60号高速硬线轧制温度计算 毕业论文.doc

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1、I 摘 要 近年来，数值模拟仿真技术以其高效、低成本的优势在钢铁工业中得到了 广泛的应用。随着计算机水平的进步和发展，国内外许多学者开始用数值模拟 的方法对线材轧制的过程进行研究。 文中对硬线的轧制和水冷的工艺过程进行了模拟，在现有模型的基础上进 行了合理的修正，将 VB 编程语言与大型商用有限元软件 ANSYS 的功能相结合， 编制出了计算硬线轧制和水冷过程温度变化情况的软件。软件中还包含在已知 现场工艺设备条件和吐丝温度的情况下反算水冷工艺，给出水冷喷嘴流量、压 力的数据的功能。进行了由预报软件对工艺进行指导的初步尝试。有限元模拟 仿真技术己经被公认为是对材料变形过程、传热过程、产品质量和

2、轧制力学参 数等进行预测和开发新产品的一种非常有效的分析工具。它具有成木低、开发 周期短并能超前再现许多用物理模拟或实验难以进行的加工过程的特点。 论文以唐钢高线二车间的现场条件为依据，计算了二车间轧制和水冷全过 程的温度变化情况。所计算出的数据与现场实测数据比较吻合。 采用有限单元法求解了线材轧制过程中的温度场. 给出了轧件在圆- 椭圆 孔型中温度场计算的处理方法,讨论了轧制功率对温度变化的影响。 得到了轧 制过程中的温降曲线及横断面上温度分布的等值线. 模型计算结果与现场实测 结果基本一致。 关键词: 高速线材,有限单元法,温度场,孔型。 II ABSTRACT Numerical sim

3、ulation technology，which is efficient and low cost,has been widely uesd in iron and industry recently years. With the developing and progressive of the computer, many researchers of domestic and broad have studied on the simulation of continuous rolling of steel wire. The rolling and water-cooling p

4、rocess of the high-carbon wire is simulated in the discourse,and the models are modified on the existing base.The author combine the VB language and the commerce finite element software ANSYS,and design the software of calculating the change status about temperature during rolling and water-cooling.

5、This software contains the reverse calculation of water-cooling techniques when knowing the spot technical facility and the spin temperature,and offers the data of the nozzle placket degree.The primary attempt is done about instructing techniques by prediction software.Finite element method have bee

6、n regarded as the most efficient tools to analysis materials molding process and heat exchange and production quality, to predict the parameters of roller force and investigate new production.With the characteristic of low cost and short exploiture time, machining process which can not be done by ph

7、ysical simulation or experiments are described. Based on the scene condition of the secondary workshop in high-speed line of Tangshan Steel Company,the author calculates the temperature and microstructure during rolling and water-cooling.The calculation data and the spot measure data are inosculated

8、 considerably. Temperature field of rolling process is worked out by FEM. The method of caculating temperature field for circleellipse pass was given , and the influence of rolling power on temperature change is discussed. As a result , the temperature curve and isoline on cross section are gained.V

9、ery good agreement was found between result and experimentlly measured wire surface temperature. Keywords: high speed wire , FEM , temperature field , pass 河北理工大学 毕业论文 目录 III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 引 言 1 1 文献综述 .2 1.1 国内外线材轧制技术概况 .2 1.2 线材轧制技术的发展现状 .3 1.3 控制冷却 .5 1.3.1 控制冷却的概念 .6 1.3.2 控制轧制和控制冷却 .6

10、1.3.3 控制冷却的方法和目的 .7 1.3.4 控制冷却各阶段的作用 .8 1.4 计算机模拟及性能预报 .9 1.4.1 计算机模拟及性能预报的发展史 .9 1.4.2 计算机模拟及性能预报的内容 .10 1.4.3 计算机模拟及性能预报的目的 .11 2 轧制和水冷过程的温度变化模拟 12 2.1 轧制过程温度变化的计算 12 2.1.1 影响轧制过程中温度变化的因素 .12 2.1.2 轧制过程温度变化计算的实现 .13 2.1.3 预水冷段温度计算的处理 .17 2.2 水冷过程温度场的计算 18 2.2.1 有限元方法简介 .18 2.2.2 ANSYS 热分析简介 .19 2.

11、2.3 水冷段温度场计算的实现 .21 2.3 水冷段工艺反算的处理 .26 3 ANSYS 的模拟 .28 3.1 ANSYS 简介 .28 3.1.1 引言 28 河北理工大学 毕业论文 目录 IV 3.1.2 ANSYS 的发展 28 3.1.3 ANSYS 的架构及典型分析过程 .29 3.1.4 ANSYS 建模的技巧 31 3.2 ANSYS 在热分析领域的应用 .31 3.2.1 ANSYS 的瞬态传热分析 31 3.2.2 温度场模拟的前处理 32 3.2.3 求解及后处理工作 33 3.3 模拟过程 33 4 计算机模拟结果与现场测量结果 34 4.1 现场条件 34 4.2

12、 计算结果及分析 .36 4.2.1 计算结果 .36 结 论 38 致 谢 39 参考文献 40 附 录 程序流程图 42 河北理工大学 毕业论文 引言 1 引 言 论文的研究针对唐钢的生产实际，对高速线材轧制过程中的温度进行模拟 计算，要得到终轧温度对吐丝温度的影响规律。通过借助于控轧控冷的理论， 以 VB 编程和大型 ANSYS 有限元软件计算为手段，另一方面借助于 VB 和 Origin 软件得到轧制线上从加热炉至吐丝机前的温降曲线，从而得到 60 号硬线的轧制 温度的变化规律，找到终轧温度对吐丝温度的影响规律，是本研究课题的一项 重要内容。 硬线产品由于市场需求量大，产品附加值高，经

13、济效益显著，因此该产品 所占的比重越来越多，在一些工厂硬线产量超过了 70%。但是硬线性能问题也 是困扰国内高线企业经济效益的关键问题，主要是拉拔脆断问题表现突出，这 也是国内重点工程的硬线市场被日本产品占领的原因所在。究其质量问题的原 因不外乎是钢在冶炼过程存在的夹杂物超标、成分偏析问题，其中夹杂物问题 尤为严重。但是，高线轧制过程的控轧和控冷工艺对高线质量的影响也至关重 要。轧制和冷却过程中的最佳工艺参数的实施不仅可以使得高线的性能达到最 优。而且可以使最终产品的组织形态与性能满足不同用户的不同要求。准确预 报最终产品性能，并对之进行有效地控制是国内外钢材质量控制的一个难题， 尽管有一定量

14、板带钢性能预报的研究成果见诸于文献，但是对于棒线材，尤其 是高速线材的研究报道，尚未达到使用的程度。 轧制过程中金属内部的应力、应变与温度有着密切的关系,高速线材坯料从 加热炉出来至吐丝机之前经过了多道次连续轧制,而温度是影响其变形抗力的主 要因素之一,温度的计算直接关系到力能参数的计算精度. 另外,坯料温度的变 化还与其内部微观组织结构的变化有着极为密切的关系,计算轧制过程的温度场 和轧件温降过程也是金属组织性能预报中的一项基本任务. 因此研究轧制过程 的温度场不仅具有理论意义,也具有十分明确的实用价值。 河北理工大学 毕业论文 2 1 文献综述 1.1 国内外线材轧制技术概况 第一台线材轧

15、机问世于17世纪，是由锻坯成材的。比较正规的第一台横列 式线材轧机建于1817 年，由于受冶金工业发展的限制，线材轧机发展缓慢，直 到19世纪末仍以横列式轧机为主。尽管1862年英国曾建造过一台连续式轧机， 由于盘重小、质量差，效率还不及多线横列式，这种轧机并没有得到发展。 线材轧机的显著进步是在20世纪。由横列式、半连续式、连续式直到高速 轧机的诞生，每一个新的机型，每一个新的生产工艺都使线材的轧制速度、轧 制质量和盘重有所提高，更促进了速线材轧机突飞猛进的发展。 高速线材轧机与其它先进技术一样是时代的产物，是冶金技术、电传电控 技术、机械制造技术的综合产物 1。 20 世纪60年代加拿大投

16、产了世界上第一台高速线材轧机，引起了世 界各国的重视，随着对线材轧制技术的不断改造和开发，20世纪80年代 已进入第五代，即V 型、高速、控制轧制阶段。 20 世纪80年代对线材轧机提出了下列要求： (1) 增加卷重和改进线卷形状，以便适于高速拉拔，提高生产率； (2) 要求表面除鳞性能良好，改善机械性能，使其更加均匀，省去热 处理工艺； (3) 缩小线材尺寸公差，提高产品表面质量； (4) 扩大产品规格； (5) 完善设备的可靠性和监控系统，避免故障，保证正常的操作性能。 为适应上述要求，需要对轧制技术不断改进，以使轧机达到最大的利用率 和显著提高产品产量，并生产出最优质的线材。在国外，美国

17、钢与线材公司用 最短的工期完成了凯霍加线材轧机的现代化改造，作为一个高质量线材生产厂 已享有很高声誉。日本大同钢公司知多厂高速线材轧机改造后生产能力为 100t/h，能满足0.02mm 的尺寸公差要求，改进了产品的公差，提高了产量。 巴西圣保罗Villares 设备公司为贝尔戈厂建造的世界 上速度最高的线材轧机1990 年8 月投产，标称终轧速度达到120m/s，最高 河北理工大学 毕业论文 3 终轧速度为140m/s 2 。 随着改革开放和经济发展，国内已先后有马钢、上钢二厂、福州马尾、首 钢和鞍钢等20 余个厂家引进和建设了高速线材轧机，并在引进的基础上进行消 化、移植和改造，推动和加快线

18、材生产的发展，改变了我国线材生产的落后面 貌，为经济建设做出了贡献。 1.2 线材轧制技术的发展现状 (1) 无扭精轧机组的发展趋势 现代高速线材轧机的无扭精轧机组随着终轧 速度的提高不断暴露出很多问题，如上传动轴的标高距基础面远，稳定性差， 机组振动及噪声大，影响轧制精度，终轧温度过高，线卷质量下降，事故发生 率高。因此世界各国大公司都在研制新的机型。1984年摩根公司提供的100m/s 高速线材无扭机组为V 型结构，日本大同公司、韩国溥项公司也改造为 V型结 构。新一代V 型机组在结构上作了重大改进，其优点是传动轴接近底面基础， 机组重心下降，倾动力矩减少，增加了机组的稳定性，减少了噪音，

19、机组重量 较轻。 (2) 降低加热与开轧温度 韩国、日本、巴西等国家至少有8套线材轧机已 成功地应用了800950的开轧技术。其特点是：节约能源，虽然电耗增加， 但总能耗降低；减少氧化铁皮，提高收得率；减少脱碳，改善产品表面质量； 降低生产成本；为控制轧制创造条件。 (3) 控制温度轧制目前，线材轧制中形变热处理的控温轧制的应用已日趋 成熟。高速线材的控温轧制方法是在轧机机组前设水箱，在精轧机组内设水冷 导卫，控制开轧、中轧和终轧温度。控温轧制的目标：改善机械性能；省去或 简化轧后的热处理工序；在轧制线上调节可控的温度分布；获得更好的表面质 量。控温轧制已是一种发展趋势。 (4) 控制冷却技术

20、 近年来，线材的冷却技术有了很大的进展，许多设想已 付诸实施，各种工艺不断得到改进。摩根公司在高速线材斯太尔摩冷却线的风 冷线有了很大的改进。瑞典莫加德沙马公司开发了新的冷却方法-亚声冷却， 取得良好的效果，是一种有发展前景的方法。 (5) 高精度轧制技术 包括：精轧机采用辊缝自动控制AGC技术；高刚度机 架；张力、活套控制，特别是直接测量微张力控制技术；高精度定径机实现精 密轧制。 现代线材轧制技术的特点：摩根V 型结构精轧机组可高精度轧制线材；低 河北理工大学 毕业论文 4 温加热、低温开轧技术是行之有效的工艺，能节约能源，降低生产成本；控制 轧制温度，使之限定于一特定范围内，该技术已日趋

21、成熟，具有提高产品性能， 省略或简化热处理工序，改善表面质量等优点；在轧制线上采用快速更换机架、 机械手和其它部件，使轧机达到最高的轧制效率及最短的停机时间；采用定径 机使轧机可以生产各种等级、尺寸和形状的线材；利用轧后冷却系统，实现从 快到慢各种速度的冷却；应用设备状态监控系统，预防故障和减少维修。 为适应日益加剧的市场竞争，满足消费者对产品质量的更高要求，近年来 美国钢与线材公司、日本大同钢公司、韩国浦项钢铁公司及巴西贝尔戈厂先后 对线材轧机进行了改造，已取得显著效果，并在线材领域处于领先地位。 我国线材轧后控制冷却工艺的实验研究工作是于上个世纪六十年代初期开 始，并取得了一些初步效果。但

22、由于各种原因在生产上没有得到使用和推广， 一直到上个世纪八十年代初，线材的冷却技术还停留在轧后穿水冷却阶段。近 十几年以来，随着轧制技术、设备的引进和线材性能要求的日益提高，研究线 材轧后的冷却技术的工作得到长足的发展，使得线材的控制冷却技术在我国得 到很大发展，科研院所和大专院校与线材生产厂合作，对控制冷却过程变形奥 氏体的变化规律、控制冷却工艺最优化及后续钢的使用性能要求等方面进行了 大量的实验研究工作，掌握了一定的模拟实验技术，并逐步在线材生产厂得到 了推广与应用 3。 21世纪，线材生产将面临更加激烈的竞争。线材轧制技术是钢材成型的一 项重要技术，对世界经济发展和社会文明起基础技术支持

23、作用。21世纪轧制技 术进步将集中于生产流程的连续化、紧凑化，过程控制将实现轧材的高品质化、 品种规格多样化及控制和管理的计算机化和信息化，即轧钢生产转向质量型和 低成本型的轨道上，其相互关系见图1.1。 轧机控制转向人工智能控制。轧机的控制已开始由计算机模型控制转向人 工智能，并随着信息技术的发展，信息网络的建立，与系统科学、计算机技术 相结合，形成通常大家所谓的工业信息化技术。 计算力学与数值模拟相结合，大大改变了传统的轧制技术研究方法，刚塑 性有限元法已成功地对各种轧制过程进行三维解析与模拟，有效地用于力能参 数优化和产品质量的预报，以及工艺参数优化和轧机装备设计等。而且可判断 变形过程

24、是否可行和合理。计算机数值模拟已成功地代替了大部分轧制物理模 拟，已由轧件尺寸预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。今后数值模 拟和人工智能结合的分析与控制，将成为轧钢技术和理论的第四个里程碑。虚 河北理工大学 毕业论文 5 拟技术发展和应用，将可使轧制试验和轧机设计、工厂设计虚拟化，达到更加 直观和可行。 图1.1 线材轧制技术发展方向的3个方面的示意图 Fig.1.1 Sketch map of three ways of wire rolling technology development 线材轧制技术，在进入21世纪时，正因得到高新技术的改造而继续发展。 线材的性能潜力将通过工艺

25、过程控制优化而得到充分发挥。高新技术在线材生 产过程的应用成为必然的发展途径 46。 1.3 控制冷却 在热轧生产中，生产出来的产品都必须从热轧后的高温红热状态冷却到常 温状态。这一阶段的冷却过程将对产品的质量有着极其重要的影响。因此，如 何进行材的轧后冷却，是整个线材生产过程中产品质量控制的关键环节之一。 关于冷却轧钢，大量的强制水冷方法已经提出来了。其中，最合适的方法应该 选择考虑合适的冷却效果和冷却温度变化范围 7。 流程 连续化、紧凑化 (线材及其上下游 工序) 过程 广义控制轧制 控制冷却（发挥线 材性能潜力） 系统 高新技术应用， 计算机、人工智能信息技 术、激光 河北理工大学 毕

26、业论文 6 对线材冷却的要求： （1）二次铁皮要少，以减少金属消耗和二次加工前的酸耗和酸洗时间； （2）冷却速度要适当，防止出现铁素体和贝氏体，以免降低钢材的二次加 工性能； （3）要求得到索氏体组织，防止出现粗大铁素体和片状珠光体，以便取消 二次加工前的铅浴淬火； （4）要求整根轧件性能均匀一致。 1.3.1 控制冷却的概念 控制冷却在轧钢领域内属于控制轧制的范畴，它是指人们对热轧产品的冷 却过程有目的地进行人为控制的一种方法。确切地说，所谓控制冷却，就是利 用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制手段控制其冷却速度，从而获得所需 要的组织和性能的冷却方法。几十年来，许多工程技术人员和理论工作者

27、为此 做了大量的工作，使得各种热轧产品的质量大大提高。直到目前为止，对控制 冷却问题更深入的研究仍在继续进行。 对线材控制冷却的研究工作开始于五十年代末六十年代初。当时，由于连 续式线材轧机的不断完善和发展，轧制速度越来越高，盘重越来越大，由此带 来的产品质量的一系列问题，促使人们对原来的自然冷却方法做出改进。到了 六十年代中期，随着无扭线材轧机的问世，美国、加拿大、西德、日本等国都 相继对线材轧后冷却问题开展了大量的试验研究，于是各种线材控制冷却方法 也就应运而生。 1.3.2 控制轧制和控制冷却 采用控制轧制和控制冷却工艺对钢材进行强化，较之于其他钢材强化工艺， 具有节约合金、简化工序、减

28、少能耗的特点。通过控制轧制温度、轧制速度、 变形量、轧后冷却温度和冷却速度，对钢材进行形变强化和相变强化，既能提 高钢材强度，又能改善钢材的塑性和韧性，对于低碳钢，还能保持良好的焊接 性，是国内外广泛推广采用的一项先进轧钢工艺 8。控制轧制和控制冷却法通 过控制微合金化钢的变形温度、变形量和轧后钢材的冷却速度，可显著提高钢 材的强度、韧性和焊接性。 控轧和控冷工艺的特点（与普通热轧相比较） 9： （1）控制钢坯加热温度 河北理工大学 毕业论文 7 根据钢材性能要求来确定钢坯加热温度。对于要求强度高而韧性稍低的低 合金钢，加热温度可略高于 1200；对于以韧性为主要指标的钢，其加热温度 必须控制

29、在 1150以下。 （2）轧制后几个道次的轧制温度 一般要求终轧道次温度 t 终 接近 Ar3 温度，有时也将 t 终 控制在（+）两相 区内。 （3）要求在奥氏体未再结晶区给予足够的变形量 对于低合金钢要求在 900950以下的总变形量大于 50%；对于普碳钢通 过多道次累积变形达到奥氏体发生再结晶的温度。 （4）要控制轧后钢材的冷却速度 提高快冷开始、终了及卷取时冷却速度，以便保证获得必要的显微组织。 通常要求轧后第一冷却阶段冷速要大，第二阶段冷速根据钢材性能要求不同而 不同。 1.3.3 控制冷却的方法和目的 控制冷却的基本方法就是按照控制冷却的基本原理和工艺要求，首先将轧 后的线材在导

30、管内用水快冷到所要求的温度，再由吐丝机把红热线材绕成环形 线圈散布在运输辊道（链）上，使其按要求的冷却速度均匀冷却，最后以较快 的速度冷却到可集卷的温度进行集卷、运输和打捆。 到目前为止，世界上已经出现多种线材控制冷却工艺装置，其中比较完备 的有斯太尔摩法、施洛曼法、间歇水冷法、ED 法以及流态床法等。下面简要介 绍一下斯太尔摩法。 线材轧制后经斯太尔摩线冷却，不但氧化铁皮少，且线材的机械性能和质 量提高了，并简化或省略了线材二次加工中的酸洗、热处理等工序，使线材生 产水平大大提高。 斯太尔摩控制冷却法是由加拿大斯太尔柯钢铁公司和美国摩根设计公司于 1964 年联合提出的。目前已成为应用最普遍

31、、发展最成熟、使用最为稳妥可靠 的一种控制冷却法。这种方法的工艺布置特点是使热轧后的线材经两种不同的 冷却介质进行两次冷却（即一次水冷、二次风冷） 。重点是在风冷段实现对冷却 速度的控制。其工艺布置示意图见图 1.2。 斯太尔摩冷却法的冷速可以调节。在水冷段可通过调节水量和水压的大小 来控制冷却速度；在风冷段靠改变运输机速度（即改变线圈的重叠密度）和改 河北理工大学 毕业论文 8 变风机风量来控制冷却速度。 斯太尔摩控制冷却法有三种形式：标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。 唐钢高线厂为延迟型斯太尔摩冷却。 图 1.2 斯太尔摩冷却线工艺布置图 Fig.1.2 Technological ar

32、ranging figure of Stelmor cooling line 1）成品轧机；2）水冷段；3）风冷段；4）集卷筒 延迟型斯太尔摩冷却法是在标准型的基础上，结合缓慢型冷却的工艺特点 加以改进而成的。它是在运输机的两侧装上隔热的保温层（侧墙） ，并在两侧保 温墙的上方装有可灵活开闭的保温罩盖。当保温罩打开时，可进行标准型冷却， 若关闭保温罩盖，降低运输机速度，又能达到缓慢冷却的效果。它比缓慢冷却 法简单但又经济。由于它在设备构造上不同于缓慢型，但又能减慢冷却速度， 故称其为延迟型冷却。延迟型斯太尔摩冷却法的运输机速度为 0.051.3m/s，冷 却速度为 110/s 10 延迟型斯太

33、尔摩控冷线具有可变的控冷工艺，操作灵活，能够根据钢种的 使用目的和性能要求选用最佳的工艺配合，在新产品开发领域里有着广阔的前 景。它通过先进的冷却工艺和轧制、加热工艺相配合，使产品质量和品种处于 国内领先地位，实物质量达到国际先进水平 11 。 硬线控冷的主要目的是为了获得最佳的综合性能，即具有良好的拉拔性能、 高强度和高韧性的索氏体组织 12。由于索氏体中铁素体与渗碳体的片层间距小， 相界面增多，因而使强度及硬度增高，但对塑性影响较小 13。珠光体和索氏体 两者实质是同一种组织，只是渗碳体片层的厚度不同而已。索氏体的片层间距 为 0.20.4m ，珠光体的大于 0.4m。索氏体（细珠光体）是

34、由很薄的渗碳体 和片状铁素体交替组成的。尽管这种组织比粗大的或粒状珠光体硬，但具有较 大的冷塑性变形能力，对以后的冷变形有利。此外，高碳钢线材的冷却组织中 的自由铁素体含量应该尽可能少 14。 河北理工大学 毕业论文 9 1.3.4 控制冷却各阶段的作用 控制冷却过程中各阶段的作用和控制原理是完全不同的。 线材轧后控制冷却一般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、二次冷却 及空冷三个阶段。由于三个阶段的冷却目的和要求不同，采取的控制冷却工艺 也完全不同。如果只注意一次冷却而忽视二次冷却的控制，则其效果不一定达 到要求。 1、一次冷却轧后控制冷却的第一阶段 一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素

35、体或渗碳体开始转变的温度 范围内控制其开始快冷温度，冷却速度和控冷（快冷）终止温度。采用快冷的 目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出，形成网 状碳化物。固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁 素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相 变机制、相变产物的形态，粗细大小和钢材的性能。经验表明，一次冷却的开 始快冷温度越接近终轧温度，细化变形奥氏体的效果越好。 高碳钢线材轧后的一次冷却一般采用穿水冷却，将钢温由 1150950的 终轧温度快速冷却到 800650，这样能使线材得到细晶粒组织，并在钢材表 面形成均匀的氧化铁皮层，减

36、少氧化铁皮数量，并且有利于以后氧化铁皮的去 除。 2、二次冷却轧后控制冷却的第二阶段 热轧钢材进行一次快冷之后，立即进入冷却的第二阶段，即所谓的二次冷 却。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的 温度，以保证获得要求的相变组织和性能。 线材的二次冷却又称为相变冷却。二次冷却的终冷温度一般是控制到相变 结束。高碳钢线材水冷后，经吐丝机成圈散摊在运行中的输送链带上（或辊式 运输机上）进行风冷。风冷后将得到很细的珠光体组织，用以取代铅浴处理。 对高碳钢和高碳合金钢轧后快冷的第一阶段可以冷至珠光体相变温度，从 而阻止奥氏体晶粒长大和碳化物由奥氏体中析出形成粗大的网状碳化物，达

37、到 降低网状碳化物级别和细化珠光体球团尺寸的效果。同时，二次冷却可减小珠 光体片层间距，并改变其形貌。 3、空冷轧后控制冷却的第三阶段 经过一次冷却和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。由 河北理工大学 毕业论文 10 于快冷固溶在铁素体中的碳化物来不及析出，在空冷过程中，随着温度的降低， 不断地在铁素体中弥散析出。 1.4 计算机模拟及性能预报 1.4.1 计算机模拟及性能预报的发展史 轧材性能预报是在控制轧制深入研究的基础上，于 80 年代初逐渐发展起来 的一项以塑加原理、金属物理和计算机应用为主的综合应用技术。在过去，已 经有大量的研究涉及到了钢在冷却过程中的组织转变预报。然

38、而，在冷却过程 中，加热后的奥氏体状态（不同的成分，晶粒尺寸）对相变动力学的影响的模 型却有很少的报道 15。在 20 世纪 50 年代和 60 年代，组织性能关系就被给予了 很大的关注 16 。79 年英国的 sellars 等人首先用物理冶金模型预报了带钢热 连轧过程中显微组织的发展和变化，90 年，choguet 等人又分别提出了综合性 能预报的模型，以后，这项技术在国外发展很快。在日本，NSC，KSC，NKK 和 KOBE 等人分别于 88 年和 90 年发表了他们的研究成果，但是上述研究成果均是 针对热轧板带钢而言。直到 91 年 Morales 等人和 92 年 ANELLI 才发

39、表了高线控 冷的组织和性能变化的模拟结果，96 年 Naccagno 等又发表了组织变化的预报。 但是，上述学者在高线范围的研究，仅在共析钢的范围，并未见到对于亚共析 钢的研究报导。目前国内刊物尚未见有关于棒材控冷工艺基础理论研究的报告。 机械性能预报涉及的是室温条件下微观组织参量与力学性能间的关系。自 60 年代以来发表的众多关系式，大多试图将力学性能直接与生产工艺参数，而 不是与微观组织参量建立起关系。80 年代以后的“性能预报”研究，不仅仅以 工艺参数来表示最终产品的力学性能，而且还以生产过程中的组织参量来预测 产品的力学性能。用计算机对材料进行组织模拟和性能预报的特点是可以随时 跟踪材

40、料内部的组织变化 17。 1.4.2 计算机模拟及性能预报的内容 一个完整的组织转变和力学性能的数学模型包括几个子模型：初始组织模 型，热变形模型，组织转变和力学性能模型 18。 热轧产品性能预报，主要包括三个内容： 变形奥氏体的显微组织变化模型。它包括轧制中的动、静态恢复，再结 晶和晶粒长大，以及变形诱导相变和沉淀等等模型。 河北理工大学 毕业论文 11 加热和冷却过程的组织转变模型。其中包括（/）/ 转变模型和奥氏 体或铁素体晶粒长大，以及 CN 化合物的析出和溶解模型等等。 性能预报模型。即 s， b， 5，A 等力学性能指标与钢的成分和组织 结构的关系模型。 在一定的轧制规程条件下综合

41、求解上述三个方面的模型，就是计算机轧钢 的主要内容。模型的精度决定了预报的精度。 1.4.3 计算机模拟及性能预报的目的 计算机模拟及性能预报的目的是通过在线预报和控制，增加产量，降低生 产成本，提高产品质量 19。 借助于现代变形理论和计算机技术对力能参数及组织参量进行模拟，是由 于在金属塑性变形过程中的各个阶段，金属内部组织的变化过程极为复杂，影 响参数众多且相互影响。如果单纯借助于物理模拟实验研究，一则实验工作量 大而复杂，二来也无法全面、细致、深入地了解这些变化过程。只有将计算机 技术与塑性变形的物理冶金过程相结合，对塑性变形过程进行有目的、可控制 的模拟，才能揭示变形过程的实质和各影

42、响参数间的关系，从而优化工艺过程， 推动生产技术发展 20。 模拟的另一个主要目的是由于大工业生产的环境下试生产所需费用极大， 模拟不仅解决了单一影响因素的提高，而且具有试验周期短，费用低等优势。 河北理工大学 毕业论文 12 2 轧制和水冷过程的温度变化模拟 温度场是计算组织场的基础，因此，对生产过程的温度场进行模拟计算在 整个性能预报和控制系统中起着举足轻重的作用。本文分析了硬线轧制和水冷 过程中影响温度变化的因素。在对现有模型进行合理修正的基础上，借助于 VB 和 ANSYS 二者功能的结合，计算了轧制和水冷过程的温度变化。对于研究 过程中遇到的 VB 与 ANSYS 连接的难题，本文通

43、过宏程序和数据文件实现了 二者之间数据的相互调用。在计算过程中要用到冷却水和钢材的热物性参数， 但是手册上的数据均是各物性参数对温度的离散值，为了使用的方便，将它们 拟合为解析式的形式。 2.1 轧制过程温度变化的计算 2.1.1 影响轧制过程中温度变化的因素 许多学者研究证明，在轧制过程中只有相当于总变形功的 67用来使金 属晶格扭曲，作为弹性位能存储在金属中。而绝大部分变形功转化为热能进入 轧件内部。所以轧制时的变形热在轧制过程中起着提高轧件温度的作用，并参 与轧制的全过程。此外，轧件还以辐射、传导、对流的方式向外散发热量。轧 钢生产过程中求解温度变化的影响因素主要包括以下几个方面 21：

44、 (1)轧件塑性变形的变形功转化为热能，结果使轧件的温度上升，以 t p 表 示； (2)轧件表面问周围辐射热量，结果使轧件的温度下降，以表示 t 表示； (3)变形区内，由于轧件和轧辊表面呈粘着状态，轧件向轧辊进行热传导， 由轧辊带走热量，结果使轧件温度下降，以 t d 表示； 河北理工大学 毕业论文 13 (4)制过程用于冷却轧槽和导卫装置的冷却水飞溅到轧件表面带走热量，结 果使轧件温度下降，以 t s 表示； (5)轧件在运行过程中由于空气对流带走一部分热量，其结果使轧件温度下 降，以 t u 表示； (6)件和轧辊接触表面的相对摩擦运动产生的摩擦热，结果使轧体温度上升， 以 t f 表

45、示。 如果把钢坯加热温度视为常数，则轧制过程中每一道次的温度变化 t 可 以写成： t=t p+t f（t +t s+t d+t u） （2.1） 从式（2.1）可以看出，每一道次的温度变化是上述诸因素的综合结果。不 同的生产条件，各因素的差异甚大。对于高速连续式轧机，随着速度的提高， 传导、辐射和对流等带走的热量损失将大为减少。 轧制过程中冷却水带走热量所引起的温度降是一个很难处理的数据。因为 在轧制过程中一般对轧件并不进行专门冷却，只是在冷却轧辊、轴承和导卫时 冷却液体溅落在轧件上造成的热量损失。在一般情况下此因素对轧件每一道次 温度变化影响甚微，且影响程度和轧制速度成反比。另外，轧制速度

46、在一定程 度上决定着待轧时间。生产的连续性愈强其反映也就愈明显，并可近似地认为 t s 是待轧时间的函数。轧件在待轧过程中对流热损失相对于辐射热损失来说 也小得多，二者同样是待轧时间的函数。为了运算简便，根据现场实测数据归 纳换算，对 t t u 和 t s 作如下处理： t +t u+ t s=Kt （2.2） 式中，K 机列型式系数。连续式轧机取 K=1.15 如果在轧制过程中采用强制手段冷却轧件，式（2.2）就不妥当了，这时应按具 体情况分别推导计算方程。 许多学者研究表明，t f 同 t p 对比可以忽略不计，这样简化后的方程式可以 写成 t= tpK t t d （2.3） 河北理工

47、大学 毕业论文 14 2.1.2 轧制过程温度变化计算的实现 通过上述分析，我们将轧制过程温度的变化分为三部分考虑：变形功引起 的温度上升（摩擦热同变形功相比，忽略不计） ；辐射引起的温度下降（其中包 括了由于冷却水带走的热量和由于空气对流带走的热量） ；由于轧辊热传导带走 的热量。三者的代数和即为轧制过程的总温降。 （1）变形功引起的温度上升计算 如前所述，变形功的 94的能量转化为热能，对于一个完整的变形区来说， 轧制功所产生的温度变化为： 0.9427pWtGc （2.4） 式中，W 变形功（kg m） ； G变形区所包含的轧件重量（kg） ； c高温状态下碳钢的平均比热，c 0.166

48、； 427热功当量。 如果变形区长度和轧件断面尺寸以毫米为计算单位，则变形区内所包含的 金属重量（kg）可用下式计算： G=Lh 均 b 均 7.810-6 （2.5） 式中，L变形区长度（mm） ； h 均 变形区内轧件平均高度（mm） ； b 均 变形区内轧件平均宽度（mm） 。 变形功与轧制力矩有关，其计算公式如下： 2310kLWMPR （2.6） 式中，M 轧制力矩（kgm） ； 一个变形区长度的转角（rad） ； Rk轧辊工作半径（mm） ； a力臂系数，a 0.5； P道次轧制压力（kg） 。 河北理工大学 毕业论文 15 将式（2.5）和式（2.6）代入式（2.4）中，经过整理得： k1.7pPLtRF均 （2.7） 式中， 变形区内轧件平均断面积（mm 2） 。均 我们利用 Ekelund 公式 22来计算热轧时的平均单位压力，其公式为： p=A（ 1+m） (K) （2.8） 其中， m外摩擦对单位压力影响的系数； 粘性系数； 平均变形速度。 第一项( 1+m)时考虑外摩擦的影响，为了决定 m，作者给出以下公式： 1.6.2fRhmH （2.9） 第二项中乘积 是考虑变形速度对变形抗力的影响。其中平均变形速度A 值用下式计算： 2/vhRH （2.10） Ekelund 还给出了计算 K 和 的经验式： K=(14 0.01t)(1.4+C+Mn)