空冷奧氏體相變過程中的相變潛熱

韓艷凱,陳連生,宋進(jìn)英,劉毅

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團(tuán)唐山公司,河北唐山 063000)

0 引 言

在熱軋棒材、線材以及其他各類型材的生產(chǎn)中,軋后一般采取空冷方式進(jìn)行冷卻,軋材最終的的組織轉(zhuǎn)變也是在空冷中完成。在冷卻過程中,軋件溫度的變化對(duì)組織轉(zhuǎn)變起到了至關(guān)重要的作用,相變潛熱的釋放造成相變過程中金屬溫度回升并且導(dǎo)致相變的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng),使相變?cè)谝粋€(gè)波動(dòng)范圍小、相對(duì)穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行,近似于等溫轉(zhuǎn)變,降低了相變過程中的冷卻速度,影響組織的形成。若忽略相變潛熱對(duì)奧氏體相變的影響,則不能真實(shí)地描述相變過程,因此,需要對(duì)相變潛熱量以及相變發(fā)生溫度區(qū)間進(jìn)行分析研究。

1 空冷下奧氏體相變溫度場(chǎng)的模擬

研究選用的鋼種為40Cr,化學(xué)成分見下表為:

表1 實(shí)驗(yàn)鋼40C r的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比/%)

1.1 初始條件

初始條件是導(dǎo)熱現(xiàn)象開始時(shí)物體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的開始情況,溫度場(chǎng)模擬中采用的初始溫度為均勻初始溫度,即:式中:T0—軋件冷卻的初始溫度,℃。針對(duì)實(shí)際情況,模擬空冷過程冷卻曲線,應(yīng)把初始溫度設(shè)定為奧氏體化溫度以上,因此數(shù)值模擬中初始溫度為960℃。

1.2 材料熱物性參數(shù)的選擇

以40Cr鋼種為研究對(duì)象進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬時(shí),溫度對(duì)密度影響比較小不隨溫度而變化的。在發(fā)生相變時(shí)導(dǎo)致比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的改變,因此導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均為溫度的非線性函數(shù)。依據(jù)金屬材料手冊(cè)得到不同溫度下各種熱物性參數(shù)值如表2,ANSYS軟件自動(dòng)差值擬合。

表2 40Cr材料熱物性參數(shù)

1.3 材料熱交換系數(shù)的測(cè)定與選擇

40Cr在空冷過程中主要有熱輻射和熱對(duì)流兩種傳熱方式,由于對(duì)流引起的溫降僅為輻射溫降的0.01,因此在空冷過程中可忽略熱對(duì)流的影響。一般來說利用Stefan-Boltzmann定律[1],輻射到環(huán)境中的熱流通量qr和熱交換系數(shù)hr表示如:H=qr+hr=ε?S?()+qr/(Tw-Tc)式中:S—Stefan-Bo ltzmann常數(shù),W?m-2?K-4;ε—輻射率;Tw—為軋件表面溫度,℃;Tc—為空氣溫度,℃。

用上面方法計(jì)算換熱系數(shù),來推算空冷過程中的溫度值往往比實(shí)際偏低30～50℃或者更大,原因?yàn)檐埣诩訜徇^程中生成的氧化鐵皮,阻礙了熱量向環(huán)境的傳遞。針對(duì)這種情況對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了擬合得到了經(jīng)驗(yàn)公式如下[2]:H=2.2(TW-TC)0.25+4.6×10-8(T)(TW+TC)。

1.4 相變潛熱的補(bǔ)熱法計(jì)算

我們把相變潛熱看做一個(gè)內(nèi)熱源加入到ANSYS分析過程中。也就是在相變區(qū)間內(nèi),通過內(nèi)熱源釋放等效的熱量而達(dá)到與實(shí)際溫降曲線相符。根據(jù)已測(cè)定實(shí)際情況下的軋件心部相變區(qū)間的的冷卻曲線T=f (t)以及心部冷卻速率 ΔTt/Δt曲線推導(dǎo)出沿軋件截面的溫度分布,即溫度梯度ΔTx/Δx,根據(jù)相變區(qū)間的溫度梯度然后求出熱流密度qc,將熱流密度以函數(shù)的形式代入到模擬過程中,并進(jìn)行修正,直到模擬曲線與實(shí)際曲線符合。qc=-

1.5 模擬結(jié)果與分析

不考慮相變潛熱時(shí),模擬求解結(jié)束后打開后處理器,可以得到在空冷過程結(jié)束溫度場(chǎng)分布等值線圖,如圖1所示。從圖1中可以看到,經(jīng)過1390 s的冷卻后,表面的溫度最低為326.635℃,而心部的溫度相對(duì)比較高,這是由于表面與外界介質(zhì)直接接觸換熱的原因。溫度場(chǎng)由里向外溫降比較均勻,模擬結(jié)果與實(shí)際比較吻合。溫降過程中表面與心部溫度差如圖2。

圖1 a、b分別為10s、1390s時(shí)橫截面上溫度場(chǎng)分布等值線圖

當(dāng)相變潛熱看做內(nèi)熱源加入ANSYS分析,將模擬的數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)化為origin軟件制圖。如圖3可知從表面到中心所有節(jié)點(diǎn)的溫降規(guī)律大致相同,相變前后溫降呈現(xiàn)平緩的冷卻曲線,冷卻速率不斷的減小;而當(dāng)相變發(fā)生時(shí),由于熱量的加入冷卻曲線得到改變,直至出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。越靠近心部,曲線的溫升現(xiàn)象越平緩這是由于在表面的熱量得失有兩部分補(bǔ)給:第一部分是心部由于溫度比較高,向表面處進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱量;第二部分是相變潛熱的釋放量。而心部溫度只有相變潛熱量釋放,因此表面比心部的溫升現(xiàn)象比較明顯。

圖2 未考慮相變潛熱時(shí)溫降曲線

圖4為在空冷狀態(tài)下心部的模擬曲線與前文所測(cè)得的實(shí)際曲線相對(duì)比圖。模擬溫降曲線基本符合實(shí)際情況。圖中拐點(diǎn)是由于相變潛熱的釋放而引起的,溫升值大概在30℃左右。

圖3 40Crφ50鋼軋后空冷模擬溫降曲線

圖4 心部模擬與實(shí)際曲線對(duì)比

2 熱分析法判斷相變點(diǎn)的研究

2.1 實(shí)測(cè)瞬時(shí)冷卻速率曲線法

當(dāng)空冷過程中金屬發(fā)生相變時(shí),將有相變潛熱釋放,額外熱量的出現(xiàn),將導(dǎo)致軋件斷面各部分的熱量傳遞的原有格局發(fā)生變化。若相變潛熱造成的熱補(bǔ)給量較大,軋件表面溫降趨勢(shì)勢(shì)必出現(xiàn)較為明顯的改變,表現(xiàn)出溫降減緩甚至溫度回升的現(xiàn)象。相變開始時(shí)刻的冷卻速率也將出現(xiàn)明顯的變化,表現(xiàn)為偏離原有指數(shù)曲線形式的下降通道,出現(xiàn)拐點(diǎn);當(dāng)整個(gè)相變過程完成時(shí),相變潛熱釋放消失,內(nèi)部熱量補(bǔ)給停止,軋件表面溫降恢復(fù)到連續(xù)緩慢下降狀態(tài),冷卻速率也將再次回歸到原有下降曲線上,并隨軋件表面溫度下降逐漸減小。如圖5所示。偏離指數(shù)函數(shù)曲線的區(qū)間就是金屬對(duì)應(yīng)的整個(gè)相變區(qū)。相變過程的開始和結(jié)束點(diǎn)確定后,結(jié)合溫降曲線,可以精確的確定相變開始和相變結(jié)束溫度和持續(xù)時(shí)間[3～4]。

圖5 心部瞬時(shí)冷速-時(shí)間曲線

2.2 差示掃描量熱法

實(shí)驗(yàn)是在STA 449C熱分析儀上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)過程中都采用高純的氬氣保護(hù)下進(jìn)行,其熱流量為35mL?min-1,加熱溫度確定為完全奧氏體溫度以上900℃;升溫速率均采用10℃?min-1,達(dá)到設(shè)定的奧實(shí)體化溫度后保溫10 min,DSC采用的是0.8℃?s-1。實(shí)驗(yàn)前按照要求將試樣加工成φ4 mm×2 mm的圓柱體,實(shí)驗(yàn)過程中將圓柱體放入一個(gè)剛玉坩堝內(nèi),其參考物為空剛玉坩堝(即爐內(nèi)的溫度)。

圖6 冷速為0.8℃?s-1時(shí)的相變點(diǎn)及相變潛熱

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析:

在試樣的溫降的過程中,相變點(diǎn)的確定是根據(jù)ICTA規(guī)定確定的。冷速為0.8℃?s-1時(shí)的相變開始溫度為690.9℃,達(dá)到峰值時(shí)的溫度為為664.7℃,在溫度為630.1℃時(shí)相變結(jié)束。在曲線中峰值的溫度比較容易測(cè)定,但它及不反映相變速率達(dá)到最大值時(shí)的溫度,也不代表放熱結(jié)束時(shí)的溫度。通過曲線可發(fā)現(xiàn)峰值溫度比起外推起始溫度更容易隨冷卻速率的變化而變化[5]。

實(shí)驗(yàn)采用的冷卻速率0.8℃?s-1為40Cr圓鋼在實(shí)際的生產(chǎn)過程中φ50 mm相變區(qū)間的平均冷速。與冷狀態(tài)下新型測(cè)相變特征點(diǎn)法及40Cr圓鋼CCT曲線相變特征點(diǎn)的對(duì)比如表3所示。

表3 相變特征點(diǎn)的判斷

由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)DSC曲線分析所得到的相變開始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)的溫度與瞬時(shí)冷卻速率曲線法的相變溫度在冷速為0.8℃?s-1時(shí)僅差6.1℃和1.1℃,而與CCT曲線分別相差在冷速為0.8℃?s-1時(shí)為12.1℃和7.9℃。這是由于1)在DSC曲線的測(cè)定中冷卻速率是恒定值,而實(shí)際上材料的冷速是不斷變化的,并且隨著溫度的降低而逐漸減小的,相變需要一定的過冷度,因此實(shí)際相變區(qū)間的開始和結(jié)束要低于DSC所測(cè)。2)測(cè)量誤差。相變特征點(diǎn)的測(cè)定再一次驗(yàn)證了模擬所依托的實(shí)測(cè)瞬時(shí)冷卻速率曲線法測(cè)相變特征點(diǎn)的合理性。

對(duì)于相變潛熱,圖中曲線采用的分析方法是比較精確的反曲線法,計(jì)算得出整個(gè)峰的面積為-74.32J?g-1。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于空冷條件下奧氏體相變過程,在考慮相變潛熱的影響,并將其作為內(nèi)熱源加入后進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬,模擬的溫降過程中出現(xiàn)了與實(shí)際相吻合的溫升現(xiàn)象。

(2)利用差示掃描量熱法對(duì)其相變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果與實(shí)測(cè)瞬時(shí)冷卻速率曲線法及CCT曲線相近,驗(yàn)證了實(shí)測(cè)瞬時(shí)冷卻速率曲線法的可靠性。

(3)用差示掃描量熱法觀測(cè)相變前后比熱變化,測(cè)得40Cr鋼的相變潛熱是74.32J?g-1。

[1] 蒲玉梅,蔡慶伍等.考慮相變過程的高碳鋼線材溫度場(chǎng)計(jì)算[J].軋鋼,1999,(6):19～21.

[2] 劉莊,吳景之.熱處理過程的數(shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社,1996:137～162.

[3] 陳連生,狄國標(biāo),任吉堂等.熱變形奧氏體CCT曲線實(shí)用化修正研究[J].上海金屬,2006,28(2):23.

[4] 陳連生,齊建軍,席軍良.一種空冷狀態(tài)下的金屬相變特征數(shù)值的判定方法[J].中國專利:CN 1908639[P],2007-02-07.

[5] 潘紅波,唐荻,胡水平,王瀟瀟,丁勇生.熱分析法測(cè)量相變溫度的研究[J].物理測(cè)試,2008,26(6).