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无缝钢管热轧后控冷工艺的组织性能数值模拟

来源:至德钢业 日期:2020-06-06 18:10:58 人气:93

为了实现无缝钢管生产工艺流程中定径之后矫直之前的控制冷却采用数值模拟方法研究了20号钢管轧后冷却过程的组织力学性能变化规律首先采用试验方法测定钢探头在不同冷却介质条件下的温度变化曲线根据反传热法基本原理计算得出钢探头冷却过程中表面换热系数与工件温度的关系然后采用有限差分法建立了钢管冷却过程中的温度场组织相变及力能性能预测系统分析了不同冷却工艺条件下钢管的组织状态与力学性能最后进行钢管空冷过程的试验分析测定了不同时刻的温度数据和冷态钢管的力学性能其计算结果与实测数据吻合良好该研究结果可为实现无缝钢管控制冷却提供基础性数据

目前国内钢管生产企业面对无缝钢管产能过剩的巨大挑战纷纷调整品种结构淘汰落后产能并研发高质量产品试验研究证明在无缝钢管热轧生产冷却过程中实施控制冷却工艺可以控制组织相变过程细化晶粒进而改善钢管的力学性能因此开展无缝钢管热轧后不同冷却制度下钢管组织性能变化规律的研究具有重要的意义和应用价值但由于无缝钢管具有较大的轮廓断面尺寸和规格变化范围从而使其在线热处理的控制与实施面临较多的变数使得控冷工艺在无缝钢管生产中的实施与应用受到很大约束且相关的理论研究较板材相比也很少吴化等通过试验的方法研究了22Mn2SiVBS热轧无缝钢管空冷时的组织与性能提出了使钢管获得均匀贝氏体和良好力学性能的措施赵文雅采用数值模拟方法研究了42CrMo中控钢热加工后空冷和风冷的温度场北京科技大学刘国勇博士采用有限元法研究了钢管淬火过程均匀性这些研究都没有系统研究各种冷却条件对钢管冷却过程中温度变化组织相变及力学性能影响规律

为此本文采用数值模拟与试验分析的方法建立了钢管冷却过程的温度场组织相变与性能多领域分析系统研究了空冷风冷油冷等不同冷却工艺下钢管的组织状态与力学性能变化规律为实现钢管轧后控制冷却提供理论参考

钢管冷却过程中在一定的温度范围内适当的增大冷却速度即增大相变过冷度可以减小铁素体的晶粒尺寸细化铁素体组织此外各组织相变温度伴随冷却速度的增加呈明显下降的趋势主要原因在于当相变区域冷却速度增加时奥氏体稳定性增强延迟了相变的发生导致相变点的温度降低而由力学性能的对比结果可知经风冷和油冷得到的产品力学性能与空冷相比抗拉强度屈服强度伸长率分别提高1.8%4.6%4.4%3.7%9.6%7.9%当采用空冷至715改为油冷工艺后抗拉强度屈服强度伸长率分别提高了3.9%9.7%11%因此选择合适的冷却制度可以提高钢管的力学性能然而提高的幅度随冷却制度的不同而不同

模型应用与验证

对天津某钢管厂生产的材质为20号钢规格为140mm×13mm长度为400mm的无缝钢管进行空冷试验个相同规格尺寸的工件进行重复试验取其平均值测得钢管空冷过程中各个时刻的温度值采用相同工艺利用以上所建模型进行仿真计算并与实测数据进行对比和误差分析其结果如表所示

然后将冷却后的试验工件进行线切割从工件任意一个端面处沿中性层切出8mm×74mm的圆柱并将此圆柱加工成标准件进行拉伸试验最后将试验得到的力学性能测试值与仿真值进行对比并进行误差分析其结果见表

各组数据的相对误差均小于5%在误差允许的范围内验证了仿真结果的正确性

结论

针对热轧无缝管轧后冷却控制问题采用有限差分法建立了热轧后钢管冷却过程的温度与组织性能预测模型

利用反传热法测定了20号钢在空冷风冷和油冷下的换热系数曲线为数值计算提供了材料数据

根据数值计算和试验结果可知通过采用加速冷却控制工艺可使热轧后无缝管铁素体的晶粒尺寸得到细化力学性能提高

在根据空冷试验验证了数值计算模型的有效性后通过数值分析得出采用油冷风冷替代空冷钢管的抗拉强度屈服强度伸长率将会分别提高1.8%4.6%4.4%3.7%9.6%7.9%采用空冷油冷复合冷却工艺可望使抗拉强度屈服强度伸长率分别提高3.9%9.7%11%

本文标签:无缝钢管 

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