论-水压对大直径棒材淬硬层深度的影响

水压对大直径棒材淬硬层深度的影响

尹德福1，陈志强2，余延庆2，刘飞1，陈其伟1，杨树宝1

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002；2.中冶华天工程技术有限公司轧钢事业部，南京210019)

摘要：利用MSC.MARC 有限元数值模拟软件，建立大直径棒材在线淬火有限元模型，对大直径棒材在线淬火过程进行温度场模拟。在穿水冷却器结构确定的情况下，依据大直径棒材的淬火冷却工艺参数，进一步模拟研究水压对大直径棒材淬透深度的影响。结果表明：模拟结果与实测结果吻合较好，当水压小于1.2MPa 时，随着水压的增加，大直径棒材淬硬层深度增加明显；当水压大于1.2MPa 时，继续增大水压，淬硬层深度增加并不明显，逐渐趋于恒定值，据此大直径棒材在线淬火的水压控制在1.2MPa 时比较合适。

关键词：在线淬火；大直径棒材；水压；有限元模型；淬硬层深度中图分类号：TG156.3

文献标志码：A

doi ：10.3969/j.issn.1671-7872.2015.03.005

Influence of Hydraulic Pressure on Hardened Depth of Big Bars

YIN Defu 1，CHEN Zhiqing 2，YU Yanqing 2，LIU Fei 1，CHEN Qiwei 1，YANG Shubao 1

(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China;2.Steel

Rolling Division,Huatian Engineering &Technology Corporation,MCC,Nanjing 210019,China)

Abstract :The finite element model (FEM)of quenching process was established with MSC.MARC software,and the temperature fields of quenching process of big bars were simulated.The influence of the hydraulic pressure on hardened depth of big bars was studied based on the cooling process parameters by certain water cooler.The re-sults show that the hardened depth of simulation value and the experimental ones are identical,the hardened depth increases rapidly at first and then increases slowly even keeping constant with the increase of hydraulic pressure.1.2MPa may be a critical hydraulic pressure.Based on above results,the suitable hydraulic pressure of quenching on line for big bars is 1.2MPa.

Key words :quenching on line;big bars;hydraulic pressure;finite element model;hardened depth

在线淬火技术就是利用热轧终了时的余热进行在线淬火，原理是在棒材终轧组织仍处于奥氏体状态时，利用其本身的余热在轧钢作业线上直接进行淬火处理，将热轧变形与热处理有机结合在一起，通过合理控制热轧后棒材的冷却工艺参数(冷却速度、开冷温度、终冷温度和冷却方式等)达到改善棒材组织和性能的目的。通过这种方式，棒材的生产成本不仅明显降低，而且其机械综合性能仍可得到保证[1-3]。

国内外对小直径(40mm 以下)棒材的在线淬火技术已有大量的研究，且部分研究已应用到生产实际，如日本神户钢铁公司神户钢厂、台湾丰新连续式棒材厂及上海宝钢集团第五钢铁厂等[4]有成熟的在线淬火技术。对于大直径棒材在线淬火方面的研究国内外报道较少，仅国外Danieli 公司在意大利Acciaierie Bertoli Safau(A BS)工厂有1条生产直径20~120mm 棒材和边长40~100mm 方钢的作业生产线，但是轧线主要生产正火材，调质材生产能力小，且与轧线生产能力不匹配[5]。实际生产中，为提高大直径棒材质量，研究大直径棒材的在线淬火技术迫切需要。因此，笔者在参考小直径棒材穿水冷却的研究基础上，探讨大直径棒材在穿

安徽工业大学学报(自然科学版)

J.of Anhui University of Technology(Natural Science)V ol.32No.3July 2015第32卷第3期2015年7月

文章编号：1671-7872(2015)-03-0222-06

收稿日期：2014-11-19

作者简介：尹德福(1990-)，男，安徽阜阳人，硕士生，主要研究方向为材料组织性能与控制。通信作者：陈其伟(1962-)，男，安徽黄山人，教授，主要研究方向为材料加工。

第3期尹德福等：水压对大直径棒材淬硬层深度的影响

水过程中水压对其淬硬层深度的影响，为大直径(Φ40~150mm )棒材在线淬火线的合理建设提供参考和依据。

1临界冷却速度和表面换热系数的确定

1.1临界冷却速度

连续冷却转变(CCT)图是在连续冷却条件下测定的，接近生产实际，据此求得的临界冷却速度作为评估大直径棒材的淬硬层深度。临界冷却速度的判断依据是700℃时的冷却速度[6]，表达式为

νc =800-500Δt

(1)

其中：v c 为临界冷却速度，℃/s ；Δt 为从800℃到500℃的冷却时间，s 。将计算出的临界冷却速度与直接从其他CCT 图确定的临界冷却速度进行对照，采用硬度和金相组织对公式进行校核。得到45钢、42CrMo 钢达到淬硬层深度(即体积分数50%的马氏体)的临界冷却速度分别为72，10℃/s 。1.2表面换热系数

大直径棒材轧后在线淬火过程中，在冷却设备确定的情况下，水压是影响其冷却效果的主要参数，故在大直径棒材在线淬火模拟中，主要研究水压对大直径棒材淬硬层深度的影响。棒材穿水冷却装置结构示意如图1[8-9]，冷却器直径取360mm ，有4个进水口，每个进水口的直径为47mm ，2个出水口，每个出水口直径为100mm 。在输入冷却水压强0.1~2.4MPa 的情况下，得到进水管内流场数据，结果如图2。

图2表明，随着水压的增加，水速增加相对缓慢。通过水速可计算出水流量和水流密度，表达式为：w =14400νS (2)

ρ=w 600πr

(3)其中：w 为水流量，m 3/h ；ν为水流速度，m/s ；S 为进水管截面积，m 2；ρ为水流密度，L/(m 2·min)；r 为棒材半

径，mm 。进而通过水流密度计算表面换热系数h [7]

，表达式：

θ<600℃时h =493.3w 0.595·10-0.00178θ·1.163(4)θ>600℃时

h =130.6w 0.663·10-0.0013θ·1.163

(5)

其中θ为表面温度。通过上述关系式可得不同水压下的表面换热系数，且表面换热系数随着水压的增大而增大。

图1冷却器和大直径棒材剖面图

Fig.1Cross-sectional view of the coolers and big bars

图2水压与水速之间的关系

Fig.2Relationship between hydraulic pressure and

water

velocity

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