钢管空冷模拟计算及软件开发

钢管空冷模拟计算及软件开发
顾顺杰;窦志超;姚勇
【摘要】借助建立钢管的传热方程、边界条件和求解方法, 得出了钢管空冷数值计算模型, 通过试验室内钢管空冷过程中温度的实际测量对计算模型进行了校验.运用Borland Delphi 7.0编程开发出相应的应用软件, 以辅助技术人员和研发人员进行工艺分析和产品研发.%Simulation mathematical model for pipe in air cooling is obtained through establishing heat transfer equation, boundary conditions and solution method.And the mathematical model is calibrated based on actual temperature measurement of a pipe in laboratory.Also the corresponding application software is developed by Borland Delphi 7.0to help research and development personnel with process analysis and product development.
【期刊名称】《四川冶金》
【年(卷),期】2018(040)006
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】空冷;模拟计算;程序开发
【作者】顾顺杰;窦志超;姚勇
【作者单位】天津钢管集团股份有限公司, 天津 300301;天津钢管集团股份有限公司, 天津 300301;天津钢管集团股份有限公司, 天津 300301
【正文语种】中文
【中图分类】TP319;TG335.7
为了进一步提高工艺分析和产品开发的效率和质量，在产品设计时，需要提前预知其工艺特性及产品性能，热处理过程对于调质类和正火类钢管的性能尤为关键，为了对热处理的过程及结果进行提前预测，需要对热处理过程进行数值模拟，利用计算机仿真热处理过程，这一技术在国内外已有了相当的发展［1－5］。

由于钢管的加热状态是确定的，淬火过程一般采用水淬，冷却速度相对较快，因此模拟计算的意义不大，而不同规格的钢管在空冷时的冷却速度是不一样的，这对钢的组织和性能影响较大，因此对钢管空冷过程的冷却状况进行模拟计算是非常必要的，结合相应钢种的CCT曲线就可以预知其组织和性能，这对新产品开发和正火类钢管的工艺控制具有较大意义。

1 数值计算模型
1.1 传热方程的建立
钢管的空冷在钢管自身主要为传导传热，钢管内外壁主要为辐射传热和自然对流传热。

首先建立坐标，对于圆形钢管，采用极坐标［6］，钢管的圆心为0点，沿半径方向为r轴，示意图见图1。

图1 计算坐标示意图
首先，为了使问题简化，需做如下假设：
1）忽略长度及周长方向的传热，简化为沿半径方向的一维非稳态传导传热；
2）热物性（比热容、密度等）参数为温度的分段常数；
3）由于钢的固态转变的相变焓较小，忽略钢奥氏体向铁素体转变时的相变焓；通过以上假设，得到二维非稳态传热方程式（1）：
式中：ρ—钢的密度，kg／m3；
λ—导热系数，W／（m·℃）；
CP—比热，J／（kg·℃）；
T—温度，℃；
τ—时间，s；
r—半径，m。

初始条件：τ＝0，T＝初始规定温度；边界条件为辐射＋空气自然对流换热。

辐射传热：
式中：T0—环境温度，℃，取值根据季节的变化而改变；
Tb—管壁温度，℃；
ε—钢管表面黑度，这里取0.9；
σ—波尔兹曼常数，5.67×10－8 w／（m2·K4·s）。

对流换热：
式中：a为传热系数，a＝λNu／d，Nu＝0.53（Gr·Pr）1／4，其中d 为钢管外径，Nu 为努塞尔特准数［7］，Gr和Pr分别为对流传热的相关准数；Tw为空气温度，℃；Tb为钢管表面温度，℃。

1.2 物性参数的确定
1）密度
由于热处理过程钢均是固体，并且随温度改变其体积变化不大，所以将密度设为7800kg／m3。

2）导热系数
将导热系数分段考虑：当T≥1000℃时：
λ＝28 W／（m·℃）；
当1000℃＞T＞100℃时：
当T≤100℃时：
λ＝43 W／（m·℃）；
3）比热
将比热分段考虑：
当T≥900℃时：
CP＝600 J／（kg·℃）；
当900℃＞T＞100℃时：
当T≤100℃时：
λ＝360 J／（kg·℃）；
1.3 传热方程的求解
本方程求解方法为有限差分法，i为空间上的点序，j为时间上的点序，采用隐式格式离散后如下：
1）对内外壁上点
外壁：
3）网格划分
由于本方程采用等间距划分，本式是隐式，故必定收敛，计算总长为厚度，现取Δr＝1／200厚度；Δt＝1s。

1.4 模型的验证
为验证模型的准确性，分别取规格为φ127.00 mm×11.10mm，长0.5m，钢号为27MnCr6的钢管以及规格为φ508.00mm×25.00mm，长0.5m，钢号为
12Mn5V的钢管在试验室进行试验，将两支钢管加热到900℃，保温1h，然后在空气中冷却，在一定的间隔时间用红外测温枪对钢管温度进行测量，测量结果见表1和表2。

冷却模型计算值与实测温度计算值比较见图2和图3，由图2和图3可知计算数
据与实测数据吻合较好，最大误差在20℃以内，这说明该钢管空冷计算模型较为
准确，能够用于不同规格和钢种的实际钢管冷却的空冷预测。

表1 27MnCr6钢管实测温度数据冷却时间／s 温度／℃ 冷却时间／s 温度／℃
冷却时间／s 温度／℃0 900 70 756 200 653 10 860 80 742 220 642 20 846 100 715 240 630 30 831 120 693 270 629 40 812 140 683 300 619 50 793 160 672 330 605
表2 12Mn5V钢管实测温度数据冷却时间／s 温度／℃ 冷却时间／s 温度／℃
冷却时间／s 温度／℃0 900 70 822 200 726 10 872 80 810 220 715 20 861 100 797 240 706 30 852 120 782 270 697 40 849 140 768 300 689 50 841 160 753 330 682
图2 27MnCr6钢管模型计算值与实测值的比较
图3 12Mn5V钢管模型计算值与实测值的比较
2 钢管冷却应用程序开发
为将上述计算模型应用于实际，采用Borland Delphi 7.0编程应用软件进行编程。

软件要实现的功能包括：参数设置，冷却曲线的显示，某一冷却时间横截面温度场的显示，冷却速度的查询等。

参数设置包括：钢管的外径，钢管的壁厚，空气温度，冷却的初始温度，计算时间。

冷却曲线的显示：当参数设置好后，点“计算”按钮，就可以显示出钢管外壁，内壁及中心在计算时间内的温度曲线，如规格为φ127.00mm×11.10mm的钢管从900℃空冷60min的冷却曲线见图4；横截面温度场的显示功能：在计算出冷却
曲线后，在输入框中输入某一时间点，点“查询”，就可以显示该时间点的横截面温度场，见图5。

图4 冷却曲线显示界面
图5 横截面温度场显示界面
冷却速度查询功能：输入冷却过程中的一段温度范围，就可以计算在这个冷却时间段的平均冷速，以便对照相应的CCT曲线图进行组织确定，平均冷速查询界面见图6。

该软件操作简便，实用性强，可以用于产品开发的有效参考工具，并且该软件还可以进一步扩展加热过程、淬火过程等温度变化模拟计算，为成为更全面、更实用的热处理过程温度模拟软件打下良好基础。

图6 平均冷速查询界面
3 结论
1）建立了钢管空冷传热计算模型，通过有限差分法求解，通过试验室实测钢管在空冷时的温度变化，验证了计算模型的准确性。

2）运用Borland Delphi 7.0开发出了具有钢管空冷时冷却曲线显示，横截面温度场显示以及任一冷却区间的平均冷速查询等功能的应用软件，该软件可以作为科研人员进行产品开发的有效参考工具。

【相关文献】
［1］阎承沛.计算机技术在我国热处理工业领域的应用和发展［J］.金属热处理，2000，25（10）：26－29.
［2］赵洪壮，许红，刘相华.热处理过程数值模拟综述［J］.热处理，2004，19（1）：6－11. ［3］王明伟，李世勇，张立文.热处理生产计算机管理系统开发与应用［J］.金属热处理，2004，29（3）：45－47.
［4］ Miettinen J，Louhenkilpi S.Calculation of thermophysical properties of carbon and low alloyed steels for modeling of solidification processes［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，1994，25B（6）：909－916.
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［6］杨世铭.传热学基础［M］.北京：高等教育出版社，1991：23－24.
［7］张先棹.冶金传输原理［M］.北京：冶金工业出版社，1988：305－308.。