洪慧平1，韩文1，程满1，康永林1，张永清2，鲁丽燕2，金永春2
(1．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2．首钢技术研究院，北京100041)
摘要：对20MnSi棒材轧后分级控制冷却过程温度场变化进行了有限元模拟仿真并与CCT曲线相结合，获得了棒材在分级控冷条件下温度一时间历程曲线及其组织变化特点，为优化控冷工艺方案提供了理论依据。
关键词：棒材；控制冷却；温度场；有限元模拟
中图分类号：TG335．62；0241．82文献标识码：A文章编号：1003—9996(2006)02—0009—03
FE-Simulation for Temperature Change of Two-stage Water Cooling Process of 20MnSi Round Bar
HONG Hui—ping1，HAN Wenl，CHENG Manl，KANG Yong-linl，ZHANG Yong—qing2，Lu Li-yan2，JIN Yong—chun2
(1．University of Science &Technology Beijing，Beijing 100083，China；
2．Shougang Institute of Technology，Beijing 100041，China)
Abstract：The temperature field of 20MnSi steel round bar during the two-stage water controlled cooling process after finishing rolling was simulated by FEM．Based on the temperature simulation results and CCT diagram，the characteristics of temperature and microstructure changes were analysed，which can be used to optimize the controlled cooling schedule．
Key words：round bar；controlled cooling；temperature field；FE simulation
1前言
棒材轧后分级控制冷却技术是近年来发展起来的新工艺。与传统一段冷却相比，分级控冷不仅有利于减小横断面内外温差，而且能有效地改善棒材组织状态并提高力学性能。在棒材分级控制冷却过程中准确预测控冷过程各阶段棒材横断面的温度场及其变化规律是制定和优化控制冷却工艺方案，从而改善其组织和性能的技术关键，因此具有重要的理论意义和应用价值。
2控冷过程的数学模型
棒材在轧后控制冷却过程中的传热是传导、对流、辐射换热3种基本方式的综合，是稳态热传导与非稳态热传导过程的结合。棒材控冷方式有空冷和水冷，空冷时棒材向周围环境散发热量，以辐射传热为主；水冷时棒材向其表面的冷
却水传热，传热方式为传导与对流的结合，换热系数的确定涉及冷却水沸腾传热机理模型。
由于棒材的长度远大于其直径，可将其控冷过程简化为无限长圆柱体的传热过程[1]，热传导方程为：
（1）式中，k为热传导系数；ρ为材料密度；C为比热；t为时间；T为轧件温度。
满足式(1)的边界条件为：
(1)棒材离开精轧机后整个断面的温度是一致的，并且是对称分布的[2]。
(2)在I冷段前的空冷过程中，棒材与周围空气的热交换主要以辐射换热为主，可以忽略对流换热的影响。其边界条件为[3]：
（2）式中，ε、σ分别为棒材的黑度和斯蒂芬一波尔兹曼常数；Tf、Ta分别为棒材的表面温度和环境温度。
(3)进入水冷箱以后，棒材和冷却水之间发生强制对流换热，在其接触面上会发生膜状沸腾和核状沸腾现象。此时的辐射换热也不可忽略。其边界条件为：
式中，hw为棒材和冷却水之间的强制对流换热系数。
(4)棒材出工冷段后进人中间空冷段。此时棒材表面的温度已经降低，与空气之间的辐射换热及对流换热都要考虑。其边界条件为：
(4)
式中，ha为棒材和空气之间的自然对流换热系数。
3棒材控冷过程温度场模拟
3．1控冷过程的工艺布置
首钢集团公司连轧棒材厂精轧后采用两段式控冷，其工艺布置如图1所示。
3．2控冷过程温度场的模拟
棒材的横截面尺寸远小于其纵向长度，因此可将三维问题简化为二维问题。此外，其截面圆为中心对称图形，因此将圆断面简化为一个扇形断面来计算，这可以减少节点和节省内存，缩短计算时间。有限元模型使用平面四角八节点单元
PLANE55，其扇形网格如图2所示。
根据现场实测，精轧末机架出口温度为10470C，成品规格为中25mm，精轧末机架出口速度为13m／s，冷却水温度为42℃，钢种导热系数为30W／(m·K)，比热为870J／(kg·K)，密度为7400kg／m3。在求解过程中给定初始条件：棒材整个截面温度均匀，温度等于终轧温度。以后各阶段的初始条件为前一阶段计算的温度场分布。整个温度场模拟基于通用有限元模拟仿真软件ANSYS求解。
4模拟结果及分析
精轧后两段控冷过程中φ25mm棒材横断面上不同位置的温度变化曲线及其实测CCT曲线如图3所示。
φ25mm和φ28mm规格棒材在轧后控冷线相关位置的实测温度和模拟计算温度的对比如表1所示。从表1可见，温度模拟值与实测值的最大偏差为1．44％，这说明棒材温度场有限元模型是合理可靠的。
两段控冷方式是在传统的一段控冷方式的基础上加入了中间空冷过程。空冷的主要目的是为了减小水冷后表面和芯部的温差。从图3可看出，在两段控冷过程中，棒材表面的温度变化呈锯齿型，而芯部温度连续平稳地降低，这是由于
棒材表面受水冷和空冷的交替作用，温度不断降低和回升，而芯部温度变化是棒材内部热传导的结果，变化相对平缓，温度梯度从表面到芯部逐渐减小。水冷结束后，棒材表面和芯部的温度趋于一致。与一段控冷相比，两段控冷有效地减小
了棒材在控冷过程中表面和芯部的温差。
空冷效果由空冷时间决定，而空冷时间取决于空冷段长度和终轧速度。对首钢棒材连轧厂现有规格棒材控冷过程温度场的模拟结果显示，空冷段长度完全能够满足现有规格产品的控冷要求。
由于冷却速度的差异，即棒材表面的冷速大，温降快，晶粒生长缓慢，形成了如图4a所示的细小的铁素体和珠光体组织。芯部的冷速小，温降慢，晶粒持续增大，形成如图4b所示的粗大的铁素体和珠光体组织。
5结论
(1)棒材在控冷过程中整个断面温度梯度从表面到芯部逐渐减小，与传统的一段控冷方式相比，采用两段分级控冷工艺能更加有效地减小棒材在控冷过程中表面和芯部的温差，这对于大断面棒材轧后控冷尤其重要。
(2)棒材轧后控冷过程温度场模拟显示，第l阶段和第2阶段中间的空冷恢复段长度能够满足φ25--φ28mm规格棒材控冷工艺要求。
(3)由于棒材穿水冷却过程中表面冷却速率大于芯部，因而表面晶粒较细小而芯部晶粒较粗大，组织主要是铁素体和珠光体。
参考文献：
[1]孔祥谦．有限元法在传热学中的应用[M]．北京：科学出版社，1998．
[2]Morals R D，Lopez A G，Olivares L M．Heat Transfer analysis during Water Spray Cooling of Steel Rods[J]．ISU International，1990，30(1)：48．
[3]梁志芳，李午申，王迎娜，等．20MnSi钢筋在线冷却中自回火温度的数值模拟[J]．金属热处理，2003．28(9)：
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