高速线材10道次精轧过程的有限元模拟

通过对钢厂高速线材热连轧过程的传热分析,借助ABAQUS软件建立了线材与轧辊的3维热机耦合模型,对42A钢(0.39%～0.46%C)从Φ16 mm精轧至Φ5.5 mm轧材的10道次精轧过程的温度场,应力-应变场和轧制力进行了模拟。得出精轧后轧件心部温度升高130℃,表面温度降低10℃,轧件降温主要是轧件的热辐射和水冷造成的。10道次轧制力的计算值与实测值的相对误差为1.88%～4.50%。     

有限差分法在钢筋穿水冷却时温度场模拟中的应用

采用有限差分法对螺纹钢筋轧后穿水冷却时的传热行为进行了数值解析,对钢筋温度场控冷时的变化规律建立了数值模型,反算出了穿水冷却时的对流换热系数,得到了冷却过程中温度变化曲线,模拟结果符合现场实际情况.     

带钢层流冷却过程中冲击穿透深度的数值模拟

带钢在层流冷却过程中距表面较近的区域温度存在反复升降的现象,造成厚度方向上组织和性能的差异。结合酒钢CSP热轧带钢生产数据,建立一维热轧带钢有限元模型,计算层流冷却过程中带钢的温度场。提出了冷却过程中带钢冲击穿透深度的概念,并初步探究其影响因素。厚度为3和4mm的带钢计算得出的卷取温度比实测温度分别高3和8℃,相对误差分别为0.44%和1.16%,验证了模型和假设的合理性。结果表明,冷却过程中冲击穿透深度受带钢的导热系数、平流区的对流换热系数、带钢表面温度和喷嘴分布的影响;带钢上表面喷嘴分布较少,冲击穿透深度随对流换热系数的增大而增加,下表面喷嘴分布密集起主导作用,增加对流换热系数,冲击穿透深度几乎不受影响。     

20CrMnTiH圆钢精轧后控冷过程温度场有限元分析

通过对20CrMnTiH圆钢精轧后控制冷却过程温度场进行有限元模拟以及现场温度实测,得出了Φ35 mm规格圆钢芯部、1/2半径处和表层温度的分布曲线。分析说明,轧后水冷却过程圆钢表层温度急速下降,而芯部温度下降缓慢,水冷时圆钢芯部与表面的最大温差约为115℃;水冷后的空冷过程使得圆钢芯部和表层温度逐渐一致。20CrMnTiH圆钢精轧后采用快速水冷并配合空冷工艺,有利于抑制奥氏体晶粒长大并获得均匀细小的轧材组织。     

矿热炉炉衬结构的温度场分析

为进一步研究矿热炉炉衬中温度场的分布情况,采用ANSYS仿真软件对真实简化的炉衬模型进行仿真分析。通过改变炉内温度和对流换热系数的数值,得到炉壁处的温度数据,与实测数据进行对比,验证模拟数据的合理性。结果表明,炉衬中不同耐火材料的温度分布存在差异;炉壁温度会随着炉内温度的增大而逐渐升高,随着对流换热系数的增大而降低;炉壁温度随对流换热系数的变化曲线斜率从0.13降到0.06,当曲线斜率逼近于0时,对流换热系数不再影响炉壁温度的变化,得到最优化的对流换热系数;模拟数据占实测数据的百分比在3%~8%范围内时,模拟数据能合理反映炉壁温度值。这为炉体保温结构设计和耐火材料的选用提供依据。     

钢包底换热系数的计算

根据钢包出钢完毕后的传热特点,推导出包底耐火材料的自然对流换热系数和辐射换热系数计算公式,并由此计算出包底的对流辐射换热系数.通过举例计算发现,在包底温度介于1400～1600℃时,对流换热系数远小于辐射换热系数,且其大小随温度升高略有降低;对流辐射换热系数随温度的升高而增加,且其大小与温度基本呈线性关系.     

直流电弧炉钢棒式底电极传热与流动数学模型

 为了深入了解直流电弧炉水冷钢棒式底电极的传热过程，根据底电极的炉底结构结合相应的边界条件，建立了基于流动的二维轴对称固液相变传热数学模型。推导了考虑水冷铜套和电极之间空气隙影响的等效对流换热系数以及通电时的径向和轴向电磁力方程。模型中考虑了底电极从固态300 K到液态2 000 K过程中钢的物性的连续变化。利用所建模型，可以数值模拟直流电弧炉单炉冶炼、双炉冶炼的非稳态传热过程以及考察计算参数和结构改变影响的稳态传热过程，为改善电弧炉的安全性、提高工作效率提供理论依据。     

高速线材生产过程组织性能预测模型仿真

 采用计算机对高速线材生产过程进行模拟，开发出具有较高准确度同时具有对不同轧制工艺有较好通用性的高线生产仿真系统。利用有限元方法计算了线材在待轧、轧制、水冷及风冷过程的温度场；通过对再结晶动力学模型的解析，得到了静态再结晶、动态再结晶的分数以及奥氏体晶粒在轧制过程中的变化情况；通过组织演变模型和温度模型的耦合计算，模拟出斯太尔摩风冷线上线材的组织变化过程；建立了利用初始化学成分和组织组成预测高线产品力学性能的BP神经网络模型，通过生产过程数据的训练，实现了对线材力学性能的预测。仿真计算的结果对线材控轧、控冷工艺的改进有一定的指导意义。     

CSP热轧过程温度场模拟

综合考虑传热、变形及变形过程中的再结晶之间的相互影响，对C—Mn钢在CSP热连轧过程的温度场进行了计算机模拟。确定了各种工艺条件下的传热边界条件及其对应的换热系数关系式，计算出了轧件变形过程中温度变化和温度场分布。算例表明，模拟计算具有较好的精度，能为进一步模拟带钢轧后组织演变和性能预测分析提供计算基础。     

棒材水冷过程仿真系统的研究与开发

对棒材水冷过程传热机理进行了研究和分析,采用FLUENT软件对不同穿水管冷却不同规格棒材时的流动传热性能和阻力特性进行了分析,获得了棒材在穿水管内冷却时的压力、速度和温度变化情况,得到了压差随流量变化的特性曲线、对流换热系数随流量变化的特性曲线、喷嘴阻力特性曲线,以及这些曲线对应的拟合数值模型,在此基础上编制了棒材水冷过程仿真系统软件,可快速精确地模拟出棒材水冷过程温度变化情况,在多个棒材轧机生产线上取得了较好的实际应用效果,对冷床入口处棒材表面温度的预测精度达到了±20℃。     

铰线钢盘条控冷工艺研究

分析绞线钢在控冷过程中水冷段和风冷段传热和相变的数学模型，由现场工艺确定的边界条件，通过大型商用有限元软件Marc／Mentat及二次开发技术，模拟轧后控制冷却过程中水冷线的温度场以及风冷线的温度场和组织场的全过程，并和实际结果对比，对现场生产制定合理的工艺制度、提高产品的综合性能具有重要的指导意义。     

连铸板坯二冷高温区传热均匀性研究与优化

在板坯连铸过程中,二冷区传热的均匀性对铸坯表面与内部质量均有重要的影响。首先对国内某钢厂二冷各区的喷嘴进行了喷淋性能测试,根据各冷却区喷嘴的布局及2 000 mm×250 mm断面包晶桥梁钢板坯连铸生产过程的各区水量分布,建立了铸坯三维凝固传热有限元计算模型,模拟分析了铸坯在二冷区内的动态凝固传热行为。在此基础上,优化调整了连铸二冷高温区的喷嘴布局。结果表明,某钢厂原二冷区喷嘴布局条件下,其高温区的铸坯表面温度沿其横向波动较大。典型生产工艺下,二冷4区出口处的铸坯宽面表面横向温差最大,即距角部313 mm处的宽面表面温度最高为1 073 ℃,而距角部873 mm处的宽面表面温度最低为996 ℃,温差达77 ℃。而当铸坯进入二冷弧形区时,铸坯表面的横向温度分布逐渐趋于均匀。将二冷2区的喷嘴安装高度由距铸坯表面170提升至200 mm、3区和4区的喷嘴安装高度由距铸坯表面200提升至240 mm,可使铸坯在高温区内的表面横向温差最大值降至30 ℃以下,大幅改善铸坯表面温度分布的均匀性。     

海洋平台用100mm厚EH36-Z35钢板的开发

介绍了海洋平台用100 mm厚EH36-Z35钢板生产工艺和技术的主要难点。通过理论分析确定了钢板的成分体系。采用两阶段轧制工艺,粗轧阶段加大道次压下量,精轧阶段终轧温度控制在再结晶温度以下。轧后进行弱水冷,抑制晶粒长大。利用正火热处理进一步促进晶粒的细化和均匀化,并消除钢板表面因水冷产生的脆硬组织。检验证明,试制钢板的表面和心部组织均为细小、均匀的铁素体+珠光体,碳当量Ceq=0.42%,冷裂纹敏感系数Pcm=0.22%,钢板厚度1/4处及心部力学性能都达到船级社标准和中海油(CNOOC)的采购要求,并有较大富裕量。经过热输入量50 kJ/cm焊接后,焊接接头具有良好的强度性能,焊接热影响区(HAZ)的冲击功较高。     

高速线材轧制全程温度曲线有限元模拟

采用Deform模拟计算加热炉铸坯温度分布,并通过‘黑匣子’试验验证,当加热时间为70 min时,铸坯心部与表面温差约66℃,80 min时降到15℃.模拟计算轧制和水冷过程心部和表面温度曲线,并通过测温仪验证,得出准确的摩擦热、塑性变形热以及水冷换热系数模型.采用Fluent模拟计算风机的风场,使用手持测风仪验证,再建立盘条搭接点温度模型,计算出风冷线上强迫对流换热、自然换热和辐射换热系数以及相变潜热,使用热成像仪测温验证.模拟与试验结果十分吻合.      

20MnSi钢筋热连轧及轧后分级控冷过程温度变化模拟

 建立温度计算模型针对22 mm和28 mm规格20MnSi棒材热连轧及控制冷却过程温度场进行了计算机模拟分析,获得了棒材精轧及轧后分级控冷过程的温度变化规律。对轧制圆钢和螺纹钢筋不同条件下成品道次温度变化特点进行了研究。研究结果是,轧制22 mm和28 mm规格20MnSi螺纹钢筋时的终轧温度比轧制相同规格圆钢时显著升高。轧制螺纹钢筋时精轧末道次轧材表层形成螺纹出现较大的局部应变量和应变速率,由此产生大量变形热是终轧钢筋表层急速升温的根本原因。与轧制圆钢相比,为完成同等控冷效果及有效控制轧后组织性能,20MnSi螺纹钢筋精轧后第1水冷段的换热系数明显较高,因此需要相应采用较大的冷却水量。     

82A钢高速线材控制冷却工艺的优化

利用Gleeble 1500热模拟实验机测定了82A高碳钢(%:0.81C、0.50Mn、0.21Si、0.007P、0.006S)Φ5.5 mm线材在0.8～40℃/s冷却速度下的连续冷却转变(CCT)曲线,经与现场实测冷却曲线估算的实际相变温度拟合修正,得出符合生产实际的动态CCT曲线。结合高速线材控制冷却过程的基本模型,得出82A钢线材适宜的吐丝温度为910～930℃;相变过程最佳冷却速度为9～12℃/s。     

管线配套焊丝钢生产缓冷工艺研究

通过测定焊丝钢冷却过程连续过冷曲线,制定了管线配套焊丝钢盘条的冷却工艺。通过调整冷却工艺参数,使盘条强度满足了用户要求。拉拔试验结果表明,盘条可以不经过热处理直接拉拔到用户要求线径,拉拔后焊丝满足了用户缠绕与送丝要求。     

低温钢筋穿水冷却工艺

 根据低温钢筋穿水冷却工艺特点,利用现场实测数据并结合理论分析得到不同规格低温钢筋穿水冷却过程中的对流换热系数。采用MSC Marc有限元软件与现场试制结果对低温钢筋穿水冷却过程进行了研究。研究了冷却水流量、终轧温度、穿水时间等工艺参数对低温钢筋温度场和组织演变的影响。模拟结果表明：当冷却水流量为120 m3/h时,钢筋芯部开始有珠光体转变;当冷却水流量为400 m3/h时,钢筋芯部无铁素体转变;冷却水流量为160～200 m3/h时,所获得的组织为针状铁素体与贝氏体。终轧温度增加50 ℃,出水冷装置后钢筋表面温度约增加10 ℃,返红温度约增加30 ℃;在200 m3/h水流量下冷却1.2 s,终轧温度为1 050 ℃时,其芯部组织为针状铁素体与细小的贝氏体。在相同水压与水流量条件下,随着穿水速度的增加,淬透层深度减小,返红温度增加。     

Mathematical model of heat flow and austenite-pearlite transformation in eutectoid carbon steel rods for wire

A mathematical model incorporating both heat transfer and the transformation of austenite to pearlite in eutectoid carbon steel rods has been developed. A computer program based on the implicit finite-difference technique has been written which permits the temperature distribution and fraction of austenite transformed to be predicted as a function of cooling conditions, rod diameter and the transformation characteristics of the steel. The program takes into account the temperature-dependent heat transfer and thermophysical properties; and stresses the importance of the enthalpy of transformation. The model has been checked for internal consistency with theoretical equations, and model predictions have been compared to published industrial data for rod cooling in water at 100 °. The effect on the temperature distribution and fraction of austenite transformed of several variables,viz., rod diameter, starting temperature, heat transfer conditions, transformation characteristics and quenchant temperature, has been predicted using the model. The range of variables studied are typical of those found in industrial processes such as patenting and controlled cooling. Use of the model in the design of controlled cooling processes and in coping with problems such as segregation in wire rods is currently under study. PRAKASH K. AGARWAL, formerly Graduate Student in the Department of Metallurgical Engineering, University of British Columbia.