45#鋼板熱處理過程溫度模擬與驗(yàn)證

曾珍珍　單雨祥　陳金桂　楊義　朱燦陽

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)以及材料生產(chǎn)行業(yè)取得了令人矚目的成就。我國(guó)機(jī)械材料加工行業(yè)在進(jìn)行熱處理、鍛造機(jī)械加工以及焊接等工藝時(shí)，已經(jīng)形成了一個(gè)完整的工藝生產(chǎn)鏈。對(duì)材料進(jìn)行熱處理，不僅能夠賦予零件基本性能，還能夠?qū)ιa(chǎn)工具進(jìn)行強(qiáng)化，因此，熱處理在材料生產(chǎn)過程中扮演著重要的作用。本文利用計(jì)算機(jī)軟件模擬分析了45#鋼熱處理過程中溫度場(chǎng)的變化，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，以期為相關(guān)工作者提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：45#鋼；熱處理；計(jì)算機(jī)模擬；驗(yàn)證

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)階段機(jī)械加工行業(yè)在進(jìn)行材料熱處理過程溫度模擬時(shí)，已經(jīng)開始利用信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過信息技術(shù)的應(yīng)用，能夠建立有效反映45#鋼材熱處理過程中的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、相變以及應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型，[1]從而更加準(zhǔn)確地對(duì)45#鋼材生產(chǎn)過程中各種復(fù)雜的物理以及化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。相關(guān)工作人員通過對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估之后制定出更為完善的熱處理工藝，從而提升對(duì)45#鋼板熱處理過程的智能化控制，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、精密生產(chǎn)的目的。

但是由于我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)起步較晚，導(dǎo)致我國(guó)在進(jìn)行鋼材熱處理時(shí)更多的選擇傳統(tǒng)的性能測(cè)定以及觀察方法。這種方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理過程的直接觀察和測(cè)量，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)的效率降低和成本升高?，F(xiàn)階段，我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域開始逐漸引入計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，使得我國(guó)的機(jī)械制造得到了快速發(fā)展。

一、觀察模型的建立

（一）物理模型簡(jiǎn)化

本文選擇45#鋼板作為研究對(duì)象，進(jìn)行加工時(shí)的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，協(xié)助進(jìn)行45#鋼板的熱處理。生產(chǎn)45#鋼板的規(guī)格為（10～60mm）×（800～1550mm）×（1500～2500mm），45#鋼材的生產(chǎn)模式為連續(xù)運(yùn)行模式以及擺動(dòng)運(yùn)行模式[2]兩種。

在進(jìn)行本次研究時(shí)，由于45#鋼板具有兩端對(duì)稱傳熱的特點(diǎn)，因此在進(jìn)行本次研究時(shí)，只選擇45#鋼板的一半面積作為研究對(duì)象。

（二）建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在進(jìn)行研究時(shí)，為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的精度研究，常對(duì)進(jìn)行45#鋼板熱處理的常化爐進(jìn)行假設(shè)以及建模。具體假設(shè)以及建模過程如下：第一，?；癄t的溫度在?；癄t的長(zhǎng)軸方向上呈分階段現(xiàn)行分布，而對(duì)實(shí)際情況下常化爐長(zhǎng)軸方向的輻射換熱不進(jìn)行考慮；第二，45#鋼板的熱量交換只在表面進(jìn)行，同時(shí)45#鋼板表面的熱量傳遞主要通過輻射以及對(duì)流的形式進(jìn)行；第三，在進(jìn)行45#鋼板的熱處理時(shí)，鋼板是以勻速運(yùn)動(dòng)的形式進(jìn)行的，同時(shí)45#鋼板的斷面與整個(gè)?；癄t的長(zhǎng)軸呈90°角，同時(shí)隨著鋼板的運(yùn)行而移動(dòng)；第四，在進(jìn)行鋼板熱處理時(shí)，45#鋼板的表面熱量發(fā)射率為常數(shù)；第五，將爐輥對(duì)45#鋼板的導(dǎo)熱忽略不計(jì)。

（三）鋼板表面對(duì)流換熱系數(shù)的確定

前文提到，在進(jìn)行45#鋼板的熱處理時(shí)，?；癄t內(nèi)含有保護(hù)氣體，同時(shí)，由于對(duì)45#鋼板的熱處理工藝通常是低溫?zé)崽幚?，因此在進(jìn)行熱處理過程時(shí)需要考慮到爐內(nèi)傳熱的對(duì)流情況。現(xiàn)階段?；癄t內(nèi)的保護(hù)氣體多為氮?dú)?，由于輻射管?nèi)采用間接加熱方式，同時(shí)?；癄t內(nèi)的45#鋼板運(yùn)行速度極慢，這使?fàn)t內(nèi)氮?dú)獾牧魉佥^低。為了有效進(jìn)行表面對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算，本次研究采用的是自然對(duì)流公式，[3]如下：

（Nμ為努謝爾數(shù)；L為特性尺寸；λn為氮?dú)鈱?dǎo)系數(shù)；C和n為系數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；β為氮?dú)怏w積膨脹系數(shù)；g為重力加速度。）

二、模型驗(yàn)證及其數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

（一）數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

前文已經(jīng)介紹了本次對(duì)45#鋼板熱處理過程的數(shù)學(xué)模型，為了驗(yàn)證該模型的正確性，在?；癄t中進(jìn)行了相關(guān)的“內(nèi)部溫度黑匣子實(shí)驗(yàn)測(cè)試”。進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)選擇的45#鋼板尺寸為40mm×2500mm×7500mm，將鋼板初次置入?；癄t時(shí)的自身溫度為25℃，鋼板的運(yùn)行模式為連續(xù)運(yùn)行，鋼板的運(yùn)行速度調(diào)節(jié)至0.3m/min，整個(gè)熱處理過程的時(shí)間為3小時(shí)。

在進(jìn)行45#鋼板的熱處理時(shí)，需要在進(jìn)行本次研究的黑匣子上進(jìn)行熱電偶的安裝，具體來說，沿著鋼板的橫界面安裝了四個(gè)熱電偶，1號(hào)熱電偶距45#鋼板上表面5mm，2號(hào)熱電偶距45#鋼板上表面20mm，3號(hào)距45#鋼板下表面5mm，4號(hào)距45#鋼板下表面20mm，同時(shí)，在整個(gè)研究過程中，溫度記錄儀每隔5s進(jìn)行一次溫度的采樣，并將所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過計(jì)算機(jī)將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度-時(shí)間圖的繪制，發(fā)現(xiàn)圖表與實(shí)驗(yàn)之前數(shù)學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果基本一致。二者的圖像基本實(shí)現(xiàn)了吻合，最大誤差僅有7%，最大相對(duì)誤差僅有2.3%，因此我們得出結(jié)論：通過計(jì)算機(jī)對(duì)45#鋼板熱處理過程進(jìn)行數(shù)字建模，其模型的可信度較高。下列畫出了計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)以及本次模擬中不同位置點(diǎn)鋼板溫度和時(shí)間的變化曲線。圖1，是實(shí)驗(yàn)中不同位置處的溫度曲線；圖2，通過計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度曲線。

三、結(jié)論

綜上所述，通過利用有限元軟件進(jìn)行45#鋼板熱處理過程的溫度模擬以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，我們得到了如下結(jié)論：

第一，在建立數(shù)學(xué)以及物理模型后，通過自然對(duì)流的方法來對(duì)45#鋼板表面的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)值的差距在2.7%以內(nèi)。

第二，在進(jìn)行45#鋼板的熱處理時(shí)，鋼板的周邊溫度與心部溫度之間的差距在2℃以內(nèi)，因此在進(jìn)行常化爐溫度的制定時(shí)可以不考慮鋼板厚度造成的溫度差。

第三，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)45#鋼板熱處理過程的分析，幫助工作人員進(jìn)行工藝控制的改良，實(shí)現(xiàn)材料生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)成本降低以及設(shè)計(jì)工序的簡(jiǎn)化，從而提升經(jīng)濟(jì)效益，縮短工藝開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜海昌，封輝，潘雪新，胡小鋒，付鴻，黃耀，韓軍科.熱處理溫度對(duì)S355J2W耐候鋼板組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2018，43（06）：122-125.

[2]宋中華，丁翠嬌，歐陽德剛，楊超.鋼板熱處理過程溫度模擬與驗(yàn)證[J].工業(yè)加熱，2017，42（05）：49-51+54.

[3]王青，秦紅新，管秀兵.特殊要求的12Cr1MoVR鋼板熱處理工藝研究[J].寬厚板，2018，23（04）：12-14.

[4]吳益文，朱子恒，徐凌云，吉靜，王彪.熱處理溫度對(duì)IF鋼板第二相粒子和力學(xué)性能的影響[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2017，51（02）：87-91.