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      鋼管空冷模擬計(jì)算及軟件開發(fā)

      2018-03-26 01:05:54顧順杰竇志超
      四川冶金 2018年6期
      關(guān)鍵詞:冷速模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置

      顧順杰,竇志超,姚 勇

      (天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津300301)

      為了進(jìn)一步提高工藝分析和產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),需要提前預(yù)知其工藝特性及產(chǎn)品性能,熱處理過程對于調(diào)質(zhì)類和正火類鋼管的性能尤為關(guān)鍵,為了對熱處理的過程及結(jié)果進(jìn)行提前預(yù)測,需要對熱處理過程進(jìn)行數(shù)值模擬,利用計(jì)算機(jī)仿真熱處理過程,這一技術(shù)在國內(nèi)外已有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展[1-5]。由于鋼管的加熱狀態(tài)是確定的,淬火過程一般采用水淬,冷卻速度相對較快,因此模擬計(jì)算的意義不大,而不同規(guī)格的鋼管在空冷時(shí)的冷卻速度是不一樣的,這對鋼的組織和性能影響較大,因此對鋼管空冷過程的冷卻狀況進(jìn)行模擬計(jì)算是非常必要的,結(jié)合相應(yīng)鋼種的CCT曲線就可以預(yù)知其組織和性能,這對新產(chǎn)品開發(fā)和正火類鋼管的工藝控制具有較大意義。

      1 數(shù)值計(jì)算模型

      1.1 傳熱方程的建立

      鋼管的空冷在鋼管自身主要為傳導(dǎo)傳熱,鋼管內(nèi)外壁主要為輻射傳熱和自然對流傳熱。首先建立坐標(biāo),對于圓形鋼管,采用極坐標(biāo)[6],鋼管的圓心為0點(diǎn),沿半徑方向?yàn)閞軸,示意圖見圖1。

      圖1 計(jì)算坐標(biāo)示意圖

      首先,為了使問題簡化,需做如下假設(shè):

      1)忽略長度及周長方向的傳熱,簡化為沿半徑方向的一維非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)傳熱;

      2)熱物性(比熱容、密度等)參數(shù)為溫度的分段常數(shù);

      3)由于鋼的固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變焓較小,忽略鋼奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)的相變焓;

      通過以上假設(shè),得到二維非穩(wěn)態(tài)傳熱方程式(1):

      式中:ρ— 鋼的密度,kg/m3;

      λ— 導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);

      CP— 比熱,J/(kg·℃);

      T—溫度,℃;

      τ— 時(shí)間,s;

      r—半徑,m。

      初始條件:τ=0,T=初始規(guī)定溫度;邊界條件為輻射+空氣自然對流換熱。

      輻射傳熱:

      式中:T0— 環(huán)境溫度,℃,取值根據(jù)季節(jié)的變化而改變;

      Tb—管壁溫度,℃;

      ε—鋼管表面黑度,這里取0.9;

      σ—波爾茲曼常數(shù),5.67×10-8w/(m2·K4·s)。

      對流換熱:

      式中:a為傳熱系數(shù),a=λNu/d,Nu=0.53(Gr·Pr)1/4,其中d 為鋼管外徑,Nu 為努塞爾特準(zhǔn)數(shù)[7],Gr和Pr分別為對流傳熱的相關(guān)準(zhǔn)數(shù);Tw為空氣溫度,℃;Tb為鋼管表面溫度,℃。

      1.2 物性參數(shù)的確定

      1)密度

      由于熱處理過程鋼均是固體,并且隨溫度改變其體積變化不大,所以將密度設(shè)為7800kg/m3。

      2)導(dǎo)熱系數(shù)

      將導(dǎo)熱系數(shù)分段考慮:當(dāng)T≥1000℃時(shí):

      λ=28 W/(m·℃);

      當(dāng)1000℃>T>100℃時(shí):

      當(dāng)T≤100℃時(shí):

      λ=43 W/(m·℃);

      3)比熱

      將比熱分段考慮:

      當(dāng)T≥900℃時(shí):

      CP=600 J/(kg·℃);

      當(dāng)900℃>T>100℃時(shí):

      當(dāng)T≤100℃時(shí):

      λ=360 J/(kg·℃);

      1.3 傳熱方程的求解

      本方程求解方法為有限差分法,i為空間上的點(diǎn)序,j為時(shí)間上的點(diǎn)序,采用隱式格式離散后如下:

      1)對內(nèi)外壁上點(diǎn)

      外壁:

      3)網(wǎng)格劃分

      由于本方程采用等間距劃分,本式是隱式,故必定收斂,計(jì)算總長為厚度,現(xiàn)取Δr=1/200厚度;Δt=1s。

      1.4 模型的驗(yàn)證

      為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,分別取規(guī)格為φ127.00 mm×11.10mm,長0.5m,鋼號為27MnCr6的鋼管以及規(guī)格為φ508.00mm×25.00mm,長0.5m,鋼號為12Mn5V的鋼管在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn),將兩支鋼管加熱到900℃,保溫1h,然后在空氣中冷卻,在一定的間隔時(shí)間用紅外測溫槍對鋼管溫度進(jìn)行測量,測量結(jié)果見表1和表2。

      冷卻模型計(jì)算值與實(shí)測溫度計(jì)算值比較見圖2和圖3,由圖2和圖3可知計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好,最大誤差在20℃以內(nèi),這說明該鋼管空冷計(jì)算模型較為準(zhǔn)確,能夠用于不同規(guī)格和鋼種的實(shí)際鋼管冷卻的空冷預(yù)測。

      表1 27MnCr6鋼管實(shí)測溫度數(shù)據(jù)

      表2 12Mn5V鋼管實(shí)測溫度數(shù)據(jù)

      圖2 27MnCr6鋼管模型計(jì)算值與實(shí)測值的比較

      圖3 12Mn5V鋼管模型計(jì)算值與實(shí)測值的比較

      2 鋼管冷卻應(yīng)用程序開發(fā)

      為將上述計(jì)算模型應(yīng)用于實(shí)際,采用Borland Delphi 7.0編程應(yīng)用軟件進(jìn)行編程。軟件要實(shí)現(xiàn)的功能包括:參數(shù)設(shè)置,冷卻曲線的顯示,某一冷卻時(shí)間橫截面溫度場的顯示,冷卻速度的查詢等。

      參數(shù)設(shè)置包括:鋼管的外徑,鋼管的壁厚,空氣溫度,冷卻的初始溫度,計(jì)算時(shí)間。

      冷卻曲線的顯示:當(dāng)參數(shù)設(shè)置好后,點(diǎn)“計(jì)算”按鈕,就可以顯示出鋼管外壁,內(nèi)壁及中心在計(jì)算時(shí)間內(nèi)的溫度曲線,如規(guī)格為φ127.00mm×11.10mm的鋼管從900℃空冷60min的冷卻曲線見圖4;橫截面溫度場的顯示功能:在計(jì)算出冷卻曲線后,在輸入框中輸入某一時(shí)間點(diǎn),點(diǎn)“查詢”,就可以顯示該時(shí)間點(diǎn)的橫截面溫度場,見圖5。

      圖4 冷卻曲線顯示界面

      圖5 橫截面溫度場顯示界面

      冷卻速度查詢功能:輸入冷卻過程中的一段溫度范圍,就可以計(jì)算在這個(gè)冷卻時(shí)間段的平均冷速,以便對照相應(yīng)的CCT曲線圖進(jìn)行組織確定,平均冷速查詢界面見圖6。

      該軟件操作簡便,實(shí)用性強(qiáng),可以用于產(chǎn)品開發(fā)的有效參考工具,并且該軟件還可以進(jìn)一步擴(kuò)展加熱過程、淬火過程等溫度變化模擬計(jì)算,為成為更全面、更實(shí)用的熱處理過程溫度模擬軟件打下良好基礎(chǔ)。

      圖6 平均冷速查詢界面

      3 結(jié)論

      1)建立了鋼管空冷傳熱計(jì)算模型,通過有限差分法求解,通過試驗(yàn)室實(shí)測鋼管在空冷時(shí)的溫度變化,驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

      2)運(yùn)用Borland Delphi 7.0開發(fā)出了具有鋼管空冷時(shí)冷卻曲線顯示,橫截面溫度場顯示以及任一冷卻區(qū)間的平均冷速查詢等功能的應(yīng)用軟件,該軟件可以作為科研人員進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的有效參考工具。

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