無縫鋼管熱軋后控冷工藝的組織性能數(shù)值模擬

為了實(shí)現(xiàn)無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程中定（減）徑之后矯直之前的控制冷卻，采用數(shù)值模擬方法研究了２０號(hào)鋼管軋后冷卻過程的組織力學(xué)性能變化規(guī)律。首先采用試驗(yàn)方法測定鋼探頭在不同冷卻介質(zhì)條件下的溫度變化曲線，根據(jù)反傳熱法基本原理計(jì)算得出鋼探頭冷卻過程中表面換熱系數(shù)與工件溫度的關(guān)系。然后，采用有限差分法建立了鋼管冷卻過程中的溫度場、組織相變及力能性能預(yù)測系統(tǒng)，分析了不同冷卻工藝條件下鋼管的組織狀態(tài)與力學(xué)性能。最后，進(jìn)行鋼管空冷過程的試驗(yàn)分析，測定了不同時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)和冷態(tài)鋼管的力學(xué)性能，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好。該研究結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)無縫鋼管控制冷卻提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)鋼管生產(chǎn)企業(yè)面對(duì)無縫鋼管產(chǎn)能過剩的巨大挑戰(zhàn)，紛紛調(diào)整品種結(jié)構(gòu)、淘汰落后產(chǎn)能并研發(fā)高質(zhì)量產(chǎn)品。試驗(yàn)研究證明：在無縫鋼管熱軋生產(chǎn)冷卻過程中實(shí)施控制冷卻工藝可以控制組織相變過程、細(xì)化晶粒，進(jìn)而改善鋼管的力學(xué)性能。因此，開展無縫鋼管熱軋后不同冷卻制度下鋼管組織性能變化規(guī)律的研究具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。但由于無縫鋼管具有較大的輪廓斷面尺寸和規(guī)格變化范圍，從而使其在線熱處理的控制與實(shí)施面臨較多的變數(shù)，使得控冷工藝在無縫鋼管生產(chǎn)中的實(shí)施與應(yīng)用受到很大約束，且相關(guān)的理論研究較板材相比也很少。吳化等通過試驗(yàn)的方法研究了２２Ｍｎ２ＳｉＶＢＳ熱軋無縫鋼管空冷時(shí)的組織與性能，提出了使鋼管獲得均勻貝氏體和良好力學(xué)性能的措施。趙文雅采用數(shù)值模擬方法研究了４２ＣｒＭｏ中控鋼熱加工后空冷和風(fēng)冷的溫度場。北京科技大學(xué)劉國勇博士采用有限元法研究了鋼管淬火過程均勻性。這些研究都沒有系統(tǒng)研究各種冷卻條件對(duì)鋼管冷卻過程中溫度變化、組織相變及力學(xué)性能影響規(guī)律。

為此，本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析的方法，建立了鋼管冷卻過程的溫度場、組織相變與性能多領(lǐng)域分析系統(tǒng)，研究了空冷、風(fēng)冷、油冷等不同冷卻工藝下鋼管的組織狀態(tài)與力學(xué)性能變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)鋼管軋后控制冷卻提供理論參考。

鋼管冷卻過程中在一定的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)脑龃罄鋮s速度即增大相變過冷度，可以減小鐵素體的晶粒尺寸，細(xì)化鐵素體組織。此外，各組織相變溫度伴隨冷卻速度的增加呈明顯下降的趨勢(shì)，主要原因在于當(dāng)相變區(qū)域冷卻速度增加時(shí)，奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，延遲了相變的發(fā)生，導(dǎo)致相變點(diǎn)的溫度降低。而由力學(xué)性能的對(duì)比結(jié)果可知，經(jīng)風(fēng)冷和油冷得到的產(chǎn)品力學(xué)性能與空冷相比，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率分別提高１．８％、４．６％、４．４％和３．７％、９．６％、７．９％，當(dāng)采用空冷至７１５℃改為油冷工藝后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率分別提高了３．９％、９．７％、１１％。因此，選擇合適的冷卻制度可以提高鋼管的力學(xué)性能，然而提高的幅度隨冷卻制度的不同而不同。

模型應(yīng)用與驗(yàn)證

對(duì)天津某鋼管廠生產(chǎn)的材質(zhì)為２０號(hào)鋼、規(guī)格為１４０ｍｍ×１３ｍｍ、長度為４００ｍｍ的無縫鋼管進(jìn)行空冷試驗(yàn)，取３個(gè)相同規(guī)格尺寸的工件，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值，測得鋼管空冷過程中各個(gè)時(shí)刻的溫度值。采用相同工藝，利用以上所建模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和誤差分析，其結(jié)果如表３所示。

然后，將冷卻后的試驗(yàn)工件進(jìn)行線切割，從工件任意一個(gè)端面處沿中性層切出８ｍｍ×７４ｍｍ的圓柱，并將此圓柱加工成標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最后將試驗(yàn)得到的力學(xué)性能測試值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行誤差分析，其結(jié)果見表４。

各組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均小于５％，在誤差允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

結(jié)論

１）針對(duì)熱軋無縫管軋后冷卻控制問題，采用有限差分法建立了熱軋后鋼管冷卻過程的溫度與組織性能預(yù)測模型。

２）利用反傳熱法測定了２０號(hào)鋼在空冷、風(fēng)冷和油冷下的換熱系數(shù)曲線，為數(shù)值計(jì)算提供了材料數(shù)據(jù)。

３）根據(jù)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可知：通過采用加速冷卻控制工藝，可使熱軋后無縫管鐵素體的晶粒尺寸得到細(xì)化，力學(xué)性能提高。

４）在根據(jù)空冷試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的有效性后，通過數(shù)值分析得出：采用油冷、風(fēng)冷替代空冷，鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率將會(huì)分別提高１．８％、４．６％、４．４％和３．７％、９．６％、７．９％，采用空冷＋油冷復(fù)合冷卻工藝可望使抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率分別提高３．９％、９．７％、１１％。