汪賀模，蔡慶伍，余 偉，蘇 嵐

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

中厚板加速冷卻和直接淬火時(shí)冷卻能力研究

汪賀模，蔡慶伍，余 偉，蘇 嵐

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

為了確定加速冷卻或直接淬火時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的冷卻速率所需的對(duì)流換熱系數(shù)，利用MSC.MARC有限元分析軟件對(duì)Q345B中厚鋼板冷卻過程中溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算.確定了實(shí)現(xiàn)直接淬火條件下不同厚度(＞20 mm)鋼板的理論極限冷卻速率所需的對(duì)流換熱系數(shù)為15 000 W/(m2·℃)，并分析了冷卻速率與對(duì)流換熱系數(shù)、鋼板厚度之間關(guān)系.研究表明，對(duì)于同一厚度、材質(zhì)中厚鋼板，其冷卻速率隨對(duì)流換熱系數(shù)的增加而增大.超快速冷卻或直接淬火時(shí)，帶鋼冷卻速率隨對(duì)流換熱系數(shù)增加而顯著增加;對(duì)流換熱系數(shù)大于15 000 W/(m2·℃)時(shí)，厚度(＞30 mm)鋼板的冷卻速率基本不變，達(dá)到其物理極限冷卻速率;換熱系數(shù)增加，厚度方向上溫度梯度增加.

中厚板;對(duì)流換熱系數(shù);直接淬火;冷卻速率;溫度場(chǎng)

中厚板在線控制冷卻及淬火是上世紀(jì)80年代以來發(fā)展迅速的一項(xiàng)冷卻技術(shù).它是通過在線控制相變組織、細(xì)化組織以及其他強(qiáng)化機(jī)理相結(jié)合，降低合金含量，提高材料的強(qiáng)韌性及焊接性能，從而實(shí)現(xiàn)減量化制造、節(jié)約有限資源和節(jié)能減排的目標(biāo).直接淬火作為控制冷卻的極限結(jié)果，具有較高強(qiáng)度冷卻速率，早已被人們所認(rèn)識(shí).但由于存在鋼板冷卻均勻性和板形控制等問題，其潛在能力一直未得到充分發(fā)揮.為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，一些新技術(shù)相繼應(yīng)用到新型高強(qiáng)度冷卻設(shè)備上［1-2］.新型控制冷卻裝置一般兼有直接淬火和加速冷卻的雙重功能，即既能滿足軋后在線淬火的要求，又能勝任加速冷卻要求.直接淬火工藝通常作為子系統(tǒng)集成于具有高速冷卻能力的控冷系統(tǒng)中.目前，由于加速冷卻技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度厚板市場(chǎng)已出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，該領(lǐng)域中的新技術(shù)發(fā)展也受到限制.通過直接淬火+回火工藝可生產(chǎn)出高附加值和技術(shù)含量的厚板產(chǎn)品，如適用于焊接的高屈服強(qiáng)度鋼板、高強(qiáng)度壓力容器用鋼板等等，從而為生產(chǎn)廠家提高了競(jìng)爭(zhēng)力，直接淬火技術(shù)也受到了世界各國(guó)研究人員的廣泛重視［3-8］.生產(chǎn)實(shí)踐表明［9-12］，與傳統(tǒng)的再加熱淬火工藝相比，軋后直接淬火可提高鋼的淬透性、強(qiáng)度及韌性;可降低鋼中碳含量和碳當(dāng)量，從而提高鋼板的焊接性能;可免除二次加熱，簡(jiǎn)化工序，減少能耗，從而降低成本.淬火后的鋼材性能取決于其在淬火后的微觀組織，而淬火后的微觀組織決定于鋼材的成分和淬火冷卻速度等因素;同時(shí)，淬火過程熱應(yīng)力和組織應(yīng)力大小取決于冷卻速度和冷卻均勻性.因此，控制冷卻速度和冷卻均勻性對(duì)淬火工藝的優(yōu)化有著重要意義.為了更好地控制淬火過程的冷卻速度和冷卻均勻性，進(jìn)而使淬火工件得到預(yù)期的良好性能，對(duì)淬火過程中冷卻能力進(jìn)行研究是非常必要的.

1 鋼板溫度場(chǎng)有限元模擬研究

MSC.MARC有限元分析軟件熱分析基于能量守恒定律的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，進(jìn)而導(dǎo)出其他熱物理參數(shù).鋼板的冷卻過程屬于瞬態(tài)傳熱過程.考慮到冷卻過程中厚度方向?qū)α鲹Q熱顯著增強(qiáng)，可忽略橫向和縱向上的換熱影響.忽略相變潛熱的影響，鋼板冷卻過程的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程可描述為

式中:λ為鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);ρ為鋼板的密度，kg/m3;cp為比熱容，J/(kg·℃).

定解條件:

1)幾何條件(假設(shè)上、下面?zhèn)鳠嵯嗤?，?/2模型分析)為

2)初始條件為

t=0，T( Z，t)為開冷溫度;

3)邊界條件為

式中:Tw為水的溫度，℃;h為綜合對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃).

2 模擬結(jié)果及分析

利用有限元工具軟件MSC.MARC，對(duì)冷卻過程中不同厚度Q345B鋼板溫度場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)分析，單元類型為PLANAR 39，計(jì)算過程中考慮了材料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化情況.定解條件為第3類邊界條件，即冷卻水溫(20℃)及鋼板表面的對(duì)流換熱系數(shù).

2.1 冷卻速率與對(duì)流換熱系數(shù)關(guān)系

對(duì)于帶鋼，普通層流冷卻過程中的綜合對(duì)流換熱系數(shù)約為1 000～2 800 W/(m2·℃)［13］，其冷卻速率通常在25℃/s以下.2001年，比利時(shí)的CRM率先開發(fā)的超快速冷卻系統(tǒng)，可以對(duì)4 mm熱軋帶鋼實(shí)現(xiàn)300℃/s的超快速冷卻［14］.根據(jù)現(xiàn)有具備直接在線淬火功能的冷卻器的冷卻能力分析，同厚度鋼板的極限冷卻速率各不相同［2，15-16］.其中，JFE研發(fā)的冷卻裝置 SUPEROLAC，可以對(duì)30 mm以上厚板實(shí)現(xiàn)理論上的極限冷卻速率.為了確定不同冷卻方式下冷卻速率與對(duì)流換熱系數(shù)之間關(guān)系，選取鋼板厚度的1/4處節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)不同換熱系數(shù)下鋼板溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬.

圖1為不同厚度下對(duì)流換熱系數(shù)與冷卻速率的關(guān)系.對(duì)于 4 mm帶鋼，對(duì)流換熱系數(shù)為7 000 W/(m2·℃)可以實(shí)現(xiàn)300℃/s超快速冷卻，如圖1(a)所示.從圖1(b)曲線中可以看出，對(duì)流換熱系數(shù)為15 000 W/(m2·℃)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)直接淬火條件下不同厚度鋼板的理論極限冷卻速率.

從圖1中可以看出，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增加，鋼板的冷卻速率增加，其冷卻速率增加梯度逐漸減小.對(duì)流換熱系數(shù)為3 000～7 000 W/(m2·℃) (超快速冷卻)時(shí)，鋼板冷卻速率隨對(duì)流換熱系數(shù)增加而顯著增加;對(duì)于厚板(＞30 mm)，對(duì)流換熱系數(shù)大于15 000 W/(m2·℃)時(shí)，鋼板的冷卻速率變化較小.這說明，對(duì)于同一厚度、材質(zhì)的鋼板，其冷卻速率不可能無限制的提高.根據(jù)傳熱學(xué)理論，鋼板的冷卻過程還受鋼板本身熱物性的影響，尤其是導(dǎo)熱系數(shù)的影響.對(duì)于帶鋼，換熱系數(shù)增加，其冷卻速率增加的幅度較大.對(duì)流換熱系數(shù)為7 000～15 000 W/(m2·℃)(直接淬火)時(shí)，對(duì)3～6 mm帶鋼可以實(shí)現(xiàn)200～800℃/s超快速冷卻.

2.2 冷卻速率與鋼板厚度關(guān)系

圖2為不同換熱系數(shù)下冷卻速率與鋼板厚度的關(guān)系.從圖2可以看出，隨著鋼板的厚度的增加，鋼板冷卻速率減小，且曲線的斜率減小.對(duì)于同一厚度、材質(zhì)鋼板，鋼板的冷卻速率隨著對(duì)流換熱系數(shù)增大而增大，鋼板厚度越小變化越顯著.

圖1 冷卻速率與對(duì)流換熱系數(shù)關(guān)系

圖2 冷卻速率與鋼板厚度關(guān)系

2.3 溫降曲線

為了比較不同冷卻方式下鋼板溫度場(chǎng)的分布，分別選取2種對(duì)流換熱系數(shù)h1= 5 000 W/(m2·℃)、h2=15 000 W/(m2·℃)，對(duì)25 mm鋼板溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算.圖3為不同換熱系數(shù)下溫度場(chǎng)分布，可以看到，對(duì)流換熱系數(shù)為15 000 W/(m2·℃)時(shí)，鋼板開始冷卻1 s內(nèi)，表面溫度急速下降到500℃以下，而中心溫度基本不變，表面與中心溫度差最大值為550℃;換熱系數(shù)為5 000 W/(m2·℃)時(shí)，其溫差最大達(dá)360℃.對(duì)流換熱系數(shù)越小，鋼板厚度方向溫度分布越均勻，表面與中心溫差越小.

圖3 不同換熱系數(shù)下25 mm厚板溫度場(chǎng)分布

溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，冷卻強(qiáng)度越大，中厚板厚度方向溫度分布越不均勻.與超快速冷卻相比，直接淬火條件下中厚板冷卻速率較大，同時(shí)厚度方向溫度梯度也較大.鋼板溫度不均勻?qū)?huì)影響到其內(nèi)部組織均勻性;過大的溫度梯度還會(huì)出現(xiàn)可視或潛在不良板形問題.因此，淬火后鋼板溫度均勻性是決定直接淬火裝置能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.

3 結(jié)論

1)對(duì)流換熱系數(shù)為7 000 W/(m2·℃)可以對(duì)4 mm帶鋼實(shí)現(xiàn)300℃/s超快速冷卻;對(duì)流換熱系數(shù)為15 000 W/(m2·℃)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)直接淬火條件下不同厚度鋼板的理論極限冷卻速率;對(duì)流換熱系數(shù)為7 000～15 000 W/(m2·℃)時(shí)，對(duì)3～6 mm帶鋼可以實(shí)現(xiàn)200～800℃/s超快速冷卻.

2)對(duì)于同一厚度、材質(zhì)鋼板，對(duì)流換熱系數(shù)增加，其冷卻速率增加.超快速冷卻或直接淬火時(shí)，帶鋼隨對(duì)流換熱系數(shù)增加而顯著地增加;對(duì)流換熱系數(shù)大于 15 000 W/(m2·℃)時(shí)，厚度(＞30 mm)鋼板的冷卻速率基本不變，達(dá)到其物理極限冷卻速率.

3)對(duì)于同一厚度、材質(zhì)鋼板，對(duì)流換熱系數(shù)增大，其冷卻速率增大;同時(shí)厚度方向溫度分布越不均勻，表面與中心溫差增大.淬火后鋼板溫度均勻性對(duì)直接淬火裝置推廣應(yīng)用有重要的影響.

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Study on cooling capacity of steel plate during accelerated cooling and direct quenching

WANG He-mu，CAI Qing-wu，YU Wei，SU Lan
(School of Material Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

To confirm the heat transfer coefficient corresponding to cooling rates during accelerated cooling or direct quenching，the temperature field of Q345B steel plate during cooling process was simulated by MSC. MARC.When the plate thicknesses＞20 mm，the heat transfer coefficient is 15 000 W/(m2·℃)，which realizes the theoretical limit cooling rate.The relationship of cooling rate，plate thickness and convection heat transfer coefficient was also analyzed.The results show that the cooling rate of the steel plate increases with the increasing of convection heat transfer coefficient for the same plate thickness.For a 3～6 mm steel strip，the cooling rate increases drastically faster with the increasing of convection heat transfer coefficient during accelerated cooling or direct quenching.Beyond the convection heat transfer coefficient of 15 000 W/(m2·℃)，the cooling rate of the steel plates(＞30 mm)changes slightly，which substantially equals to the physical limit cooling rate.With the increasing of convection heat transfer coefficient，the temperature gradient along the thickness direction is increased.

steel plate;convection heat transfer coefficient;direct quenching;cooling rate;temperature field

TG335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-0299(2012)02-0012-04

2011-08-11.

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAE03A06).

汪賀模(1981-)，男，博士研究生;

蔡慶伍(1955-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

蔡慶伍，E-mail:caiqw@nercar.ustb.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)