水壓對(duì)大直徑棒材淬硬層深度的影響

尹德福，陳志強(qiáng)，余延慶，劉 飛，陳其偉，楊樹寶

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司軋鋼事業(yè)部，南京210019)

在線淬火技術(shù)就是利用熱軋終了時(shí)的余熱進(jìn)行在線淬火，原理是在棒材終軋組織仍處于奧氏體狀態(tài)時(shí)，利用其本身的余熱在軋鋼作業(yè)線上直接進(jìn)行淬火處理，將熱軋變形與熱處理有機(jī)結(jié)合在一起，通過合理控制熱軋后棒材的冷卻工藝參數(shù)(冷卻速度、開冷溫度、終冷溫度和冷卻方式等)達(dá)到改善棒材組織和性能的目的。通過這種方式，棒材的生產(chǎn)成本不僅明顯降低，而且其機(jī)械綜合性能仍可得到保證[1-3]。

國內(nèi)外對(duì)小直徑(40 mm以下)棒材的在線淬火技術(shù)已有大量的研究，且部分研究已應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際，如日本神戶鋼鐵公司神戶鋼廠、臺(tái)灣豐新連續(xù)式棒材廠及上海寶鋼集團(tuán)第五鋼鐵廠等[4]有成熟的在線淬火技術(shù)。對(duì)于大直徑棒材在線淬火方面的研究國內(nèi)外報(bào)道較少，僅國外Danieli公司在意大利Acciaierie Bertoli Safau(ABS)工廠有1條生產(chǎn)直徑20～120 mm棒材和邊長40～100 mm方鋼的作業(yè)生產(chǎn)線，但是軋線主要生產(chǎn)正火材，調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)能力小，且與軋線生產(chǎn)能力不匹配[5]。實(shí)際生產(chǎn)中，為提高大直徑棒材質(zhì)量，研究大直徑棒材的在線淬火技術(shù)迫切需要。因此，筆者在參考小直徑棒材穿水冷卻的研究基礎(chǔ)上，探討大直徑棒材在穿水過程中水壓對(duì)其淬硬層深度的影響，為大直徑(Φ40～150 mm)棒材在線淬火線的合理建設(shè)提供參考和依據(jù)。

1 臨界冷卻速度和表面換熱系數(shù)的確定

1.1 臨界冷卻速度

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)圖是在連續(xù)冷卻條件下測(cè)定的，接近生產(chǎn)實(shí)際，據(jù)此求得的臨界冷卻速度作為評(píng)估大直徑棒材的淬硬層深度。臨界冷卻速度的判斷依據(jù)是700℃時(shí)的冷卻速度[6]，表達(dá)式為

其中：vc為臨界冷卻速度，℃/s；Δt為從800℃到500℃的冷卻時(shí)間，s。將計(jì)算出的臨界冷卻速度與直接從其他CCT圖確定的臨界冷卻速度進(jìn)行對(duì)照，采用硬度和金相組織對(duì)公式進(jìn)行校核。得到45鋼、42CrMo鋼達(dá)到淬硬層深度(即體積分?jǐn)?shù)50%的馬氏體)的臨界冷卻速度分別為72，10℃/s。

1.2 表面換熱系數(shù)

大直徑棒材軋后在線淬火過程中，在冷卻設(shè)備確定的情況下，水壓是影響其冷卻效果的主要參數(shù)，故在大直徑棒材在線淬火模擬中，主要研究水壓對(duì)大直徑棒材淬硬層深度的影響。棒材穿水冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1[8-9]，冷卻器直徑取360 mm，有4個(gè)進(jìn)水口，每個(gè)進(jìn)水口的直徑為47 mm，2個(gè)出水口，每個(gè)出水口直徑為100 mm。在輸入冷卻水壓強(qiáng)0.1～2.4 MPa的情況下，得到進(jìn)水管內(nèi)流場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2。

圖2表明，隨著水壓的增加，水速增加相對(duì)緩慢。通過水速可計(jì)算出水流量和水流密度，表達(dá)式為：

其中：w為水流量，m3/h；ν為水流速度，m/s；S為進(jìn)水管截面積，m2；ρ為水流密度，L/(m2·min)；r為棒材半徑，mm。進(jìn)而通過水流密度計(jì)算表面換熱系數(shù)h[7]，表達(dá)式：

θ＜600℃時(shí)

θ＞600℃時(shí)

其中θ為表面溫度。通過上述關(guān)系式可得不同水壓下的表面換熱系數(shù)，且表面換熱系數(shù)隨著水壓的增大而增大。

2 模型的建立

2.1 模型的網(wǎng)格劃分

設(shè)定棒材為簡單的無限長圓柱體結(jié)構(gòu)，選取棒材內(nèi)部截面作為研究對(duì)象，所取的截面距端部的距離遠(yuǎn)大于棒材的直徑，因而可以忽略端部熱交換對(duì)截面的影響。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將采用二維有限元模型對(duì)淬火過程進(jìn)行研究。鑒于棒材截面的對(duì)稱性，取其1/4(圓截面)建立計(jì)算模型，圖3為利用MSC.MARC有限元軟件建立直徑80 mm棒材的有限元模型示意圖，采用PLANE131三角形六節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元數(shù)2 549個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)5 182個(gè)；同時(shí)為保證模擬計(jì)算淬硬層深度的精確性，沿直徑方向每2個(gè)節(jié)點(diǎn)的間隔為0.5 mm；圖中所示箭頭為施加的表面換熱系數(shù)。默認(rèn)大直徑棒材開冷時(shí)內(nèi)外溫度均勻，開冷溫度為900℃，冷卻水溫度為現(xiàn)場(chǎng)的冷卻水溫30℃。采用持續(xù)冷卻，以確保得到不同規(guī)格大棒材的最大淬硬層深度。

2.2 熱物性參數(shù)

淬火過程中材料的溫度變化范圍較大，熱物性參數(shù)應(yīng)看成溫度的函數(shù)[10-11]，2種大直徑棒材的熱物性參數(shù)如表1。

表1 45鋼和42CrMo鋼的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal properties of 45 steel and 42CrMo steel

3 有限元模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建有限元模型的正確性，通過帶有水壓調(diào)節(jié)功能的淬火實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)直徑50，100 mm的45鋼及42CrMo進(jìn)行淬火實(shí)驗(yàn)。加熱試樣至900℃并保溫一段時(shí)間后取出固定，開啟水泵進(jìn)行淬火。具體參數(shù)為水壓0.1，0.6 MPa(水溫30℃)，冷卻時(shí)間3 min。對(duì)淬火后的試樣進(jìn)行金相和硬度分析，得到試驗(yàn)鋼的淬硬層深度。淬硬層深度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果如表2。

從表2可知，模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值吻合較好，表明模擬結(jié)果具有一定的可信度，能夠較好地運(yùn)用于模擬實(shí)際在線淬火過程。

表2 淬硬層深度實(shí)驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比(mm)Tab.2 Comparison between experiment value and calculated value(mm)

4 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

通過MSC.MARC有限元軟件對(duì)直徑50，80，100，150 mm的45鋼和42CrMo鋼大直徑棒材在線淬火過程的溫度變化進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

圖4為大直徑棒材在線淬火過程的4個(gè)典型時(shí)刻棒材橫截面上的溫度分布。由圖4可見，開始淬火時(shí)，試樣表面溫度急劇下降，隨著時(shí)間推移，棒材心部溫度也開始冷卻，直至在線淬火結(jié)束。圖5為直徑80 mm的45鋼棒材心部在不同水壓下的溫降曲線。由圖5可知：在前15 s溫降曲線幾乎水平，15 s時(shí)溫降逐漸開始，水壓對(duì)其的影響逐漸顯現(xiàn)；水壓從0.1 MPa增大到1.2 MPa時(shí)，對(duì)棒材心部的冷卻效果影響明顯，繼續(xù)增加時(shí)，影響效果則逐漸降低(曲線間隔漸密)，即繼續(xù)增大水壓對(duì)棒材冷卻效果的提高已不顯著。圖6為不同規(guī)格的42CrMo鋼在1.2 MPa水壓下達(dá)到最大淬硬層深度的溫度冷卻曲線，通過計(jì)算得出，42CrMo鋼淬硬層深度隨著棒材直徑的增加向表面移動(dòng)，這為大直徑(Φ40～150 mm)棒材在線淬火線的建設(shè)提供了理論依據(jù)。

4.2 水壓對(duì)淬硬層深度的影響

根據(jù)臨界冷卻速度和原工藝參數(shù)，模擬得到不同規(guī)格的45鋼和42CrMo鋼在不同水壓下的淬硬層深度，分別如表3，4。為進(jìn)一步研究水壓對(duì)大棒淬硬層深度的影響，加大水壓的范圍，初步設(shè)定為0.1～2.4 MPa。

表3 45鋼淬硬層深度的預(yù)測(cè)(mm)Tab.3 Prediction of the hardened layer depth of 45 steel(mm)

表4 42CrMo鋼淬硬層深度的預(yù)測(cè)(mm)Tab.4 Prediction of the hardened layer depth of 42CrMo steel(mm)

由表3可以看出：當(dāng)水壓為0.1 MPa時(shí)，直徑80 mm的棒材表面并不能形成有效的淬硬層；當(dāng)水壓增加到1.2 MPa時(shí)，淬硬層深度能夠達(dá)到6.00 mm，0.6 MPa時(shí)也能達(dá)到5.50 mm，但當(dāng)水壓增加到2.4 MPa時(shí)，45鋼的淬硬層深度僅為6.50 mm，較1.2 MPa時(shí)增加量不超過9%。由此得出：當(dāng)水壓超過1.2 MPa后隨著水壓的繼續(xù)增大，其對(duì)淬硬層的影響效果程度逐漸減小。其余3種規(guī)格的45鋼有類似規(guī)律，不同規(guī)格的42CrMo也具有同樣規(guī)律(表4)。

綜上所述，水壓對(duì)大直徑棒材的淬硬層深度有較大影響，但其影響程度隨水壓的增大而逐漸減小。綜合分析，為了節(jié)約成本，降低能耗，在實(shí)際大棒材在線淬火中，水壓在1.2 MPa時(shí)最佳。

從傳熱學(xué)的角度分析來看，大直徑棒材淬火是對(duì)流邊界條件下二維不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，是由冷卻介質(zhì)同淬火大直徑棒材表面之間的熱交換過程和大直徑棒材表面向內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程組成的。由于大直徑棒材截面上各點(diǎn)的熱傳導(dǎo)距離不同，從大直徑棒材表面到中心的各點(diǎn)冷卻速度是逐漸減小的。通常來說，當(dāng)距離大直徑棒材表面某一深度處的冷卻速度等于臨界冷卻速度時(shí)，從該深度以外的大直徑棒材表層就成為淬硬層。因此，水壓不同，截面上的冷卻速度分布也不一樣，根據(jù)熱傳導(dǎo)規(guī)律，水壓越大，截面上的冷卻速度等于大直徑棒材的臨界冷卻速度的位置越靠近心部，從而淬硬層深度越深；反之，水壓越小，臨界冷卻速度的位置越移向表面，從而淬硬層深度越淺。

5 結(jié) 論

1)通過連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)，得到45鋼、42CrMo鋼達(dá)到淬硬層深度(即體積分?jǐn)?shù)50%的馬氏體)的臨界冷卻速度分別為72，10℃/s。

2)利用非線性有限元數(shù)值模擬軟件，考慮材料變物性參數(shù)及相變潛熱，對(duì)大直徑棒材在線淬火過程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

3)水壓對(duì)大直徑棒材冷卻效果影響顯著。水壓增加，冷卻效果越好，大直徑棒材淬硬層深度越深，但水壓增加到1.2 MPa后，其對(duì)大直徑棒材淬硬層深度增加程度減弱。因此，在大直徑棒材在線淬火時(shí)，建議水壓在1.2 MPa時(shí)最佳。

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