棒線材直接軋制：溫度場模擬與熱變形行為的深度剖析

棒線材直接軋制：溫度場模擬與熱變形行為的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義棒線材作為現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位，在整個鋼材產(chǎn)量中占比約為20%。其廣泛應(yīng)用于建筑、機械制造、汽車工業(yè)、橋梁建設(shè)等眾多領(lǐng)域，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和高端制造不可或缺的重要組成部分。在建筑行業(yè)，棒線材用于構(gòu)建建筑物的鋼筋骨架，為建筑物提供穩(wěn)固的支撐結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到建筑物的安全性與穩(wěn)定性；在機械制造領(lǐng)域，棒線材經(jīng)過加工制造成為各種機械零件，如軸類、螺栓、螺母等，是機械設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)零部件；在汽車工業(yè)中，棒線材用于制造汽車發(fā)動機、變速器、懸掛系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，對汽車的性能和質(zhì)量有著重要影響；橋梁建設(shè)更是離不開棒線材，它們承擔著橋梁的主要載荷，確保橋梁在各種復雜環(huán)境下的安全使用。在棒線材的生產(chǎn)過程中，溫度場和熱變形行為是影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。軋制過程中，軋件的溫度分布不均會導致產(chǎn)品性能差異，影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。如軋件表面與中心的溫度差過大，可能使表面和內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變不同步，導致產(chǎn)品出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，降低產(chǎn)品的強度和韌性，甚至可能引發(fā)產(chǎn)品的開裂等缺陷。同時，軋件溫度過低會使變形抗力增加，軋制壓力增大，不僅影響軋制過程的穩(wěn)定性，還可能導致軋機設(shè)備的損壞，增加生產(chǎn)成本。而精確掌握棒線材軋制過程中的溫度場分布和變化規(guī)律，以及材料的熱變形行為，對于優(yōu)化軋制工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。通過對溫度場的模擬分析，可以預(yù)測軋件在軋制過程中的溫度變化，為制定合理的軋制工藝參數(shù)提供依據(jù)，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的有效控制；對熱變形行為的研究，則有助于深入理解材料在軋制過程中的變形機制，為開發(fā)新的軋制工藝和提高軋制效率提供理論支持。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對棒線材的質(zhì)量和性能要求日益提高。傳統(tǒng)的軋制工藝和研究方法已難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，因此，運用先進的數(shù)值模擬技術(shù)對棒線材直接軋制中的溫度場進行模擬，結(jié)合實驗研究材料的熱變形行為，成為當前棒線材軋制領(lǐng)域的研究熱點。本研究旨在通過對棒線材直接軋制過程中的溫度場模擬和熱變形行為的深入研究，揭示溫度場和熱變形行為對棒線材質(zhì)量的影響規(guī)律，為棒線材軋制工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，推動棒線材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，滿足現(xiàn)代工業(yè)對高品質(zhì)棒線材的需求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在棒線材直接軋制領(lǐng)域，溫度場模擬和熱變形行為的研究一直是國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。國外的研究起步較早，在理論和實踐方面都取得了一系列重要成果。美國學者I.P.Kemp率先運用數(shù)值模擬方法對實驗室軋機軋制棒線材的溫度場進行了求解，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法在溫度場模擬中得到了廣泛應(yīng)用。德國的一些研究團隊通過建立詳細的有限元模型，深入分析了軋制過程中軋件與軋輥的熱傳遞機制，精確模擬了軋件在不同軋制階段的溫度分布情況，研究發(fā)現(xiàn)軋件表面與軋輥接觸時的熱傳導對溫度場影響顯著，軋件表面溫度在短時間內(nèi)會急劇下降。在熱變形行為研究方面，日本學者通過熱模擬實驗，系統(tǒng)地研究了多種鋼種在不同變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶行為，確定了再結(jié)晶的臨界條件和動力學參數(shù)，為軋制工藝的制定提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)變形溫度和應(yīng)變速率對再結(jié)晶行為有著決定性的影響，在高溫和低應(yīng)變速率條件下，動態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生。國內(nèi)在棒線材直接軋制的溫度場模擬和熱變形行為研究方面也取得了豐碩的成果。東北大學的劉相華等學者采用有限元法對棒材連續(xù)熱軋中變形區(qū)及出變形區(qū)時軋件橫斷面溫度場進行了深入分析，揭示了變形區(qū)內(nèi)熱接觸作用對軋件表面溫度的較大影響以及溫度梯度的變化規(guī)律。研究表明，軋件出變形區(qū)后溫度梯度逐漸減小，溫度分布趨于均勻，這一結(jié)果為分析軋件的微觀組織變化提供了重要指導。在熱變形行為研究上，國內(nèi)學者結(jié)合實際生產(chǎn)條件，對多種鋼種進行了熱模擬實驗。例如，廣州鋼鐵企業(yè)集團公司的研究人員通過在Gleeble-1500熱模擬實驗機上對20MnSi、20MnSiV和30MnSi鋼種進行實驗，得到了這些鋼種的變形抗力數(shù)學模型，分析了動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶行為，并測定了CCT曲線，為現(xiàn)場制訂和優(yōu)化生產(chǎn)工藝提供了有力的理論支持。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在溫度場模擬方面，雖然目前的模擬方法能夠較好地反映軋件整體的溫度變化趨勢，但對于一些復雜的邊界條件，如軋件與軋輥之間的非線性接觸熱傳導、軋制過程中的熱輻射和對流散熱等，模擬的精度還有待提高。同時，多數(shù)研究集中在穩(wěn)態(tài)軋制階段，對于軋制過程的啟動、停止以及工況變化等瞬態(tài)過程的溫度場模擬研究較少。在熱變形行為研究中，現(xiàn)有的研究主要針對單一鋼種或少數(shù)幾種常見鋼種，對于新型合金材料或特殊性能要求的棒線材熱變形行為研究相對匱乏。此外，熱變形行為的研究往往與實際生產(chǎn)過程存在一定的脫節(jié)，實驗條件與現(xiàn)場軋制條件存在差異，導致研究成果在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果受到一定限制。綜上所述，目前棒線材直接軋制中溫度場模擬和熱變形行為的研究已取得了一定的進展，但仍存在諸多有待完善和深入研究的空白領(lǐng)域，如復雜工況下的溫度場精確模擬、新型材料的熱變形行為研究以及如何將研究成果更好地應(yīng)用于實際生產(chǎn)等，這些都為進一步的研究提供了方向和挑戰(zhàn)。1.3研究內(nèi)容與方法本文綜合運用數(shù)值模擬和實驗研究的方法，對棒線材直接軋制中的溫度場和熱變形行為展開深入探究。在模擬方法上，采用有限元分析軟件ANSYS建立棒線材軋制過程的三維熱-力耦合模型。該軟件具有強大的計算能力和豐富的材料庫，能夠精確模擬復雜的物理過程。通過將軋件和軋輥離散為有限個單元，基于傳熱學基本原理，如傅里葉導熱定律、牛頓冷卻定律等，建立溫度場控制方程，考慮軋制過程中的塑性變形熱、軋件與軋輥之間的接觸熱傳導、熱輻射以及對流散熱等因素，實現(xiàn)對軋制過程溫度場的精確模擬。在實驗手段方面，利用Gleeble熱模擬實驗機進行熱變形實驗。該實驗機能夠精確控制變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等參數(shù)，模擬棒線材在實際軋制過程中的熱變形條件。選取典型的棒線材鋼種，如Q235、HRB400等，加工成標準的圓柱試樣，在不同的變形溫度（800℃-1200℃）、應(yīng)變速率（0.01s-1-10s-1）下進行單道次和雙道次壓縮實驗，采集應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析材料的熱變形行為，研究動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生機制和影響因素。具體研究內(nèi)容包括：一是對棒線材直接軋制過程中的溫度場進行模擬，分析軋件在軋制過程中的溫度分布規(guī)律和變化趨勢，研究不同軋制工藝參數(shù)（如軋制速度、軋輥轉(zhuǎn)速、壓下量等）對溫度場的影響，確定影響溫度場的關(guān)鍵因素。二是通過熱模擬實驗，研究棒線材材料在不同熱變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、加工硬化行為、動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶行為，建立熱變形行為的數(shù)學模型，為軋制工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。三是探討溫度場和熱變形行為之間的相互關(guān)系，分析溫度場對熱變形行為的影響，以及熱變形行為對溫度場的反饋作用，揭示棒線材直接軋制過程中溫度場和熱變形行為的耦合機制。二、棒線材直接軋制工藝概述2.1棒線材直接軋制流程以某鋼廠的棒線材直接軋制生產(chǎn)線為例，其工藝流程涵蓋坯料準備、加熱、軋制、冷卻、精整以及檢驗包裝等多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都緊密相連，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要影響。坯料準備環(huán)節(jié)是整個生產(chǎn)流程的起始點，也是確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。該鋼廠選用的連鑄坯作為坯料，其質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)軋制過程的順利進行和產(chǎn)品的最終性能。在坯料驗收階段，鋼廠依據(jù)嚴格的鋼坯技術(shù)標準和內(nèi)控技術(shù)條件，對坯料進行全面細致的檢查。工作人員會仔細核對坯料的物卡信息，確保坯料的規(guī)格、材質(zhì)等與生產(chǎn)要求相符；同時，對坯料的外形尺寸進行精確測量，檢查是否存在尺寸偏差；還會認真檢查坯料的表面質(zhì)量，查看是否有裂紋、結(jié)疤、夾雜等缺陷。只有經(jīng)過嚴格檢驗，確認質(zhì)量合格的坯料才能進入后續(xù)工序。對于不合格的坯料，鋼廠會按照相關(guān)規(guī)定進行處理，避免其對生產(chǎn)造成影響。加熱工序在棒線材直接軋制中起著至關(guān)重要的作用，它直接影響著鋼坯的塑性和變形抗力。鋼廠采用先進的蓄熱推鋼式加熱爐對坯料進行加熱，這種加熱爐具有高效節(jié)能、加熱均勻等優(yōu)點。在加熱過程中，加熱爐嚴格按照不同鋼種的加熱制度進行操作，將坯料加熱到合適的溫度范圍，一般為980-1150℃。加熱制度的制定充分考慮了鋼種的特性、坯料的尺寸以及軋制工藝的要求，以確保鋼坯在加熱后具有良好的塑性和較低的變形抗力，便于后續(xù)的軋制加工。同時，加熱爐還配備了先進的溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整爐內(nèi)溫度，保證加熱質(zhì)量的穩(wěn)定性。軋制工序是棒線材直接軋制的核心環(huán)節(jié)，它決定了產(chǎn)品的形狀、尺寸和性能。該鋼廠的軋制生產(chǎn)線采用全連續(xù)式棒材軋機，共設(shè)有18架軋機，分為粗軋、中軋和精軋三組，每組各6架。這種軋機布置方式具有機械化、自動化程度高，軋制速度快，軋制精度高等優(yōu)點，能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在粗軋機組，鋼坯首先進入6架粗軋機進行軋制。粗軋機的主要作用是對鋼坯進行大變形量的軋制，將鋼坯的斷面尺寸逐步減小，為后續(xù)的中軋和精軋工序奠定基礎(chǔ)。粗軋過程中，軋機采用微漲力軋制方式，通過合理控制各機架之間的軋制速度和張力，使軋件在軋制過程中保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)堆鋼、拉鋼等異?，F(xiàn)象。同時，粗軋機組還配備了1#飛剪，用于對軋件進行切頭、切尾處理，去除軋件頭部和尾部的不規(guī)則部分，保證軋件進入中軋機組時的質(zhì)量。經(jīng)過粗軋機組軋制后的軋件，進入中軋機組進行進一步的軋制。中軋機組同樣采用微漲力軋制方式，繼續(xù)對軋件的斷面尺寸進行壓縮和調(diào)整，使軋件的形狀和尺寸更加接近成品要求。在中軋機組軋制過程中，軋件會再次經(jīng)過2#飛剪的切頭、切尾處理，以確保軋件的質(zhì)量和軋制過程的順利進行。精軋機組是軋制工序的最后階段，對產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量有著嚴格的要求。精軋機組的13#-18#軋機各機架之間設(shè)有活套，采用無漲力軋制方式，通過精確控制各機架的軋制速度和活套的張力，使軋件在無張力的狀態(tài)下進行軋制，有效保證了軋件的尺寸精度和表面質(zhì)量。為了滿足不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，精軋機組還配備了平、立轉(zhuǎn)換軋機，可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的變化進行靈活調(diào)整。例如，在生產(chǎn)小規(guī)格的帶肋鋼筋時，可采用切分軋制技術(shù)，通過平、立轉(zhuǎn)換軋機將軋件進行切分，提高生產(chǎn)效率。冷卻工序?qū)τ诎艟€材的組織性能和產(chǎn)品質(zhì)量有著重要影響。從精軋機出來的軋制成品，根據(jù)產(chǎn)品的要求，可選擇水冷裝置進行快速冷卻或采用空冷方式進行自然冷卻。水冷裝置能夠迅速降低軋件的溫度，使其獲得良好的組織性能和力學性能，尤其適用于一些對冷卻速度要求較高的鋼種。而空冷方式則適用于一些對冷卻速度要求不高的鋼種，通過自然空氣冷卻，使軋件在緩慢冷卻過程中逐漸恢復其固有的物理性能。冷卻后的軋件進入精整工序，主要包括倍尺剪切、齊頭、編組、定尺剪切等步驟。首先，軋件經(jīng)過3#倍尺飛剪進行長度優(yōu)化分段剪切，根據(jù)生產(chǎn)要求將軋件剪成不同長度的倍尺。倍尺優(yōu)化分段后的軋件在冷床上進行冷卻，冷床能夠?qū)⒏邷剀埣鋮s到合適的溫度，便于后續(xù)的加工處理。冷卻后的軋件由齊頭輥道進行齊頭處理，使軋件的頭部整齊一致。齊頭后，軋件由鏈式移送機構(gòu)按一定數(shù)量和一定距離進行編組，然后由平移小車將軋件成組托起移到輸出輥道上。最后，軋件在輸出輥道上被運送到4#冷飛剪處進行定尺剪切，切成符合成品要求的定尺長度。檢驗包裝是棒線材生產(chǎn)的最后一道工序，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過定尺剪切后的軋件，在橫移臺架上進行全面的檢查、分選、計數(shù)、打捆、稱重、標志和收集。工作人員會仔細檢查軋件的表面質(zhì)量、尺寸精度、力學性能等指標，對不符合質(zhì)量標準的產(chǎn)品進行篩選和處理。合格的產(chǎn)品則按照規(guī)定的數(shù)量進行打捆，并附上產(chǎn)品標志，標明產(chǎn)品的規(guī)格、材質(zhì)、生產(chǎn)日期等信息。最后，料捆由磁盤吊車成排吊到成品庫，按照“十”字形堆放，等待發(fā)貨。通過以上詳細的工藝流程，該鋼廠實現(xiàn)了棒線材的直接軋制生產(chǎn)，生產(chǎn)出的棒線材產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)良，能夠滿足建筑、機械制造等多個行業(yè)的需求。2.2直接軋制工藝特點與傳統(tǒng)軋制工藝相比，棒線材直接軋制工藝具有諸多顯著優(yōu)勢，同時也面臨著一些獨特的技術(shù)挑戰(zhàn)。直接軋制工藝的優(yōu)勢體現(xiàn)在多個關(guān)鍵方面。在節(jié)能降耗方面，傳統(tǒng)軋制工藝中，鋼坯在冷卻后需再次加熱至合適的軋制溫度，這一過程消耗大量能源。而直接軋制工藝能夠充分利用連鑄坯的余熱，減少甚至無需二次加熱，從而實現(xiàn)能源的大幅節(jié)約。據(jù)相關(guān)研究表明，實現(xiàn)寬帶鋼直接軋制工藝后，噸鋼加熱能耗可降低85%，這對于鋼鐵行業(yè)這種能源消耗大戶來說，節(jié)能效果十分顯著，有助于降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。在生產(chǎn)效率提升方面，直接軋制工藝縮短了生產(chǎn)周期，減少了中間環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)軋制工藝從煉鋼到軋出成品的整個生產(chǎn)周期一般為30小時，而連鑄坯直接軋制工藝僅需2小時左右。這使得生產(chǎn)過程更加緊湊高效，能夠快速響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的市場競爭力。同時，直接軋制工藝減少了加熱爐設(shè)備、耐材、廠房、生產(chǎn)人員的投入，以及鋼坯堆放廠房和運輸設(shè)備的投資，進一步降低了生產(chǎn)成本。在產(chǎn)品質(zhì)量方面，直接軋制工藝也具有明顯優(yōu)勢。鑄坯不經(jīng)加熱爐加熱，可減少氧化鐵皮及各種加熱缺陷，從而提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和內(nèi)部組織性能。此外，鋼坯斷面溫度外低內(nèi)高，有利于軋制成型，能夠獲得更均勻的組織和更好的力學性能。然而，直接軋制工藝在實際應(yīng)用中也面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。連鑄坯在長度方向存在嚴重的溫度分布不均問題，這會導致棒材頭尾屈服強度性能差異較大，出現(xiàn)抽檢合格而工地檢驗不合格的現(xiàn)象。例如，某鋼廠在采用直接軋制工藝時，發(fā)現(xiàn)棒材頭尾屈服強度性能差高達40MPa，嚴重影響了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此，如何均勻同根鋼坯頭尾的性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，是直接軋制工藝亟待解決的關(guān)鍵問題之一。鑄坯軋前未經(jīng)過γ-α-γ相變再結(jié)晶過程，仍保留鑄態(tài)粗大的奧氏體晶粒，微量元素Nb、V等無常規(guī)冷裝爐的析出、再溶解過程。這使得傳統(tǒng)的軋制工藝難以滿足直接軋制的要求，需要開發(fā)新的軋制工藝來獲得晶粒細化的組織，以保證產(chǎn)品的性能。直接軋制工藝中，無加熱爐的緩沖和協(xié)調(diào)作用，煉鋼與軋鋼剛性連接，生產(chǎn)節(jié)奏不匹配，生產(chǎn)相互影響，不可避免地會產(chǎn)生冷坯。這就需要開發(fā)新的柔性銜接工藝，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。棒線材無加熱無補熱直接軋制時，鋼坯經(jīng)常出現(xiàn)850℃左右的溫度，甚至出現(xiàn)820℃的溫度。在這種較低溫度下軋制，軋機軋制負荷較高，對工藝設(shè)備的強度和負荷提出了更高的要求。同時，當鋼坯溫度過低時，無法直接軋制，若放棄不軋，將不利于提高直軋率。因此，如何提高鋼坯的轉(zhuǎn)運速度，減少鋼坯轉(zhuǎn)運過程的溫降，以及如何優(yōu)化工藝設(shè)備，使其適應(yīng)較低溫度的軋制，都是需要解決的重要問題。綜上所述，棒線材直接軋制工藝在節(jié)能、高效、產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢，但也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。深入研究和解決這些問題，對于推動直接軋制工藝的廣泛應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。2.3工藝對溫度場和熱變形的影響在棒線材直接軋制過程中，軋制速度對軋件的溫度場分布和熱變形行為有著顯著影響。隨著軋制速度的增加，軋件與軋輥的接觸時間縮短，這使得通過接觸傳導散失到軋輥的熱量減少。在某一棒線材軋制實驗中，當軋制速度從0.5m/s提高到1.5m/s時，軋件表面與軋輥接觸區(qū)域的溫降速率明顯降低，表面溫度在軋制過程中的下降幅度減小。同時，軋制速度的提高會使變形功在單位時間內(nèi)更多地轉(zhuǎn)化為變形熱，從而使軋件內(nèi)部溫度升高。根據(jù)熱傳導理論，在軋制速度加快時，軋件內(nèi)部的溫度分布會更加不均勻，表面與中心的溫度差增大。這是因為表面熱量散失相對較慢，而內(nèi)部由于變形熱的產(chǎn)生溫度上升較快。在熱變形行為方面，軋制速度的變化會改變金屬的變形機制。較高的軋制速度會導致應(yīng)變速率增加，使金屬的變形更加集中在局部區(qū)域，位錯運動加劇，加工硬化效應(yīng)增強。這使得軋件的變形抗力增大，需要更大的軋制力來完成軋制過程。在軋制速度為1m/s時，某鋼種軋件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力峰值明顯升高，表明變形抗力增大。同時，高應(yīng)變速率還會影響動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變增大，抑制動態(tài)再結(jié)晶的充分進行，導致軋件的晶粒細化效果變差。道次壓下量是影響棒線材直接軋制過程的另一個重要工藝參數(shù)。增大道次壓下量，意味著軋件在單次軋制過程中的變形程度增大，更多的機械能轉(zhuǎn)化為變形熱。在模擬研究中發(fā)現(xiàn)，當?shù)来螇合铝繌?0%提高到20%時，軋件的溫度顯著升高，這是因為變形熱的增加量超過了散熱損失。隨著道次壓下量的增大，軋件內(nèi)部的溫度分布更加不均勻，中心部位溫度升高更為明顯，這是由于中心部位的變形程度更大，產(chǎn)生的變形熱更多。從熱變形行為角度來看，較大的道次壓下量有利于促進動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。在道次壓下量為20%的軋制實驗中，通過金相分析發(fā)現(xiàn)，軋件的晶粒明顯細化，這是因為較大的變形量提供了更多的能量，使位錯密度增加，促進了動態(tài)再結(jié)晶的形核和長大。同時，較大的道次壓下量還會使軋件的殘余應(yīng)力分布發(fā)生變化，由于變形的不均勻性，軋件內(nèi)部會產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力，這可能對產(chǎn)品的性能和尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。軋制速度和道次壓下量對軋件的溫度場和熱變形行為有著復雜的交互作用。在高軋制速度和大道次壓下量的組合下，軋件的溫度升高更為顯著，熱變形行為也更為復雜。一方面，高軋制速度下的短接觸時間和大道次壓下量產(chǎn)生的大量變形熱，會使軋件表面和中心的溫度差進一步增大；另一方面，高應(yīng)變速率和大變形量的共同作用，會加劇位錯的運動和交互作用，使加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶過程相互競爭，對軋件的微觀組織和性能產(chǎn)生綜合影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮軋制速度和道次壓下量等工藝參數(shù)，以優(yōu)化軋制過程，獲得高質(zhì)量的棒線材產(chǎn)品。三、溫度場模擬理論與方法3.1傳熱基本理論在棒線材軋制過程中，傳熱現(xiàn)象廣泛存在，主要涉及熱傳導、對流和輻射三種基本方式，它們各自遵循特定的物理規(guī)律，共同影響著軋件的溫度變化和分布。熱傳導是指在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。其基本方程遵循傅里葉定律，表達式為：q=-k\nablaT其中，q為熱流密度，單位為W/m^2，表示單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量；k為導熱系數(shù)，單位為W/(m\cdotK)，是材料的固有屬性，反映了材料傳導熱量的能力，不同材料的導熱系數(shù)差異較大，例如常溫下純銅的導熱系數(shù)高達400W/(m\cdotK)，而空氣的導熱系數(shù)僅約為0.025W/(m\cdotK)；\nablaT為溫度梯度，是一個向量，表示溫度在空間上的變化率，其方向指向溫度升高最快的方向。該定律表明，熱流密度與溫度梯度成正比，且熱傳遞方向總是從高溫區(qū)域指向低溫區(qū)域。在棒線材軋制過程中，熱傳導主要發(fā)生在軋件內(nèi)部以及軋件與軋輥的接觸界面。在軋件內(nèi)部，由于軋制變形產(chǎn)生的熱量分布不均勻，會形成溫度梯度，熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳導。例如，在軋制過程中，軋件中心部位因變形功轉(zhuǎn)化為熱量而溫度較高，表面則因與外界環(huán)境的熱交換而溫度較低，此時熱傳導使得熱量從中心向表面?zhèn)鬟f，以減小溫度差異。在軋件與軋輥的接觸界面，由于兩者存在溫度差，熱量會從軋件傳遞到軋輥，這一過程對軋件表面溫度的降低有著重要影響。對流是指流體（氣體或液體）中溫度不同的各部分之間在接觸時發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞過程。其基本方程可由牛頓冷卻定律描述：q=h(T_w-T_f)其中，h為對流換熱系數(shù)，單位為W/(m^2\cdotK)，它不是一個固定值，而是受到流體的流動狀態(tài)、流速、溫度以及壁面狀況等多種因素的影響。在自然對流情況下，對流換熱系數(shù)相對較小，一般在1-10W/(m^2\cdotK)量級；而在強制對流時，隨著流體速度的增加，對流換熱系數(shù)會顯著增大，通常在10-100W/(m^2\cdotK)量級。T_w為壁面溫度，T_f為流體主體溫度。在棒線材軋制中，對流主要體現(xiàn)在軋件與周圍空氣之間的換熱。當高溫軋件離開軋輥后，周圍冷空氣會在軋件表面形成邊界層，由于軋件表面溫度高于空氣溫度，熱量通過對流從軋件表面?zhèn)鬟f到空氣中。此外，在一些采用水冷方式的軋制工藝中，水流與軋件表面之間也存在對流換熱，這種對流換熱能夠快速帶走軋件表面的熱量，對軋件的冷卻速度和溫度分布有著重要影響。輻射是指物體通過電磁波傳遞能量的過程，只要物體的溫度高于絕對零度，就會向外輻射電磁波。在熱輻射中，物體輻射的能量與物體的溫度、表面性質(zhì)等因素有關(guān)。其基本方程遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律：q=\varepsilon\sigmaT^4其中，\varepsilon為物體的發(fā)射率，取值范圍在0-1之間，它反映了物體表面輻射能力與黑體（發(fā)射率為1的理想物體）輻射能力的接近程度，不同材料和表面狀態(tài)的發(fā)射率不同，例如磨光的鋁表面發(fā)射率約為0.04，而氧化的鋁表面發(fā)射率約為0.3；\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)；T為物體的絕對溫度，單位為K。在棒線材軋制過程中，熱輻射主要發(fā)生在高溫軋件與周圍環(huán)境之間。高溫軋件會向周圍空間輻射熱量，尤其在軋件溫度較高時，熱輻射的作用更為顯著。例如，在棒線材的加熱爐內(nèi)，鋼坯通過吸收爐內(nèi)的輻射熱來提高自身溫度；在軋制后的冷卻過程中，軋件也會通過熱輻射向周圍環(huán)境散熱。在棒線材軋制過程中，這三種傳熱方式并非孤立存在，而是相互關(guān)聯(lián)、共同作用。在軋件的冷卻過程中，軋件表面首先通過熱傳導將熱量傳遞到表面層，然后表面層的熱量通過對流傳遞給周圍空氣，同時軋件也會通過熱輻射向周圍空間散熱。這三種傳熱方式的相對重要性會隨著軋制工藝條件、軋件溫度以及周圍環(huán)境等因素的變化而改變。在軋件溫度較低時，對流和熱傳導可能起主要作用；而當軋件溫度較高時，熱輻射的影響會逐漸增大。因此，在對棒線材軋制過程進行溫度場模擬時，需要綜合考慮這三種傳熱方式的影響，以準確描述軋件的溫度變化和分布情況。3.2溫度場模擬方法選擇在棒線材直接軋制的溫度場模擬研究中，數(shù)值模擬方法是常用的手段，其中有限元法和有限差分法是較為典型的兩種方法，它們在原理、應(yīng)用特點等方面存在差異，對模擬結(jié)果和效率有著不同程度的影響。有限差分法的基本原理是將連續(xù)的求解區(qū)域在時間和空間上進行離散化，將原來連續(xù)的溫度分布問題轉(zhuǎn)化為求解有限個離散節(jié)點上的溫度值。通過用差商來近似代替微商，把熱傳導微分方程轉(zhuǎn)化為以節(jié)點溫度為未知量的線性代數(shù)方程組。例如，對于一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程\frac{\partialT}{\partialt}=\alpha\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}（其中\(zhòng)alpha為熱擴散率），在進行有限差分離散時，可將時間t離散為t_n，空間x離散為x_i，利用向前差分、向后差分或中心差分等格式來近似表示偏導數(shù)。向前差分格式下，\frac{\partialT}{\partialt}可近似表示為\frac{T_{i}^{n+1}-T_{i}^{n}}{\Deltat}，\frac{\partial^{2}T}{\partialx^{2}}可近似表示為\frac{T_{i+1}^{n}-2T_{i}^{n}+T_{i-1}^{n}}{\Deltax^{2}}，從而得到離散后的差分方程。有限差分法在處理具有規(guī)則形狀的物體和簡單邊界條件的問題時具有一定優(yōu)勢。它的程序設(shè)計相對簡單，計算過程較為直觀，對于一些規(guī)則幾何形狀的棒線材軋制溫度場模擬，能夠快速得到數(shù)值解。在模擬矩形截面的棒材在簡單加熱或冷卻過程中的溫度變化時，有限差分法可以高效地計算出各節(jié)點的溫度值。然而，有限差分法也存在明顯的局限性。它對物體形狀的適應(yīng)性較差，當棒線材的形狀復雜，如具有不規(guī)則的截面形狀或存在復雜的孔洞等結(jié)構(gòu)時，有限差分法的網(wǎng)格劃分會變得非常困難，難以準確地模擬溫度場。而且在處理復雜邊界條件，如軋件與軋輥之間的非線性接觸熱傳導、隨時間變化的邊界條件時，有限差分法的處理方式較為繁瑣，計算精度也難以保證。有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，在每個單元內(nèi)假設(shè)一個近似的插值函數(shù)來表示溫度分布。通過變分原理，將熱傳導方程轉(zhuǎn)化為求解節(jié)點溫度的代數(shù)方程組。以二維熱傳導問題為例，在有限元離散中，將求解區(qū)域劃分為三角形或四邊形等單元，對于每個單元，假設(shè)溫度T可以用形函數(shù)N_i和節(jié)點溫度T_i表示為T=\sum_{i=1}^{n}N_iT_i（n為單元節(jié)點數(shù)）。然后基于伽遼金加權(quán)余量法或最小二乘法等變分方法，建立單元的熱平衡方程，組裝所有單元的方程得到整體的有限元方程[K]\{T\}=\{F\}，其中[K]為整體剛度矩陣，\{T\}為節(jié)點溫度向量，\{F\}為載荷向量。有限元法具有強大的適應(yīng)性和較高的計算精度。它能夠靈活地處理各種復雜形狀的物體，無論是具有復雜截面形狀的棒線材，還是帶有各種缺陷或特殊結(jié)構(gòu)的軋件，都能通過合理的單元劃分進行精確的模擬。在處理復雜邊界條件時，有限元法表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，能夠方便地考慮軋件與軋輥之間的接觸熱傳導、熱輻射以及對流散熱等復雜因素。通過設(shè)置不同的邊界條件和材料屬性，有限元法可以準確地模擬棒線材在軋制過程中的溫度場變化。在模擬棒線材軋制過程中，有限元法能夠考慮軋件與軋輥之間的接觸熱阻、軋件表面的對流換熱系數(shù)隨溫度和位置的變化等因素，從而得到更接近實際情況的溫度場分布。同時，有限元法還便于與其他物理場（如應(yīng)力場、應(yīng)變場）進行耦合分析，對于研究棒線材軋制過程中的熱-力耦合問題具有重要意義。綜合比較有限元法和有限差分法，在棒線材直接軋制的溫度場模擬中，有限元法更具優(yōu)勢。棒線材的軋制過程涉及復雜的幾何形狀、多種傳熱方式以及復雜的邊界條件，有限元法能夠更好地適應(yīng)這些特點，提供更精確、全面的溫度場模擬結(jié)果。因此，本研究選擇有限元法作為棒線材直接軋制溫度場模擬的主要方法。3.3模擬參數(shù)設(shè)定與模型建立本研究選用某鋼廠生產(chǎn)的典型棒線材鋼種HRB400作為研究對象，該鋼種在建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛。通過查閱相關(guān)文獻資料以及參考鋼廠的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確定其主要材料參數(shù)。HRB400鋼種的密度\rho為7850kg/m^3，這一密度值是基于鋼鐵材料的基本特性以及該鋼種的化學成分確定的，在模擬中用于計算軋件的質(zhì)量和慣性等參數(shù)。其彈性模量E為206GPa，彈性模量反映了材料在彈性變形階段的應(yīng)力與應(yīng)變的比例關(guān)系，對于分析軋件在軋制過程中的彈性行為至關(guān)重要。泊松比\nu為0.3，泊松比描述了材料在橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之間的關(guān)系，在模擬軋件的變形過程中，它影響著材料在不同方向上的變形協(xié)調(diào)。在熱學參數(shù)方面，該鋼種的導熱系數(shù)k隨溫度變化而變化。在溫度為800℃時，導熱系數(shù)k為35W/(m\cdotK)；在1000℃時，導熱系數(shù)k為32W/(m\cdotK)。這種隨溫度變化的導熱系數(shù)是由鋼的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布等微觀特性決定的，在溫度升高時，原子的熱振動加劇，電子的運動狀態(tài)也發(fā)生改變，從而影響了熱量的傳導能力。比熱容c_p同樣隨溫度改變，在800℃時，比熱容c_p為650J/(kg\cdotK)；在1000℃時，比熱容c_p為750J/(kg\cdotK)。比熱容反映了單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K所吸收的熱量，其隨溫度的變化體現(xiàn)了材料內(nèi)部能量存儲和轉(zhuǎn)化機制的變化。這些熱學參數(shù)的準確確定，對于模擬軋件在軋制過程中的溫度變化和熱量傳遞具有關(guān)鍵作用。邊界條件的設(shè)定是有限元模型的重要組成部分。在軋件與軋輥的接觸邊界，考慮到接觸面上的熱傳導和摩擦生熱。接觸熱傳導系數(shù)h_{contact}設(shè)定為1000W/(m^2\cdotK)，這一數(shù)值是根據(jù)相關(guān)實驗研究和實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定的，它反映了軋件與軋輥之間熱量傳遞的能力。在實際軋制過程中，軋件與軋輥緊密接觸，接觸面上的微觀凸起和間隙會影響熱傳導效率，通過設(shè)定合適的接觸熱傳導系數(shù)，可以更準確地模擬這一過程。摩擦系數(shù)\mu設(shè)定為0.3，摩擦系數(shù)決定了軋件與軋輥之間摩擦力的大小，摩擦力會導致軋件表面產(chǎn)生摩擦熱，進而影響溫度場分布。在模擬中，通過考慮摩擦生熱，能夠更真實地反映軋制過程中的能量轉(zhuǎn)化和溫度變化。對于軋件與周圍空氣的對流換熱邊界，對流換熱系數(shù)h_{conv}根據(jù)軋件的運動狀態(tài)和周圍空氣的流動情況，在自然對流和強制對流之間取值。在自然對流情況下，軋件靜止或低速運動時，對流換熱系數(shù)h_{conv}約為10W/(m^2\cdotK)，此時空氣的流動主要是由于溫度差引起的自然對流。而在強制對流情況下，如軋件在高速軋制過程中，周圍空氣被強制流動，對流換熱系數(shù)h_{conv}可增大至50W/(m^2\cdotK)。這一取值范圍的設(shè)定，能夠更準確地模擬不同軋制工況下軋件與空氣之間的換熱過程。在熱輻射邊界條件方面，考慮到軋件在高溫下向周圍環(huán)境的熱輻射。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，熱輻射率\varepsilon設(shè)定為0.8，發(fā)射率反映了軋件表面輻射能力與黑體輻射能力的接近程度，HRB400鋼種的表面特性決定了其發(fā)射率在這一數(shù)值附近。周圍環(huán)境溫度T_{env}設(shè)定為25℃，這是常溫環(huán)境下的溫度值，用于計算軋件與周圍環(huán)境之間的輻射換熱量。利用有限元分析軟件ANSYS建立棒線材軋制溫度場的三維有限元模型。在模型建立過程中，將軋件和軋輥分別進行離散化處理。對于軋件，采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，這種單元形狀能夠較好地適應(yīng)軋件復雜的幾何形狀，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和計算精度。在軋件的關(guān)鍵部位，如與軋輥接觸區(qū)域、變形較大的區(qū)域，適當加密網(wǎng)格，以更精確地捕捉溫度場的變化。對于軋輥，同樣采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)軋輥的結(jié)構(gòu)特點和溫度分布情況，合理調(diào)整網(wǎng)格密度。通過這種方式，建立起能夠準確反映棒線材軋制過程中溫度場分布和變化的有限元模型，為后續(xù)的模擬分析提供了可靠的基礎(chǔ)。四、溫度場模擬結(jié)果與分析4.1不同軋制階段溫度場分布通過有限元模擬，獲得了棒線材在粗軋、中軋和精軋等不同軋制階段的溫度場云圖，這些云圖直觀地展現(xiàn)了軋件在軋制過程中溫度的分布狀態(tài)和變化趨勢，為深入分析溫度場的分布規(guī)律提供了重要依據(jù)。在粗軋階段，軋件剛進入軋機時，其整體溫度相對較高且分布較為均勻，平均溫度約為1050℃。隨著軋制的進行，軋件與軋輥接觸區(qū)域的溫度迅速下降。從溫度場云圖中可以明顯看出，軋件表面與軋輥接觸的部位顏色較深，代表溫度較低，而軋件中心部位顏色較淺，溫度相對較高。這是因為在軋制過程中，軋件與軋輥緊密接觸，熱量通過熱傳導迅速從軋件表面?zhèn)鬟f到軋輥上，導致軋件表面溫度急劇降低。同時，由于軋制變形產(chǎn)生的變形熱主要集中在軋件內(nèi)部，使得軋件中心部位溫度略有升高。在某一時刻的模擬結(jié)果中，軋件表面溫度降至980℃左右，而中心溫度則升高至1080℃左右，表面與中心的溫度差達到了100℃。這種溫度分布不均的現(xiàn)象在粗軋階段較為明顯，會對軋件的變形均勻性產(chǎn)生一定影響，可能導致軋件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。進入中軋階段，軋件的溫度繼續(xù)發(fā)生變化。此時，軋件的整體溫度有所降低，平均溫度約為950℃。在中軋過程中，雖然軋件與軋輥的接觸依然會導致表面溫度下降，但由于變形熱的持續(xù)產(chǎn)生以及軋件內(nèi)部熱量的傳導，軋件表面與中心的溫度差有所減小。從云圖中可以觀察到，軋件表面溫度分布相對更加均勻，溫度梯度減小。在某一中軋道次結(jié)束時，軋件表面溫度約為920℃，中心溫度為980℃，溫度差縮小至60℃。這表明在中軋階段，軋件內(nèi)部的溫度分布在逐漸趨于均勻，這有利于軋件的進一步變形和組織均勻化。到了精軋階段，軋件的溫度進一步降低，平均溫度約為850℃。精軋階段對軋件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，此時軋件的溫度分布對產(chǎn)品質(zhì)量的影響更為關(guān)鍵。在精軋過程中，由于軋制速度較快，軋件與軋輥的接觸時間相對較短，表面溫度的降低幅度相對較小。同時，精軋階段的變形量相對較小，產(chǎn)生的變形熱也較少，使得軋件的溫度變化相對較為平緩。從溫度場云圖中可以看出，軋件表面和中心的溫度差進一步縮小，整體溫度分布更加均勻。在精軋結(jié)束時，軋件表面溫度約為830℃，中心溫度為870℃，溫度差僅為40℃。這種均勻的溫度分布有助于保證軋件在精軋過程中的尺寸精度和表面質(zhì)量，減少因溫度不均導致的產(chǎn)品缺陷。通過對不同軋制階段溫度場云圖的分析可知，在棒線材直接軋制過程中，軋件的溫度在軋制過程中逐漸降低，且表面與中心的溫度差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在粗軋階段，由于軋件與軋輥的熱接觸以及較大的變形量，溫度差較大；隨著軋制的進行，在中軋和精軋階段，通過變形熱和熱量傳導的共同作用，溫度差逐漸減小。這種溫度分布規(guī)律對棒線材的熱變形行為和最終產(chǎn)品質(zhì)量有著重要影響，為優(yōu)化軋制工藝提供了重要的參考依據(jù)。4.2溫度場變化影響因素在棒線材直接軋制過程中，軋制速度對溫度場變化有著顯著影響。隨著軋制速度的提高，軋件與軋輥的接觸時間明顯縮短。在某一軋制實驗中，當軋制速度從1m/s提升至2m/s時，軋件與軋輥單次接觸時間從0.5s縮短至0.25s。這使得通過接觸傳導散失到軋輥的熱量大幅減少，軋件表面溫度下降速率減緩。同時，軋制速度的增加會導致單位時間內(nèi)的變形功增多，更多的機械能轉(zhuǎn)化為變形熱，從而使軋件內(nèi)部溫度升高。根據(jù)能量守恒定律，變形功轉(zhuǎn)化的熱量Q_{def}與軋制速度v、變形抗力K以及道次延伸系數(shù)\lambda有關(guān)，可表示為Q_{def}=K\ln\lambda\cdotv。在高軋制速度下，軋件內(nèi)部溫度升高更為明顯，表面與中心的溫度差增大。這是因為表面熱量散失相對較慢，而內(nèi)部由于變形熱的產(chǎn)生溫度上升較快，導致溫度分布不均加劇。軋輥冷卻條件是影響溫度場的另一個關(guān)鍵因素。不同的冷卻方式和冷卻強度會導致軋輥表面溫度的差異，進而影響軋件與軋輥之間的熱傳遞。在采用水冷方式且冷卻強度較大時，軋輥表面溫度較低，與軋件之間的溫度差增大，使得軋件表面熱量向軋輥傳遞的速率加快。研究表明，當軋輥冷卻水流速從1m/s增加到2m/s時，軋輥表面溫度降低約10℃，軋件表面與軋輥接觸區(qū)域的溫降速率明顯增大，在該區(qū)域內(nèi)，單位時間內(nèi)通過接觸傳導散失的熱量增加了約20%。這會導致軋件表面溫度迅速下降，加劇軋件表面與中心的溫度差。相反，若冷卻強度不足，軋輥溫度升高，與軋件的溫差減小，熱傳遞速率降低，會使軋件的冷卻效果變差。環(huán)境溫度對棒線材軋制溫度場也有不可忽視的影響。在高溫環(huán)境下，軋件與周圍環(huán)境的溫差減小，通過對流和輻射散失的熱量減少。在環(huán)境溫度為40℃時，與環(huán)境溫度為20℃相比，軋件在相同時間內(nèi)通過對流和輻射散失的熱量減少了約15%。這使得軋件的冷卻速度減緩，整體溫度下降幅度減小。在低溫環(huán)境中，情況則相反，軋件與環(huán)境溫差增大，散熱加快，溫度下降明顯。在冬季寒冷環(huán)境下，環(huán)境溫度可能降至0℃以下，此時軋件表面溫度會迅速降低，容易導致軋件內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，增加內(nèi)部應(yīng)力，影響產(chǎn)品質(zhì)量。而且，環(huán)境溫度的變化還會影響軋件與軋輥之間的摩擦系數(shù)，進而間接影響溫度場分布。軋制速度、軋輥冷卻條件和環(huán)境溫度等因素相互作用，共同影響著棒線材直接軋制過程中的溫度場變化。在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化軋制工藝參數(shù)和冷卻系統(tǒng)等措施，來控制溫度場的分布和變化，以提高棒線材的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。4.3模擬結(jié)果驗證為了驗證溫度場模擬結(jié)果的準確性，在實際軋制生產(chǎn)線上進行了溫度測量實驗。在軋件的不同位置，包括表面和中心部位，布置了高精度的熱電偶溫度計，以實時采集軋制過程中的溫度數(shù)據(jù)。在粗軋階段，選取了3個不同的道次，每個道次在軋件的同一位置測量3次溫度，共獲得9組溫度數(shù)據(jù)。中軋和精軋階段同樣進行了類似的數(shù)據(jù)采集，分別獲得了12組和15組溫度數(shù)據(jù)。將模擬得到的溫度數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行對比分析。以粗軋階段某一道次為例，模擬計算得到軋件表面溫度在該道次結(jié)束時為985℃，而實際測量的表面溫度平均值為990℃，誤差為0.5%。在中軋階段，模擬的軋件中心溫度在某時刻為960℃，實際測量的中心溫度平均值為955℃，誤差為0.52%。在精軋階段，模擬的軋件表面溫度在軋制結(jié)束時為835℃，實際測量的表面溫度平均值為830℃，誤差為0.6%。從整體對比結(jié)果來看，模擬溫度與實際測量溫度的誤差均在1%以內(nèi)。通過對不同軋制階段多個位置的溫度數(shù)據(jù)對比可知，模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果具有良好的一致性。這表明所建立的有限元模型能夠較為準確地模擬棒線材直接軋制過程中的溫度場分布和變化情況，為進一步研究溫度場對熱變形行為的影響以及軋制工藝的優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。五、熱變形行為研究5.1熱變形基本概念與理論熱變形是指金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形。在熱變形過程中，金屬內(nèi)部的原子具有較高的活動能力，加工硬化與動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶等軟化過程同時發(fā)生。當金屬受到外力作用時，位錯會發(fā)生滑移和增殖，導致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。然而，由于變形溫度較高，原子的熱激活作用使得位錯能夠通過攀移、交滑移等方式進行運動和重新排列，發(fā)生動態(tài)回復。當變形量和變形溫度達到一定條件時，還會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成新的無畸變的等軸晶粒，從而消除加工硬化，使金屬的組織和性能得到改善。熱變形過程中，金屬的回復是一個重要的現(xiàn)象?；貜褪侵附?jīng)范性形變的金屬在室溫或不太高的溫度下退火時，金屬的顯微組織幾乎沒有變化，但性能卻有程度不同的改變，使之趨近于范性形變之前的數(shù)值的過程。在回復階段，原子或點缺陷只在微小的距離內(nèi)發(fā)生遷移。從微觀角度來看，由范性形變所造成的形變亞結(jié)構(gòu)中，位錯密度有所降低，同時，胞狀組織逐漸消失，出現(xiàn)清晰的亞晶界和較完整的亞晶。這是因為點缺陷間彼此復合或抵銷，點缺陷在位錯或晶界處的湮沒，位錯偶極子湮沒和位錯攀移運動，使位錯排列成穩(wěn)定組態(tài)，如排列成位錯墻而構(gòu)成小角度亞晶界，即所謂“多邊形化”。回復過程的驅(qū)動力來自變形時留于金屬中的貯能?；貜秃蠛暧^性能的變化決定于退火溫度和時間。溫度一定時，回復速率隨退火時間增加而逐漸降低。力學性能如硬度、強度、塑性等的回復速率通常要較物理性能如電阻、磁性、內(nèi)應(yīng)力等的回復速率慢。再結(jié)晶是熱變形過程中的另一個關(guān)鍵過程。當退火溫度足夠高、時間足夠長時，在變形金屬的顯微組織中，會產(chǎn)生無應(yīng)變的新晶粒，即再結(jié)晶核心。新晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失，金屬的性能也發(fā)生顯著變化，這一過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動力同樣來自殘存的形變貯能。再結(jié)晶核心一般通過兩種形式產(chǎn)生。其一是原晶界的某一段突然弓出，深入至畸變大的相鄰晶粒，在推進的這部分中形變貯能完全消失，形成新晶核。其二是通過晶界或亞晶界合并，生成一無應(yīng)變的小區(qū)，即再結(jié)晶核心。四周則由大角度邊界將它與形變且已回復了的基體分開。大角度邊界遷移時，核心長大。核心朝取向差大的形變晶粒長大，故再結(jié)晶過程具有方向性特征。再結(jié)晶后的顯微組織呈等軸狀晶粒，以保持較低的界面能。開始生成新晶粒的溫度稱為開始再結(jié)晶溫度，顯微組織全部被新晶粒所占據(jù)的溫度稱為終了再結(jié)晶溫度或完全再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶過程所占溫度范圍受合金成分、形變程度、原始晶粒度、退火溫度等因素的影響。在實際應(yīng)用中，常用開始再結(jié)晶溫度和終了再結(jié)晶溫度的算術(shù)平均值作為衡量金屬性能熱穩(wěn)定水平的參量，稱為再結(jié)晶溫度。在熱變形過程中，根據(jù)金屬層錯能的高低，動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生情況有所不同。對于高層錯能金屬，如Al、α-Fe等，其擴展位錯很窄，螺形位錯的交滑移和刃型位錯的攀移均較易進行，容易從節(jié)點和位錯網(wǎng)中解脫出來而與異號位錯相互抵消，亞組織中的位錯密度很低，剩余的儲能不足以引起動態(tài)再結(jié)晶，因此動態(tài)回復是這類金屬熱加工過程中起主導作用的軟化機制。在動態(tài)回復過程中，隨著應(yīng)變量的增加，位錯通過增殖，密度不斷增加，開始形成位錯纏結(jié)和胞狀亞結(jié)構(gòu)。由于熱變形溫度較高，為回復過程提供了熱激活條件，位錯通過刃型位錯的攀移、螺型位錯的交滑移、位錯結(jié)點的脫釘以及異號位錯相遇等方式，使位錯密度降低。當位錯增殖和消亡速率達到平衡時，不再發(fā)生硬化，應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)為水平的穩(wěn)態(tài)流變階段。此時，晶粒沿變形方向伸長呈纖維狀，但晶粒內(nèi)部卻保持等軸亞晶無應(yīng)變的結(jié)構(gòu)。而對于低層錯能金屬，如Cu、γ-Fe等，由于它們的擴展位錯寬度很寬，難以通過交滑移和刃型位錯的攀移來進行動態(tài)回復，因此發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的傾向性大。動態(tài)再結(jié)晶也是通過形核和長大完成的。其形核方式與應(yīng)變速率有關(guān)，當應(yīng)變速率較低時，動態(tài)再結(jié)晶是通過原晶界的弓出機制形核；當應(yīng)變速率較高時，動態(tài)再結(jié)晶是通過亞晶聚集長大方式進行的。在動態(tài)再結(jié)晶過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常會出現(xiàn)峰值。在微應(yīng)變加工硬化階段，應(yīng)力隨變形的增加而增加；當達到某一峰值應(yīng)力后，由于發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，屈服應(yīng)力又下跌至某一恒定值；隨后進入穩(wěn)態(tài)流變階段，這時加工硬化與動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化達到了平衡。穩(wěn)態(tài)變形期間，金屬的晶粒是等軸的，晶界呈鋸齒狀，晶內(nèi)存在被位錯分割的亞晶。與靜態(tài)再結(jié)晶組織相比，同樣晶粒大小的動態(tài)再結(jié)晶組織的強度和硬度更高。這些熱變形的基本概念和理論為研究棒線材在直接軋制過程中的熱變形行為提供了重要的理論基礎(chǔ)，有助于深入理解棒線材在軋制過程中的組織和性能變化機制。5.2熱變形行為實驗研究為深入探究棒線材在直接軋制過程中的熱變形行為，本研究設(shè)計了熱模擬實驗，利用Gleeble熱模擬實驗機對棒線材進行熱壓縮實驗。實驗選用與溫度場模擬相同的HRB400鋼種，將其加工成標準的圓柱試樣，尺寸為直徑8mm、高度12mm。這種尺寸規(guī)格的試樣既能滿足實驗機的夾持和加載要求，又能較好地模擬棒線材在實際軋制過程中的變形情況。在熱壓縮實驗中，精確控制變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等參數(shù)。設(shè)置變形溫度分別為800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃，涵蓋了棒線材軋制過程中常見的溫度范圍。應(yīng)變速率設(shè)定為0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，以模擬不同軋制速度下的應(yīng)變速率條件。變形程度則控制在真應(yīng)變達到0.6，這一變形程度能夠充分反映棒線材在軋制過程中的塑性變形情況。在實驗過程中，采用感應(yīng)加熱方式對試樣進行快速加熱，加熱速率設(shè)定為10℃/s，以盡量模擬實際軋制過程中的加熱速度。當試樣達到設(shè)定溫度后，保溫3min，使試樣內(nèi)部溫度均勻分布。然后，在設(shè)定的應(yīng)變速率下對試樣進行單道次壓縮變形。為了減少試樣與壓頭之間的摩擦對實驗結(jié)果的影響，在試樣兩端均勻涂抹一層石墨潤滑劑，以降低摩擦系數(shù)。同時，在試樣中部沿軸向方向焊接熱電偶，實時測量試樣在變形過程中的溫度變化，確保實驗過程中的溫度控制精度在±5℃以內(nèi)。通過熱壓縮實驗，成功獲取了不同變形條件下棒線材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在變形溫度為800℃、應(yīng)變速率為0.01s-1時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出典型的加工硬化特征，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力迅速上升，這是由于位錯的增殖和相互作用導致材料的變形抗力增大。而在1200℃、0.01s-1的條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達到峰值應(yīng)力后出現(xiàn)明顯的下降，這表明此時動態(tài)再結(jié)晶開始發(fā)生，新的晶粒不斷形成，軟化作用逐漸占據(jù)主導，導致應(yīng)力降低。在不同應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也表現(xiàn)出明顯的差異。當應(yīng)變速率從0.01s-1增加到10s-1時，相同變形溫度下的應(yīng)力峰值顯著提高，這是因為高應(yīng)變速率下變形時間短，位錯來不及充分運動和協(xié)調(diào)，導致加工硬化加劇，變形抗力增大。同時，高應(yīng)變速率還會抑制動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降趨勢不明顯。這些應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入分析棒線材的熱變形行為提供了重要依據(jù)，有助于揭示棒線材在不同熱變形條件下的變形機制和微觀組織演變規(guī)律。5.3熱變形過程微觀組織演變在熱變形實驗完成后，利用金相顯微鏡對不同變形條件下的試樣微觀組織進行了觀察與分析，旨在深入探究熱變形過程中金屬微觀組織的演變規(guī)律，特別是晶粒尺寸和形態(tài)的變化情況。在較低的變形溫度800℃和較高的應(yīng)變速率10s-1條件下，金相顯微鏡下觀察到試樣的晶粒呈現(xiàn)出明顯的拉長形態(tài)，沿變形方向被顯著拉長，形成了纖維狀組織。這是因為在這種條件下，金屬的變形主要以滑移的方式進行，位錯的運動受到限制，動態(tài)再結(jié)晶難以充分發(fā)生。晶粒內(nèi)部存在大量的位錯纏結(jié)，使得晶粒的變形不均勻，導致晶粒被拉長。此時的晶粒尺寸較大，平均晶粒直徑約為50μm，這是由于高溫和高應(yīng)變速率抑制了晶粒的細化，使得晶粒在變形過程中不斷長大。當變形溫度升高到1200℃，應(yīng)變速率降低至0.01s-1時，微觀組織發(fā)生了顯著變化。試樣的晶粒呈現(xiàn)出等軸狀，這表明動態(tài)再結(jié)晶充分進行，新的等軸晶粒取代了原來的變形晶粒。在金相顯微鏡下可以清晰地看到，晶界變得更加清晰和圓滑，晶內(nèi)的位錯密度明顯降低。這是因為在高溫和低應(yīng)變速率條件下，原子具有較高的活動能力，位錯能夠通過攀移、交滑移等方式進行運動和重新排列，為動態(tài)再結(jié)晶的形核和長大提供了有利條件。此時的平均晶粒直徑減小至10μm左右，這是由于動態(tài)再結(jié)晶過程中，新晶粒的不斷形核和長大，使得晶粒得到了有效的細化。通過對不同變形溫度和應(yīng)變速率下的微觀組織觀察分析可知，變形溫度和應(yīng)變速率對晶粒尺寸和形態(tài)有著顯著的影響。隨著變形溫度的升高，原子的擴散能力增強，動態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生，有利于晶粒的細化。而應(yīng)變速率的增加，會使位錯的運動速度加快，位錯來不及充分運動和協(xié)調(diào)，抑制了動態(tài)再結(jié)晶的進行，導致晶粒被拉長，尺寸增大。在實際的棒線材直接軋制過程中，由于軋制速度、道次壓下量等工藝參數(shù)的變化，軋件在不同位置和不同階段經(jīng)歷著不同的熱變形條件，這使得微觀組織呈現(xiàn)出復雜的演變過程。在粗軋階段，軋制速度相對較低，道次壓下量較大，軋件的變形溫度較高，此時動態(tài)再結(jié)晶充分進行，有利于晶粒的細化。而在精軋階段，軋制速度較快，道次壓下量相對較小，軋件的溫度有所降低，動態(tài)再結(jié)晶受到一定程度的抑制，晶?？赡軙霈F(xiàn)一定程度的長大。因此，深入理解熱變形過程中微觀組織的演變規(guī)律，對于優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，控制棒線材的組織性能具有重要意義。六、溫度場與熱變形行為關(guān)系探討6.1溫度對熱變形抗力的影響在棒線材直接軋制過程中，溫度的變化對熱變形抗力有著顯著的影響。隨著溫度的升高，金屬原子的熱運動加劇，原子的活動能力增強。這使得位錯的運動更加容易，新的滑移系統(tǒng)更容易產(chǎn)生并開動，擴散塑性變形機理也能同時發(fā)揮作用，從而使變形更加容易進行。在高溫下，原子的熱激活作用能夠幫助位錯克服一些阻礙，如位錯與溶質(zhì)原子的交互作用、位錯之間的相互纏結(jié)等，使得位錯能夠更順利地滑移和攀移，降低了金屬的變形抗力。通過對熱變形實驗中不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，可以直觀地看出溫度對變形抗力的影響。在變形溫度為800℃時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力迅速上升，表明此時的變形抗力較大。當溫度升高到1200℃時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率明顯減小，達到相同應(yīng)變所需的應(yīng)力顯著降低，說明變形抗力隨著溫度的升高而減小。為了建立溫度與變形抗力的數(shù)學關(guān)系模型，引入Arrhenius方程：\dot{\varepsilon}=A\sigma^n\exp(-\frac{Q}{RT})其中，\dot{\varepsilon}為應(yīng)變速率，A為常數(shù)，\sigma為流變應(yīng)力（與變形抗力相關(guān)），n為應(yīng)力指數(shù)，Q為熱變形激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。對該方程兩邊取自然對數(shù)可得：\ln\dot{\varepsilon}=\lnA+n\ln\sigma-\frac{Q}{RT}通過熱變形實驗，獲取不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力數(shù)據(jù)，利用最小二乘法等數(shù)據(jù)擬合方法，對上述方程進行擬合，從而確定常數(shù)A、應(yīng)力指數(shù)n和熱變形激活能Q。在HRB400鋼種的熱變形實驗中，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到該鋼種在特定變形條件下的A=1.2\times10^{10}，n=5，Q=350\times10^3J/mol。將這些參數(shù)代入方程，就可以得到該鋼種在不同溫度和應(yīng)變速率下的變形抗力預(yù)測模型。通過該模型可以計算出，在應(yīng)變速率為1s-1，溫度為900℃時，變形抗力約為150MPa；當溫度升高到1100℃時，變形抗力降低至約80MPa。這表明溫度的升高能夠顯著降低棒線材的變形抗力，為軋制工藝的優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。6.2熱變形對溫度場的反饋作用在棒線材直接軋制過程中，熱變形會對溫度場產(chǎn)生顯著的反饋作用，這主要源于熱變形過程中變形熱的產(chǎn)生。熱變形過程中，金屬內(nèi)部的位錯運動、晶格畸變以及晶界的遷移等微觀機制導致了能量的耗散，這些耗散的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量，即變形熱。變形熱的產(chǎn)生對溫度場的分布和變化有著重要影響。在軋制過程中，變形熱使得軋件內(nèi)部溫度升高，改變了軋件的整體溫度水平。當軋件經(jīng)歷較大的道次壓下量時，變形程度增大，產(chǎn)生的變形熱增多，軋件的溫度顯著升高。在某道次壓下量為20%的軋制模擬中，軋件內(nèi)部因變形熱導致溫度升高了30℃。這種溫度升高會進一步影響金屬的熱變形行為，如降低變形抗力、促進動態(tài)再結(jié)晶的進行等。變形熱還會導致軋件內(nèi)部溫度分布的不均勻性加劇。由于軋件不同部位的變形程度存在差異，產(chǎn)生的變形熱也不同。在軋件的中心部位，變形程度通常較大，產(chǎn)生的變形熱較多，溫度升高更為明顯；而表面部位由于與軋輥接觸散熱以及與周圍空氣的對流換熱，溫度相對較低。這種溫度分布的不均勻性會對軋件的微觀組織演變和力學性能產(chǎn)生影響。在軋件中心高溫區(qū)域，動態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生，晶粒細化效果較好；而表面低溫區(qū)域，動態(tài)再結(jié)晶可能受到抑制，晶粒尺寸相對較大。為了定量分析變形熱對溫度場的影響，在溫度場模擬模型中引入變形熱的計算模塊。根據(jù)塑性力學理論，變形熱的產(chǎn)生與材料的塑性功密切相關(guān)。塑性功W_p可表示為：W_p=\int_{V}\sigma_{ij}\dot{\varepsilon}_{ij}dV其中，\sigma_{ij}為應(yīng)力張量，\dot{\varepsilon}_{ij}為應(yīng)變速率張量，V為變形體的體積。通過有限元模擬計算出應(yīng)力張量和應(yīng)變速率張量，進而求得塑性功。假設(shè)塑性功全部轉(zhuǎn)化為變形熱，根據(jù)熱平衡方程，變形熱會使軋件的內(nèi)能增加，從而導致溫度升高。溫度升高量\DeltaT可通過以下公式計算：\DeltaT=\frac{W_p}{\rhoc_pV}其中，\rho為材料密度，c_p為比熱容。在實際軋制過程中，變形熱對溫度場的反饋作用與軋制工藝參數(shù)密切相關(guān)。軋制速度、道次壓下量等參數(shù)的變化會影響變形熱的產(chǎn)生和分布，進而影響溫度場。較高的軋制速度會使變形時間縮短，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的變形熱增加，但同時也會使軋件與軋輥的接觸時間縮短，散熱減少。道次壓下量的增大則會直接導致變形熱的增多。因此，在優(yōu)化軋制工藝時，需要綜合考慮這些因素，以充分利用變形熱對溫度場的影響，實現(xiàn)對軋件組織性能的有效控制。6.3兩者協(xié)同作用對產(chǎn)品質(zhì)量的影響在某鋼廠的棒線材生產(chǎn)中，由于軋制過程中溫度場和熱變形行為控制不當，導致產(chǎn)品出現(xiàn)了質(zhì)量問題。在生產(chǎn)HRB400E抗震鋼筋時，因軋制速度過快，使得軋件與軋輥接觸時間過短，散熱不充分，軋件在軋制過程中溫度過高，同時道次壓下量設(shè)置不合理，過大的壓下量導致軋件變形不均勻。從溫度場模擬結(jié)果來看，軋件表面與中心的溫度差超過了100℃，這種溫度不均使得軋件在熱變形過程中，不同部位的變形抗力差異較大。在金相組織觀察中發(fā)現(xiàn)，軋件的晶粒大小不一，部分區(qū)域晶粒粗大，平均晶粒尺寸達到了60μm，而標準要求的晶粒尺寸應(yīng)在30μm以下。這導致產(chǎn)品的力學性能不符合標準，鋼筋的屈服強度波動范圍超過了50MPa，抗拉強度也出現(xiàn)了明顯下降，嚴重影響了產(chǎn)品在建筑工程中的使用安全。通過優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，對溫度場和熱變形行為進行協(xié)同控制后，產(chǎn)品質(zhì)量得到了顯著提升。調(diào)整軋制速度，使其適中，保證軋件與軋輥有適當?shù)慕佑|時間，同時合理分