45#钢板热处理过程温度模拟与验证

曾珍珍　单雨祥　陈金桂　杨义　朱灿阳

摘 要：随着科学技术的发展，现阶段我国的机械加工行业以及材料生产行業取得了令人瞩目的成就。我国机械材料加工行业在进行热处理、锻造机械加工以及焊接等工艺时，已经形成了一个完整的工艺生产链。对材料进行热处理，不仅能够赋予零件基本性能，还能够对生产工具进行强化，因此，热处理在材料生产过程中扮演着重要的作用。本文利用计算机软件模拟分析了45#钢热处理过程中温度场的变化，并对预测结果进行了验证，以期为相关工作者提供指导和帮助。

关键词：45#钢；热处理；计算机模拟；验证

随着科学技术的快速发展，现阶段机械加工行业在进行材料热处理过程温度模拟时，已经开始利用信息技术以及计算机软件技术来实现。通过信息技术的应用，能够建立有效反映45#钢材热处理过程中的温度场、浓度场、相变以及应力应变的数学模型，[1]从而更加准确地对45#钢材生产过程中各种复杂的物理以及化学现象进行计算机模拟。相关工作人员通过对预测结果进行分析评估之后制定出更为完善的热处理工艺，从而提升对45#钢板热处理过程的智能化控制，实现清洁生产、精密生产的目的。

但是由于我国计算机技术以及机械自动化生产技术起步较晚，导致我国在进行钢材热处理时更多的选择传统的性能测定以及观察方法。这种方法无法实现对热处理过程的直接观察和测量，导致产品生产的效率降低和成本升高。现阶段，我国机械制造领域开始逐渐引入计算机模拟仿真技术，使得我国的机械制造得到了快速发展。

一、观察模型的建立

（一）物理模型简化

本文选择45#钢板作为研究对象，进行加工时的氮气作为保护气体，协助进行45#钢板的热处理。生产45#钢板的规格为（10～60mm）×（800～1550mm）×（1500～2500mm），45#钢材的生产模式为连续运行模式以及摆动运行模式[2]两种。

在进行本次研究时，由于45#钢板具有两端对称传热的特点，因此在进行本次研究时，只选择45#钢板的一半面积作为研究对象。

（二）建立实验模型

在进行研究时，为了更好的实现对模型的精度研究，常对进行45#钢板热处理的常化炉进行假设以及建模。具体假设以及建模过程如下：第一，常化炉的温度在常化炉的长轴方向上呈分阶段现行分布，而对实际情况下常化炉长轴方向的辐射换热不进行考虑；第二，45#钢板的热量交换只在表面进行，同时45#钢板表面的热量传递主要通过辐射以及对流的形式进行；第三，在进行45#钢板的热处理时，钢板是以匀速运动的形式进行的，同时45#钢板的断面与整个常化炉的长轴呈90°角，同时随着钢板的运行而移动；第四，在进行钢板热处理时，45#钢板的表面热量发射率为常数；第五，将炉辊对45#钢板的导热忽略不计。

（三）钢板表面对流换热系数的确定

前文提到，在进行45#钢板的热处理时，常化炉内含有保护气体，同时，由于对45#钢板的热处理工艺通常是低温热处理，因此在进行热处理过程时需要考虑到炉内传热的对流情况。现阶段常化炉内的保护气体多为氮气，由于辐射管内采用间接加热方式，同时常化炉内的45#钢板运行速度极慢，这使炉内氮气的流速较低。为了有效进行表面对流换热系数的计算，本次研究采用的是自然对流公式，[3]如下：

（Nμ为努谢尔数；L为特性尺寸；λn为氮气导系数；C和n为系数；Gr为格拉晓夫数；β为氮气体积膨胀系数；g为重力加速度。）

二、模型验证及其数值计算结果分析

（一）数学模型的验证

前文已经介绍了本次对45#钢板热处理过程的数学模型，为了验证该模型的正确性，在常化炉中进行了相关的“内部温度黑匣子实验测试”。进行本次实验选择的45#钢板尺寸为40mm×2500mm×7500mm，将钢板初次置入常化炉时的自身温度为25℃，钢板的运行模式为连续运行，钢板的运行速度调节至0.3m/min，整个热处理过程的时间为3小时。

在进行45#钢板的热处理时，需要在进行本次研究的黑匣子上进行热电偶的安装，具体来说，沿着钢板的横界面安装了四个热电偶，1号热电偶距45#钢板上表面5mm，2号热电偶距45#钢板上表面20mm，3号距45#钢板下表面5mm，4号距45#钢板下表面20mm，同时，在整个研究过程中，温度记录仪每隔5s进行一次温度的采样，并将所有采集到的数据进行汇总分析。

（二）实验结果分析

通过计算机将采集到的温度数据进行温度-时间图的绘制，发现图表与实验之前数学模拟计算结果基本一致。二者的图像基本实现了吻合，最大误差仅有7%，最大相对误差仅有2.3%，因此我们得出结论：通过计算机对45#钢板热处理过程进行数字建模，其模型的可信度较高。下列画出了计算机模拟数据以及本次模拟中不同位置点钢板温度和时间的变化曲线。图1，是实验中不同位置处的温度曲线；图2，通过计算机模拟预测对应点的温度曲线。

三、结论

综上所述，通过利用有限元软件进行45#钢板热处理过程的温度模拟以及实际实验验证后，我们得到了如下结论：

第一，在建立数学以及物理模型后，通过自然对流的方法来对45#钢板表面的对流换热系数进行计算，模拟计算数值与实验测量数值的差距在2.7%以内。

第二，在进行45#钢板的热处理时，钢板的周边温度与心部温度之间的差距在2℃以内，因此在进行常化炉温度的制定时可以不考虑钢板厚度造成的温度差。

第三，通过计算机模拟技术实现对45#钢板热处理过程的分析，帮助工作人员进行工艺控制的改良，实现材料生产过程中的生产成本降低以及设计工序的简化，从而提升经济效益，缩短工艺开发周期。

参考文献：

[1]姜海昌，封辉，潘雪新，胡小锋，付鸿，黄耀，韩军科.热处理温度对S355J2W耐候钢板组织和性能的影响[J].金属热处理，2018，43（06）：122-125.

[2]宋中华，丁翠娇，欧阳德刚，杨超.钢板热处理过程温度模拟与验证[J].工业加热，2017，42（05）：49-51+54.

[3]王青，秦红新，管秀兵.特殊要求的12Cr1MoVR钢板热处理工艺研究[J].宽厚板，2018，23（04）：12-14.

[4]吴益文，朱子恒，徐凌云，吉静，王彪.热处理温度对IF钢板第二相粒子和力学性能的影响[J].理化检验（物理分册），2017，51（02）：87-91.