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1、考虑相变过程的高碳钢线材温度场计算蒲玉梅蔡庆伍米振莉唐荻摘要：根据高碳钢线材的冷却条件，考虑了相变过程的相变潜热，计算出线材搭接点与非搭接点在斯太尔摩冷却线上的温度分布，计算结果与实测结果吻合较好。关键词：线材；控制冷却；温度场；计算Simulation of temperature field considering phase transformation of high carbon steel wirePU Yu-mei1,CAI Qing-wu2,MI Zhen-li2,TANG Di2(1.Maanshan Iron & Steel Co.,Ltd.,Maanshan 243000
2、,China;2.University of Science & Technology Beijing)Abstract:Based on cooling condition,considering potential heat of phase transformation,the temperature field of lap joint and non-lap joint of high carbon steel wire on STELMOR cooling line are calculated.Thecalculated results are good agreement wi
3、th practical test.Key words:wire;control cooling;temperature field;calculation目前，控制冷却逐步应用于钢材生产中，通过采用不同的冷却制度来控制成品的组织和性能。作为预应力钢丝、钢铰线原料的大规格高碳钢线材，要求严格的组织分布，工艺上主要通过选定合理的吐丝温度及在其后的斯太尔摩冷却曲线实现。在斯太尔摩冷却线上，由于线材是成圈平辅的，造成搭接点与非搭接点处冷却不均匀。因此，准确计算高碳钢线材在斯太尔摩冷却线上的温度场，可为控制线材均匀冷却提供依据。温度场的数值模拟广泛采用有限元法，同时，ANSYS热分析使有限元法具有准确
4、处理稳态、瞬态温度场的功能。1数学模型建立及初始、边界条件工件冷却过程中，其热传导符合Fourier导热方程：（1）式中，q为内热源的热流密度/W.m-2;T为温度/；t为过程进行的时间/s;为材料密度/kg.m-3;Cp为材料定压比热/J.(kg.)-1;k为导热系数/W.(m.k)-1。初始条件：t=0,0rR0,T=Tin边界条件：线材中心：t0R=0-k=0线材表面：式中：Tin为吐丝温度/；TR0为线材表面温度/；Ta为环境温度/；R0为线材半径/m;h为热交换系数/W.m-2.K-1;r为线材中心到表面的任意位置依照文献12介绍的方法，分别选取搭接点与非搭接点的热交换系数作为温度场
5、计算的边界条件依据文献3，可确定（1）式中的热物性参数2组织转变潜热的考虑高碳钢由奥氏体向低温冷却时发生珠光体转变，此为放热效应，因此应考虑其对温度场的影响，即用有内热源的导热微分方程计算这种过程在冷却过程中，计算出组织转变量，按转变量可计算内热源的热流密度2.1转变过程的确定对于连续冷却条件下的转变过程有很多模型表示，在此选取转变量与温度成线性关系的模型：V=Vo(Ts-T)/Ts-Tf(2)式中：V为组织转变量；Vo为该组织在该冷却速度下的最大转变量；Ts、Tf分别为转变开始、终了温度，T为连续冷却所达到的温度。2.2平均冷却速度的处理按文献4介绍的方法，将临界温度作为起始点，计算平均冷却
6、速度。当温度进入转变区后，用内插法计算各冷却速度对应的转变开始点和转变终了点，按（2）式计算转变量。2.3模拟计算步骤（1）确定温度达到临界点Ac1的时间t0,作为冷却开始时间；（2）随着温度T降低，不断计算冷却速度CR,CR=(Ac1-T)/(t-t0)（3）根据CCT曲线，求出该冷却速度下的开始转变温度Tt;（4）如果T=Tt,且为扩散型转变，记下达到转变温度的时间t1;（5）随温度T降低，不断计算冷速CR,CR=(Tt-T)/(t-t1);（6）根据CCT曲线，求出该冷却速度下的转变终了温度和最大转变量；（7）如果T=Tt为马氏体转变，则按V=1-exp（-(Ms-T），根据当时温度计算
7、马氏体转变量；（8）计算直到温度降到规定值或转变量达到规定值为止。3斯太尔摩冷却模拟结果3.1搭接与非搭接点的温度场模拟对12.5mm线材搭接点与非搭接点在斯太尔摩冷却线上风冷结束后径向温度场进行了模拟计算。可以看出，内外温差为56，搭接点与非搭接点表面温差为93。图1、图2分别为在风冷线上搭接点和非搭接点的心部、中部及边部温度场。非搭接点冷却28s后发生相变，约70s时完成相变，而搭接点则在冷却32s后发生相变，经87s完成。可见，两者的冷却速度不同，因而得到的珠光体组织不同（珠光体片层间距不同），线材的性能也不均匀。图1非搭接点冷却过程中的温度场1-中心（R=0）；2-R=4.16mm;3
8、-R=2.08mm;4-表面（R=6.25mm）图2搭接点冷却过程中的温度场1-中心（R=0）；2-R=4.16mm;3-R=2.08mm;3-表面（R=6.25mm）因此，根据模拟结果可对现场风冷制度进行适当调节，如调整辊速、线圈间距、风机风量等，在保证搭接点性能情况下使非搭接点不产生贝氏体、马氏体组织，以保证线材力学性能的均匀性。应用ANSYS分析瞬态温度场的功能，还能分析及避免线材的偏析问题。3.2现场验证为了验证模拟结果，在现场进行了实测。图3为12.5mm线材搭接点实测温度与模拟温度分布比较，可以看出，两者吻合较好。图3现场测定温度分布与模拟温度分布比较1-模拟曲线；2-实测曲线在准
9、确选取热物性参数的前提下，考虑相变的影响，应用ANSYS分析，可以对温度场进行比较准确的计算。4结论（1）用本文方法可处理相变过程内热的计算；（2）运用ANSYS分析及考虑相变潜热，能够较准确地计算高线斯太尔摩冷却线上线材的温度场。此模拟结果能够用于分析径向温度分布和搭接点与非搭接点表面温差，从而预测线材的通条性能。作者简介：蒲玉梅（1965），女（汉族），河北人，工程师，硕士。作者单位：蒲玉梅马鞍山钢铁股份有限公司安徽马鞍山243003蔡庆伍米振莉唐荻北京科技大学100083参考文献1刘庄热处理过程的数值模拟M北京：科学出版社，1996.2孔祥谦有限元方法在传热学中的应用（第2版）M北京：科
10、学出版社，1986.3PRAKASH K,AGARWAL et al.Model of Heat Flow and Austenite Transformation in Eutectoid Carbon Steel rods for WireJ.Mat.Trans.1981,12B:121133.4Rodolfo Morales Davila et al.Improving the quality of high and low-carbon steel rods employed in wire drawing operations.5Ettore ANELLI.Application of Mathematical Modeling to hot Rolling and Controlled Cooling of Wire RODs and barsJ.ISIJ international,1992,32(3):440449.6ANSYS Users Manual Procedures 5.3.
