钢管空冷模拟计算及软件开发

2018-03-26顾顺杰窦志超

四川冶金 2018年6期

顾顺杰，窦志超，姚勇

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

为了进一步提高工艺分析和产品开发的效率和质量，在产品设计时，需要提前预知其工艺特性及产品性能，热处理过程对于调质类和正火类钢管的性能尤为关键，为了对热处理的过程及结果进行提前预测，需要对热处理过程进行数值模拟，利用计算机仿真热处理过程，这一技术在国内外已有了相当的发展［1－5］。由于钢管的加热状态是确定的，淬火过程一般采用水淬，冷却速度相对较快，因此模拟计算的意义不大，而不同规格的钢管在空冷时的冷却速度是不一样的，这对钢的组织和性能影响较大，因此对钢管空冷过程的冷却状况进行模拟计算是非常必要的，结合相应钢种的CCT曲线就可以预知其组织和性能，这对新产品开发和正火类钢管的工艺控制具有较大意义。

1 数值计算模型

1.1 传热方程的建立

钢管的空冷在钢管自身主要为传导传热，钢管内外壁主要为辐射传热和自然对流传热。首先建立坐标，对于圆形钢管，采用极坐标［6］，钢管的圆心为0点，沿半径方向为r轴，示意图见图1。

图1 计算坐标示意图

首先，为了使问题简化，需做如下假设：

1）忽略长度及周长方向的传热，简化为沿半径方向的一维非稳态传导传热；

2）热物性（比热容、密度等）参数为温度的分段常数；

3）由于钢的固态转变的相变焓较小，忽略钢奥氏体向铁素体转变时的相变焓；

通过以上假设，得到二维非稳态传热方程式（1）：

式中：ρ— 钢的密度，kg／m3；

λ— 导热系数，W／（m·℃）；

CP— 比热，J／（kg·℃）；

T—温度，℃；

τ— 时间，s；

r—半径，m。

初始条件：τ＝0，T＝初始规定温度；边界条件为辐射＋空气自然对流换热。

辐射传热：

式中：T0— 环境温度，℃，取值根据季节的变化而改变；

Tb—管壁温度，℃；

ε—钢管表面黑度，这里取0.9；

σ—波尔兹曼常数，5.67×10－8w／（m2·K4·s）。

对流换热：

式中：a为传热系数，a＝λNu／d，Nu＝0.53（Gr·Pr）1／4，其中d 为钢管外径，Nu 为努塞尔特准数［7］，Gr和Pr分别为对流传热的相关准数；Tw为空气温度，℃；Tb为钢管表面温度，℃。

1.2 物性参数的确定

1）密度

由于热处理过程钢均是固体，并且随温度改变其体积变化不大，所以将密度设为7800kg／m3。

2）导热系数

将导热系数分段考虑：当T≥1000℃时：

λ＝28 W／（m·℃）；

当1000℃＞T＞100℃时：

当T≤100℃时：

λ＝43 W／（m·℃）；

3）比热

将比热分段考虑：

当T≥900℃时：

CP＝600 J／（kg·℃）；

当900℃＞T＞100℃时：

当T≤100℃时：

λ＝360 J／（kg·℃）；

1.3 传热方程的求解

本方程求解方法为有限差分法，i为空间上的点序，j为时间上的点序，采用隐式格式离散后如下：

1）对内外壁上点

外壁：

3）网格划分

由于本方程采用等间距划分，本式是隐式，故必定收敛，计算总长为厚度，现取Δr＝1／200厚度；Δt＝1s。

1.4 模型的验证

为验证模型的准确性，分别取规格为φ127.00 mm×11.10mm，长0.5m，钢号为27MnCr6的钢管以及规格为φ508.00mm×25.00mm，长0.5m，钢号为12Mn5V的钢管在试验室进行试验，将两支钢管加热到900℃，保温1h，然后在空气中冷却，在一定的间隔时间用红外测温枪对钢管温度进行测量，测量结果见表1和表2。

冷却模型计算值与实测温度计算值比较见图2和图3，由图2和图3可知计算数据与实测数据吻合较好，最大误差在20℃以内，这说明该钢管空冷计算模型较为准确，能够用于不同规格和钢种的实际钢管冷却的空冷预测。

表1 27MnCr6钢管实测温度数据

表2 12Mn5V钢管实测温度数据

图2 27MnCr6钢管模型计算值与实测值的比较

图3 12Mn5V钢管模型计算值与实测值的比较

2 钢管冷却应用程序开发

为将上述计算模型应用于实际，采用Borland Delphi 7.0编程应用软件进行编程。软件要实现的功能包括：参数设置，冷却曲线的显示，某一冷却时间横截面温度场的显示，冷却速度的查询等。

参数设置包括：钢管的外径，钢管的壁厚，空气温度，冷却的初始温度，计算时间。

冷却曲线的显示：当参数设置好后，点“计算”按钮，就可以显示出钢管外壁，内壁及中心在计算时间内的温度曲线，如规格为φ127.00mm×11.10mm的钢管从900℃空冷60min的冷却曲线见图4；横截面温度场的显示功能：在计算出冷却曲线后，在输入框中输入某一时间点，点“查询”，就可以显示该时间点的横截面温度场，见图5。