即吐丝分数;∀t为
7、时间增量,s;∀H为奥氏体转变为各组收稿日期:20081225作者简介:杭乃勤(1949),男,武汉科技大学教授.Email:hang.n.q@163.com230武汉科技大学学报2009年第3期3织时的热焓值,J/m。奥氏体转变为各组织时的热焓值如表2所[8]示:表2奥氏体转变为各组织时的热焓值Table2Enthalpyofvariousmicrostructureevolution组织铁素体珠光体贝氏体马氏体∀H/Jm-35.91086.01086.21086.5108[9]奥氏体相变动力学模型用Avrami方程表示:2f=1-exp(-b#
8、)(5)式中:f为奥氏体转变为珠光体的体积分数;#为等温时间,s;系数b是与材料和工艺有关的参[10]数。b=exp(37.864-0.077T-1.88lnd)(6)式中:d为奥氏体化晶粒粒径,∃m。线材为连续冷却过程,计算中将连续冷却离散为阶梯冷却,对每个离散时间段的阶梯平台按等温考虑,按照Scheil提出的等温孕育期可叠加[4]原理计算相变开始温度。线材的相变开始条件是:∀∀ti/ti=1(7)式中:∀ti为计算中的时间间隔,s;ti为不同温度时的相变孕育期,s。当珠光体转变体积分数为
