棒材連軋過程變形區(qū)內(nèi)外溫度場分析

1、棒材連軋過程變形區(qū)內(nèi)外溫度場分析李長生 孫雪坤 劉相華 王國棟摘要：采用有限元法分析了棒材連續(xù)熱軋中變形區(qū)及出變形區(qū)時軋件橫斷面溫度場。變形區(qū)內(nèi)熱接觸作用對軋件表面溫度有較大影響，溫度梯度較大，軋件出變形區(qū)后溫度梯度逐漸減小，溫度分布較均勻。這一結(jié)果可指導(dǎo)分析軋件的微觀組織變化。關(guān)鍵詞：棒線材；溫度場；有限元Analysis of the temperature field of bar in and out the deformation zone during continuous rolling LI Chang-sheng,SUN Xue-kun,LIU Xiang-hua,WANG

2、Guo-dong(State Key Lab of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110006,China)Abstract:The temperature field of the bar in and out the deformation zone during continuous rolling is simulated by finite element method.It has been found that the temperature gradient is great in the def

3、ormation,on which the heat conduction has great effects,and the temperature gradient is small out the deformation.The results are important to analyses the microstructure of the rolled-piece.Key words:wire and rod;temperature field;finite element method隨著軋制技術(shù)的發(fā)展，人們對軋制過程溫度場進行了廣泛的研究，例如，劉相華等1,2解析了復(fù)雜斷面型

4、鋼溫度場和窗框鋼的溫度場；姜正義等3求解了21-4N鋼在精鍛過程中的溫度場；Xin,P.4等求解了角鋼的溫度場；孫衛(wèi)華等5求解了帶鋼熱軋中軋件橫斷面上的溫度場；對棒線材軋制過程溫度場的研究也有報道，如麻永林等6求解了棒線連軋過程中軋件的溫降；I.P.Kemp7求解了實驗室軋機軋制棒線材的溫度場。溫度場分析對于指導(dǎo)實際生產(chǎn)并探索溫度對軋件的變形及組織的影響尤為重要。本文采用二維有限元方法，以某棒線連軋廠40Cr鋼棒材在第6道次軋制為例，對軋件在變形區(qū)內(nèi)外橫斷面的溫度場進行了有限元模擬，其結(jié)果對于改善工藝制度，分析微觀組織變化，實現(xiàn)控軋控冷等提供了理論依據(jù)。1 基本理論和方法1.1 傳熱問題基本理

5、論.熱傳導(dǎo)基本方程8為：（1）初始溫度分布T(x,y,z,t=0)=T0(x,y,z)(在V內(nèi))（2）熱對流的邊界可寫為（在S2上）（3）熱輻射的邊界可寫為（在S3上q）（4）能量泛函表達式可寫為（5）上述式中，為材料導(dǎo)溫系數(shù)；為材料的內(nèi)熱源強度；為材料密度；c為比熱；k為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；T為環(huán)境溫度。利用有限元方法離散，可求解該問題。1.2 節(jié)點溫度傳遞的處理方法棒線材連軋過程中，軋件的橫斷面變化可歸結(jié)為方（矩形）-橢圓-圓形狀的變化，由于對稱性，為了研究問題方便起見，同時不失真實性，對矩形、圓或橢圓只取1/4部分進行研究，網(wǎng)格劃分如圖1所示。溫度傳遞過程是按照前一進程中的節(jié)點在進入下一

6、進程中可能物理位置處的節(jié)點進行傳遞的。圖1網(wǎng)格劃分方法示意圖a)方形或矩形；b)圓形；c)橢圓形2 計算結(jié)果及討論計算示例鋼種為40Cr,坯料尺寸200mm×200mm方，成品尺寸為16mm；第6道次軋前形狀為橢圓，尺寸為83mm×141mm；軋后形狀為圓，直徑為100mm；成品軋制速度為0.89m/s。采用平面4節(jié)點等參單元，單元數(shù)為10×10=100個，節(jié)點數(shù)為121個，其中熱物理參數(shù)如表1所示?？紤]到軋件變形時會產(chǎn)生變形熱，軋件與軋輥接觸產(chǎn)生熱阻放熱等因素，求解了沿軋制線軋件溫度的變化規(guī)律，即中心處、距中心1/2處、平均溫度及表面溫度。實測軋機出口處溫度，與

7、計算表面溫度誤差<2%。為了達到研究目的，取該過程第6道次為研究對象，如圖2所示，用方框標(biāo)出。可以看出，變形區(qū)表面溫度迅速降低，表面溫度與中心溫度差達250；而因放熱條件所致，變形區(qū)外表面與中心溫差僅為110。表1計算40Cr鋼溫度場主要物理參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值軋件出爐溫度/1130環(huán)境溫度/50軋輥表面溫度/100導(dǎo)熱系數(shù)/W.m-1.k-130熱阻放熱系數(shù)/W.m-2.k-11.16×10-4比熱/J.kg-1.k-1670密度/kg.m-37800黑度0.8熱幅射常數(shù)/W.m-2.k-45.67×10-8時間/s圖2軋件溫度模擬曲線1-中心；2-距中心1/2處；3

8、-平均溫度；4-表面溫度；5-設(shè)定值；6-實測值從圖2可以看出，軋件表面溫度在變形區(qū)內(nèi)（ad）迅速降低，而出變形區(qū)后（ef）溫度又迅速升高。為此，首先研究軋件在變形區(qū)內(nèi)的溫度場。以第6道次軋制為例，經(jīng)過有限元計算，分別得到了軋件進入變形時刻，進入變形區(qū)4/10，進入變形區(qū)7/10和出變形區(qū)時刻的溫度梯度圖，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著軋制過程的進行，中心至表面溫度梯度由小變大，顯然，這是由于軋件表面與軋輥的熱接觸而引起的。為了觀察軋件在出變形區(qū)后溫度分布的變化情況，取第6道次出變形區(qū)的瞬間以及經(jīng)過5s，25s和50s待軋過程的溫度梯度圖，如圖4所示。從圖中可以看出，在非變形區(qū)，溫度梯度逐漸

9、減小，這是由于在變形區(qū)中軋件表面溫度迅速降低，而出變形區(qū)后，軋件表面立刻回溫，使得溫度分布比較均勻。圖3第6道次軋制過程變形區(qū)內(nèi)軋件1/4橫斷面溫度梯度圖a)進入變形區(qū)；b)進入變形區(qū)4/10；c)進入變形區(qū)7/10；d)出變形區(qū)時刻圖4 第6道次軋制及待軋過程1/4橫斷面溫度梯度圖e)出變戀愛區(qū)瞬間;f)出變形區(qū)5s;g)出變形區(qū)25s;h)出變形區(qū)50s3 結(jié)論q（1）采用有限元方法對軋件在軋制中的溫度行為進行了解析，得到了軋件中心溫度、表面溫度及平均溫度的變化規(guī)律；（2）表面溫度的變化在變形區(qū)中尤為顯著，其中第6道次表面溫度與中心溫度差最高達250。但是，在軋件出變形區(qū)后溫度差立即減小，這是由于變形區(qū)中軋件與軋輥的接觸放熱條件比出變形區(qū)后與外界輻射放熱條件劇烈；（3）軋件出變形區(qū)后，由于放熱條件的變化使得軋件表面立刻回溫，使得溫度分布比較均勻；（4）利用此種方法