无缝钢管热轧后控冷工艺的组织性能数值模拟

为了实现无缝钢管生产工艺流程中定（减）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％和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，取３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３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４。

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

１）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。

２）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。

３）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。

４）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％和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％。