帶鋼冷卻性能的有限元分析

帶鋼冷卻性能的有限元分析

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)日益增多。新板的許多高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)需要同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的冷結(jié)構(gòu)。因此，雙相或多相納米顆粒、貝氏體、馬體和剩余腺體的混合微組織已被確定為目標(biāo)。控制鋼帶在軋后輸出輥道上的冷卻速率,從而控制相變的歷程,是生產(chǎn)這類(lèi)鋼的重要環(huán)節(jié),這樣就對(duì)軋后的冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求,超快速冷卻裝置(UFC)應(yīng)運(yùn)而生。UFC系統(tǒng)比通常層流冷卻的導(dǎo)熱系數(shù)高得多,對(duì)于4mm薄板短時(shí)冷卻速率可達(dá)到300℃/s,該系統(tǒng)占地不長(zhǎng),僅7~12m,總用水量也不大,在軋后輸出輥道上的布置形式分為前置式(安裝在精軋出口)和后置式(安裝在卷取機(jī)前)。以前置式(圖1)為例,采用ANSYS有限元軟件,對(duì)處于UFC裝置下的鋼板作瞬態(tài)的熱力耦合模擬分析,計(jì)算出在超強(qiáng)冷卻條件下溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布,同時(shí)對(duì)處于常規(guī)層冷條件下的鋼板作同樣的模擬計(jì)算。1溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的有限模擬計(jì)算的結(jié)果1.1熱物性參數(shù)與溫度的關(guān)系材料的很多物理性質(zhì)與溫度有關(guān),需要在有限元計(jì)算時(shí)加以注意。圖2為材料的部分熱物性參數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖。圖中(a)、(b)、(c)、(d)分別為γ相、α相導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、平均線膨脹系數(shù)及楊氏模量與溫度的關(guān)系曲線。在模擬計(jì)算中采用的材料為碳鋼,碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,熱物性參數(shù)值如表1所示。1.2帶鋼與冷媒間的對(duì)流傳熱模型(1)認(rèn)為軋后帶鋼內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻,即模擬計(jì)算所采用模型的初始溫度均勻,這樣可以直接設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)的初始溫度值。(2)熱軋帶鋼在軋后冷卻區(qū)的換熱有帶鋼內(nèi)部和外部的熱傳導(dǎo)、冷卻水沖擊強(qiáng)制對(duì)流、空氣對(duì)流和熱輻射,還有材料相變產(chǎn)生的相變潛熱以及與輥道之間的熱傳導(dǎo)。有限元計(jì)算時(shí)忽略相變潛熱的影響,將其他換熱形式的影響歸結(jié)于帶鋼與外界冷媒間的對(duì)流換熱,即僅以對(duì)流換熱系數(shù)來(lái)表征帶鋼表面與冷媒間的換熱強(qiáng)度。(3)在實(shí)際的冷卻過(guò)程中,帶鋼運(yùn)行速度對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)有一定的影響,這里忽略這種影響,即視冷卻過(guò)程中帶鋼表面對(duì)流換熱系數(shù)為常數(shù)。(4)考慮材料為完全彈塑性體,并且終軋后內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻,認(rèn)為終軋平直后熱應(yīng)力為0。1.3冷媒溫度設(shè)定模擬計(jì)算采用有限元工具軟件ANSYS,利用直接耦合法進(jìn)行熱力耦合瞬態(tài)分析,單元類(lèi)型選定為二維的PLANE13單元,定解邊界條件為第三類(lèi)邊界條件,即冷媒的溫度及帶鋼表面的對(duì)流換熱系數(shù)已知。假定初始狀態(tài)時(shí)帶鋼溫度均勻?yàn)?50℃。常規(guī)層流冷卻情況下,施加于上下表面的對(duì)流換熱系數(shù)分別為5kW/(m2·K)和6kW/(m2·K),左右表面的對(duì)流換熱系數(shù)為2kW/(m2·K)。在UFC冷卻情況下,施加于上下表面的對(duì)流換熱系數(shù)分別為47kW/(m2·K)和50kW/(m2·K),左右表面的對(duì)流換熱系數(shù)為10kW/(m2·K)。冷媒溫度設(shè)為25℃,帶鋼厚度選定為20mm。圖3所示為常規(guī)層流冷卻和UFC冷卻時(shí)帶鋼橫斷面的溫度—時(shí)間曲線。圖4所示為常規(guī)層流冷卻和UFC冷卻時(shí)歷經(jīng)20s后橫斷面的應(yīng)力分布曲線。由圖3可知,對(duì)于選定的模型,在UFC冷卻條件下,橫斷面心部與上下表面溫度的差異最大時(shí)可以達(dá)到接近450℃,而常規(guī)冷卻時(shí)中心部位和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)發(fā)生的熱瞬態(tài)現(xiàn)象程度相對(duì)較小,故對(duì)大部分節(jié)點(diǎn)溫度偏差小于±30℃,發(fā)生在上下表面節(jié)點(diǎn)的熱瞬態(tài)僅會(huì)有200℃到250℃的溫度波動(dòng)。較大的溫度差異使UFC冷卻時(shí)橫斷面上熱應(yīng)力分布的差異較常規(guī)冷卻時(shí)大得多,UFC冷卻時(shí)上下表面拉應(yīng)力在數(shù)值上比常規(guī)冷卻時(shí)的值大104倍,沿厚度方向的熱應(yīng)力變化梯度也比常規(guī)冷卻時(shí)的大。2冷卻時(shí)殘余應(yīng)力和變形這里僅分析冷速較快而在帶鋼內(nèi)不伴隨有組織轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。冷速較快時(shí),帶鋼在冷卻時(shí)由于表層和內(nèi)部的冷卻狀態(tài)不同而有溫度差,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。圖4所示為表層R和心部K,隨時(shí)間的推移而產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及最終狀態(tài)的殘余應(yīng)力。首先當(dāng)表層和心部的溫度差逐漸達(dá)到最大的W狀態(tài)時(shí),其外表和心部的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力也隨之增加。經(jīng)W后,由于溫度差的減小,兩部分的應(yīng)力相應(yīng)減小。在到達(dá)W的時(shí)間內(nèi),外表層承受大的拉伸應(yīng)力并超過(guò)在該溫度下的屈服應(yīng)力。例如在W時(shí)的溫度差為600℃,兩者的熱膨脹應(yīng)變差為0.5%,所以表層在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形。圖示的曲線a為表層和心部完全處于彈性狀態(tài)時(shí)表層的應(yīng)力,曲線b為實(shí)際的應(yīng)力。應(yīng)力曲線b相當(dāng)于各種溫度下材料的屈服應(yīng)力。對(duì)于心部的應(yīng)力c來(lái)說(shuō)也是同樣的。進(jìn)而在經(jīng)過(guò)W以后,則不再發(fā)生塑性變形,隨著兩部分的溫度差的減小,應(yīng)力狀態(tài)在U處而發(fā)生反向。最終得到如圖4所示的外表為壓縮殘余應(yīng)力,心部為拉伸殘余應(yīng)力的狀態(tài)。熱應(yīng)力型的殘余應(yīng)力分布總是這樣的簡(jiǎn)單分布。此時(shí)對(duì)殘余應(yīng)力的大小起支配作用的是冷卻時(shí)的溫度差和這時(shí)材料的屈服強(qiáng)度。前者取決于材料的尺寸、材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及冷媒的冷卻能力。熱軋板帶在冷卻過(guò)程中,由于外表層先行冷卻,因而會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)產(chǎn)生塑性變形,這成為初始?xì)堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生原因。若伴有相變時(shí),由于體積變化和由此引起相變應(yīng)力發(fā)生,因之將進(jìn)一步疊加應(yīng)變,與此相應(yīng)殘余應(yīng)力也就產(chǎn)生了?？梢哉f(shuō)變形和殘余應(yīng)力皆為從同一原因中派生出來(lái)的。在冷卻過(guò)程中所造成的變形,一般分為如下3種類(lèi)型:體積變化、形狀的對(duì)稱變化和扭曲。體積變化是指形狀不變,通常只是各部分的尺寸發(fā)生同樣伸縮。形狀的對(duì)稱變化是在不同的方向上,分別出現(xiàn)對(duì)稱性的尺寸變化。扭曲是非對(duì)稱性的形狀變化,出現(xiàn)彎曲或扭轉(zhuǎn)之類(lèi)的變形情況。已經(jīng)知道變形的原因是由于冷卻時(shí)的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和相變膨脹所造成。但還應(yīng)考慮到與之有關(guān)的下列影響:熱應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)因材料成分和操作條件不同而異,即與材料的高溫屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和冷卻溫度的高低有關(guān);材料的高溫屈服應(yīng)力是合金鋼比碳鋼大,即便是成分相同,但若組織是奧氏體,或是在鐵素體的基體上含有滲碳體,其結(jié)果有明顯不同。3計(jì)算bis之過(guò)程現(xiàn)在知道帶鋼在較高溫度開(kāi)始超快速冷卻時(shí),可能會(huì)發(fā)生一定程度的變形,那么對(duì)于圖1所示的前置式UFC的使用,就會(huì)有一定的限定條件。在實(shí)際冷卻過(guò)程中沿帶鋼厚度方向的溫度分布不均勻,這種不均勻性隨帶鋼厚度的增加而增強(qiáng)。當(dāng)一塊平板的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度時(shí),長(zhǎng)度和寬度的邊緣向四周的散熱對(duì)平板內(nèi)的溫度分布影響很小,以致于可以把平板內(nèi)各點(diǎn)的溫度看作僅是厚度的函數(shù),這時(shí)該平板就是一塊“無(wú)限大”平板,從傳熱的角度就把問(wèn)題簡(jiǎn)化成了一維的。在許多工程應(yīng)用場(chǎng)合,這種假設(shè)是容許的。在傳熱第三類(lèi)邊界條件下,畢渥數(shù)具有固體內(nèi)部單位導(dǎo)熱面積上的導(dǎo)熱熱阻與單位表面積上的換熱熱阻(即外部熱阻)之比的意義,畢渥準(zhǔn)則Bi數(shù)越大,意味著表面上的換熱條件越強(qiáng),導(dǎo)致物體表面溫度越迅速地接近周?chē)橘|(zhì)的溫度。另外Bi數(shù)的大小還決定物體中溫度扯平的程度。例如對(duì)于平板,當(dāng)1/Bi>10時(shí),截面上的過(guò)余溫度差值已小于5%。若采用忽略物體內(nèi)部熱阻的簡(jiǎn)化分析,即用集總參數(shù)法作計(jì)算,誤差不大。集總參數(shù)法忽略內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻,認(rèn)為整個(gè)固體在同一瞬間均處于同一溫度下。這時(shí)所要求解的溫度僅是時(shí)間的一元函數(shù)而與坐標(biāo)無(wú)關(guān)。對(duì)于無(wú)限大平板,可以采用集總參數(shù)法的判斷條件。Bi=hsδλ＜0.1(1)Bi=hsδλ＜0.1(1)式中hs——表面換熱系數(shù);λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù);δ——帶鋼的半厚值。利用這個(gè)判定條件,另外考慮實(shí)際的生產(chǎn)情況,可以得出在前置式UFC冷卻條件下,當(dāng)帶鋼厚度小于6mm時(shí),厚度方向溫度不均勻性可忽略。也就是說(shuō),對(duì)于厚度小于6mm的帶鋼,可以采用前置式UFC裝置進(jìn)行超快速冷卻。當(dāng)厚度在6mm以上時(shí),厚度方向溫度不均勻性不可忽略,可考慮采用如圖5所示后置式UFC進(jìn)行超快速冷卻。帶鋼經(jīng)歷冷卻強(qiáng)度相對(duì)較低的常規(guī)層流冷卻之后,整體溫度較低,心部和表層的溫度差異較小,而且相變過(guò)程已近結(jié)束。這時(shí)可經(jīng)過(guò)短時(shí)的超快速冷卻來(lái)獲得較低的卷取溫度。由于UFC超快的冷卻能力,使用時(shí)會(huì)對(duì)熱軋后工序矯直設(shè)備及矯直工藝提出更高的要求,以確保產(chǎn)品的板形精度及使用性能。4冷卻條件的確定采用有限元分析工具,比較熱軋帶