...和定压比热熔随温度变化的规律-基于SYSWELD的穿孔等离子弧焊接...
摘 要：利用有限元法模拟了中间坯在待温冷却过程中表面温度和中心温度的变化规律。计算结果表明，中间坯在冷却过程中表面和中心存在较大温差；实测钢板表面温度与计算钢板表面温度差值非常小。该计算结果可为正确制定TMCP工艺提供参考。
关键词：宽厚板；中间坯；有限元；TMCP
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.018
1 引言
宽厚板生产过程中，温度是影响钢板组织和性能的重要因素。现在高级别的宽厚板品种多数采用添加Nb微合金化设计，并结合TMCP工艺来提高钢材的强度、韧性和焊接性能。由于含Nb钢一般采用两阶段控轧方案，即再结晶控轧和非再结晶控轧。为了避免在非再结晶阶段温度设置不当，出现部分再结晶，所以搞清中间坯的温度变化规律是非常重要的，这也是正确设计TMCP工艺的前提，本文以一般宽厚板大批量生产的Q345E钢种为研究对象，采用有限元方法针对一定厚度的Q345E钢种中间坯温度变化规律进行了模拟分析。
2 有限元模型的建立分析
2.1 传热方程
对于二维平面问题，模拟分析中采用固体传热的基本控制方程[1]为：
式中，T为物体的瞬态温度，K；t为过程进行的时间，s；x和y分别为宽度方向和高度方向距离，m；ρ为中间坯的密度，kg/m3；CP为中间坯的比热容量，J/（kg·K）；K为中间坯的导热系数。
2.2 有限单元网格划分
由于钢板较长，假设沿钢板长度方向温度分布均匀，即可按二维传热问题处理，利用钢板的对称性，假设冷却方式对称，可取1/4横断面进行网格单元划分，模拟分析中采用4节点等分单元，所计算钢板的几何尺寸取现场实际生产中的中间坯尺寸：钢板宽度为2600mm，厚度为90mm。
2.3 中间坯的物性参数
钢铁材料的密度、比热、导热系数等物性参数都会随温度的变化而变化。由于密度随温度变化的变化量较小，所以可以认为密度是常数，模拟分析中取密度为7850 Kg /m3。帶钢的比热CP、导热系数K按照文献[2]中图表：导热系数与温度关系图、钢板比热与温度的关系查图表取值。
2.4 初始条件和边界条件处理
（1）初始条件：T（x ， y）| t=0=T0 ， T0为粗轧终轧温度， 取现场平均值1100℃；
（2）边界条件：由于中间坯在辊道上摆动时其冷却属于自然空冷过程，空冷过程中主要有对流和辐射两种传热方式，辊道导热不计，空冷时的综合换热系数可表示为[2， 3]：
式中，hw为空冷换热系数，W/（m2·K）；ε为辐射率 ；S为Stefan-Boltzman常数， W/（m2·K4） ；Ts为钢板表面温度；T0为环境温度，20℃。
3 中间坯的温度场模拟计算结果与分析
图1给出了中间坯表面温度和心部温度随时间变化的关系；从图1可以看出，在冷却开始时，中间坯表面温度急剧下降，而中心温度过一定时间后才开始下降，并且中心和表面形成较大温差；冷却一定时间后，中间坯表面温度和心部温度的差值趋于一定，同时表面和心部温度的下降速率越来越小。
实验中对现场轧制板带过程中间坯表面温度通过测温仪测量，与模拟分析结果比较，可以验证分析结果的正确性。图2给出了实际检测的中间坯表面温度与计算的中间坯表面温度随时间的变化关系，从图2可以看出，实际检测的中间坯表面温度与计算的中间坯表面温度随时间的变化规律一致，同时二者差值非常小，实测值与计算值最大相差1.3%，说明本文所采用的计算模型是正确的、可靠的，模拟结果分析可用于现场指导。
4 结论
（1）用有限元模拟了中间坯在空冷时温度随时间的变化关系，对空冷时中间坯的温度变化有一个直观的了解，对现场生产有一定的指导作用。
（2）中间坯在空冷过程中，表面与中心会形成较大的温差，对板坯的组织和性能有一定影响，所以在制定工艺时应考虑这个温差。
（3）用该方法计算的中间坯表面温度与实际检测的表面温度基本一样，证明可以用该方法计算板坯或钢板冷却过程中的温度变化。
参考文献：
[1]孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用[M].北京：科学出版社，1998：1-2.
[2]王国栋，吴国良，毕玉伟等译.日本钢铁协会.板带轧制理论与实践[M].北京：中国铁道出版社，1990：195-196.
[3]Hatta N，Oskabe H. Numerical modeling for cooling process of a moving hot plate by a laminar water curtain[J].ISIJ International，1989（29）：919.
作者简介：朱燕玉（1974-），女，湖南人，硕士研究生，高级工程师，教师，主要研究方向：材料加工工艺的研究。endprint
