一種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于乳鋼加熱爐技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方 法。尤其涉及通過建立有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)鑄坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中脫碳層厚度的方法。 為優(yōu)化加熱爐加熱工藝提供指導(dǎo)作用，從而最大程度降低脫碳層深度。
【背景技術(shù)】
[0002] 彈簧在沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用，所以要求彈簧鋼具有高的抗拉強(qiáng)度、彈性 極限、高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求彈簧鋼不易脫碳。而在彈簧鋼在加熱及乳制過程中的 脫碳會(huì)對(duì)表面質(zhì)量造成影響，而且還會(huì)顯著降低鋼的疲勞極限，影響彈簧的使用壽命。
[0003] 脫碳是指鋼表層的碳原子在高溫條件下發(fā)生擴(kuò)散而迀移至表面與加熱爐內(nèi)的氧 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼表層一定范圍內(nèi)碳原子散失的現(xiàn)象。彈簧的表面脫碳主要發(fā)生在鋼 的加熱過程中，其影響因素有很多，例如加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛以及鋼材成分等。
[0004] 彈簧鋼鑄坯在加熱爐的加熱過程中，其鑄坯的表面脫碳是難以避免的，而脫碳層 深度過高不僅會(huì)嚴(yán)重影響彈簧鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量，而且會(huì)造成產(chǎn)品收得率的降低。
[0005] 因此，控制好彈簧鋼鑄坯加熱工藝對(duì)控制彈簧鋼脫碳意義重大。而目前加熱爐內(nèi) 控制鑄坯脫碳方面的工藝參數(shù)主要靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制，主要是控制空燃比、爐內(nèi)殘氧含量以及 加熱爐內(nèi)各段的溫度控制，而一些工藝參數(shù)如各段的溫度控制工藝的制定還沒有理論的支 持，難免會(huì)造成加熱制度制定不夠合理，從而會(huì)產(chǎn)生鑄坯脫碳較為嚴(yán)重的情況。
[0006] 本發(fā)明主要是通過有限元的方法首先建立鑄坯在加熱爐內(nèi)的溫度場(chǎng)模型，再通過 實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，然后建立鑄坯脫碳模型與之前校正過的溫 度場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行耦合計(jì)算，從而計(jì)算出鑄坯在某一加熱制度下的脫碳結(jié)果。再將脫碳結(jié) 果與試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)校驗(yàn)，最終得出精確的鑄坯脫碳有限元模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方法，解決了加熱爐加 熱工藝制度不合理造成的鑄坯脫碳超標(biāo)的問題。該脫碳模型能夠非常準(zhǔn)確的模擬出一定加 熱制度下的脫碳層深度。
[0008] -種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方法，具體步驟及參數(shù)如下：
[0009] 1)分別在鑄坯的上下表面、鑄坯橫截面中心處的各個(gè)位置布置熱電偶，為了測(cè)試 爐氣的溫度，在距離鑄坯上表面IOOmm處布置熱電偶，熱電偶隨溫度跟蹤測(cè)試儀一起進(jìn)入 加熱爐內(nèi)加熱，加熱時(shí)間控制在70min-120min，該試驗(yàn)是在正常生產(chǎn)條件下進(jìn)行的；
[0010] 2)利用有限元軟件DEFORM建立鑄坯溫度場(chǎng)計(jì)算模型，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)工況施加邊 界條件，并經(jīng)行溫度場(chǎng)計(jì)算，將上述熱電偶測(cè)試的結(jié)果對(duì)模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)校核， 直至所施加的邊界條件使得模擬計(jì)算結(jié)果與熱電偶測(cè)試結(jié)果一致為止；
[0011] 3)建立脫碳的有限元模型，在鑄坯內(nèi)部建立碳擴(kuò)散模型：
[0012] 根據(jù)擴(kuò)散的第二定律為：
[0013] 其中D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ;dx為距離；dc為擴(kuò)散物質(zhì)濃度差；
[0014] 碳的擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)擴(kuò)散定律確定；而在鑄坯的表面，碳元素與環(huán)境中的氧化氣體 反應(yīng)過程中，本發(fā)明采用了表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)來(lái)模擬脫碳的過程。將上述校正后的溫度模 型與該脫碳模型進(jìn)行耦合計(jì)算；
[0015] 4)對(duì)經(jīng)過加熱爐試驗(yàn)的鑄坯進(jìn)行表面脫碳檢測(cè)，將實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果對(duì)模型計(jì)算的 結(jié)果進(jìn)行校正：將檢測(cè)的鑄坯脫碳層深度與模型計(jì)算出的鑄坯脫碳層深度進(jìn)行校正，通過 反復(fù)調(diào)整表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)k使得實(shí)際檢測(cè)的鑄坯脫碳層深度與模型計(jì)算結(jié)果一致，最終 確定表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)k值，從而使得該模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出實(shí)際工況條件下的彈簧鋼 鑄坯脫碳情況。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] 1)通過熱電偶及溫度跟蹤儀測(cè)試鑄坯在實(shí)際工況下的溫度；
[0018] 2)測(cè)試上述溫度試驗(yàn)后的鑄坯脫碳層深度；
[0019] 3)通過模型模擬計(jì)算與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，能夠很好的保證計(jì)算模型的精確 性。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為熱電偶安裝示意圖。其中，左端爐氣1、左端中心2、中部上表面3、中部中心 4、中部下表面5、右端爐氣6、右端中心7。
[0021] 圖2為熱電偶安裝具體位置圖。
[0022] 圖3為圖2的俯視圖。
[0023] 圖4為測(cè)試的爐氣溫度時(shí)間曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 1)分別在鑄坯的上下表面及心部安裝熱電偶，并在距離鑄坯上方IOOmm位置安裝 測(cè)試爐氣溫度的熱電偶，如圖1-3所示。再將熱電偶與溫度跟蹤儀（黑匣子）相連接，將溫 度跟蹤儀（黑匣子）隨鑄坯一起進(jìn)入加熱爐進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間控制在4200s。
[0025] 2)根據(jù)上述加熱試驗(yàn)的實(shí)際參數(shù)建立溫度場(chǎng)有限元模型。根據(jù)對(duì)稱性，實(shí)際中坯 尺寸為160 X 160mm，在本模型中鑄坯幾何尺寸為80 X 80 X 500mm，鑄坯初始溫度取空氣環(huán) 境溫度20°C，其加熱爐內(nèi)的溫度根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定為邊界條件，加熱各段 的溫度按照實(shí)際生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)；其邊界條件設(shè)定如下：熱輻射ε取0.7,在加熱一 段鑄坯表面換熱系數(shù)取80WAm 2 · Κ)，加熱二、三段鑄坯表面換熱系數(shù)取120WAm2 · Κ)。在 加熱一、二、三段的加熱時(shí)間均為1400s，三個(gè)加熱段的環(huán)境溫度根據(jù)上述溫度跟蹤儀（黑 匣子）所測(cè)試的爐氣溫度數(shù)據(jù)（圖4)施加為模型的環(huán)境溫度邊界條件。
[0026] 3)利用溫度測(cè)試儀測(cè)試鑄坯的上下表面及鑄坯心部三個(gè)點(diǎn)的溫度曲線，利用試驗(yàn) 測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算的溫度場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)校核驗(yàn)證，使得計(jì)算的溫度場(chǎng)能夠與試驗(yàn)數(shù)據(jù)精 確的一致；
[0027] 4)建立鑄坯脫碳模型，取彈簧鋼60Si2Mn的化學(xué)成分碳元素作為初始的濃度場(chǎng)， 碳濃度為0. 576%，假設(shè)初始的碳濃度在整個(gè)鑄坯橫截面上是相同的；
[0028] 根據(jù)擴(kuò)散的第二定律為：
[0029] 其中D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ;dx為距離；dc為擴(kuò)散物質(zhì)濃度差；
[0030] 碳的擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)
來(lái)確定，D。為擴(kuò)散常數(shù)，Did(Y)= 2. OX 10 5m2/s ;Q 為擴(kuò)散激活能，Q( γ ) = I. 4X 105J/mol ;R 為摩爾氣體常數(shù)，R = 8. 314J/ (mol · Κ) ;T為絕對(duì)溫度，K。
[0031] 在鑄坯的表面，碳元素與環(huán)境中的氧化氣體反應(yīng)過程中，本發(fā)明采用了表面擴(kuò)散 反應(yīng)系數(shù)k來(lái)模擬脫碳的過程，在本模型所計(jì)算的環(huán)境下其系數(shù)k取為：0.0 OOlmm/s。
[0032] 5)將上述建立的脫碳模型與校驗(yàn)好的溫度場(chǎng)模型進(jìn)行耦合計(jì)算，然后將計(jì)算的濃 度場(chǎng)結(jié)果與檢測(cè)的加熱爐試驗(yàn)的鑄坯表面脫碳數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)校核直至精確無(wú)誤后，所取的 邊界條件即為最終的邊界條件。最后該脫碳模型能夠非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳情 況。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方法，其特征在于，具體步驟及參數(shù)如下： 1) 分別在鑄坯的上下表面、鑄坯橫截面中心處的各個(gè)位置布置熱電偶，為了測(cè)試爐氣 的溫度，在距離鑄坯上表面100mm處布置熱電偶，熱電偶隨溫度跟蹤測(cè)試儀一起進(jìn)入加熱 爐內(nèi)加熱，加熱時(shí)間控制在70min-120min，該試驗(yàn)是在正常生產(chǎn)條件下進(jìn)行的； 2) 利用有限元軟件DEFORM建立鑄坯溫度場(chǎng)計(jì)算模型，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)工況施加邊界條 件，并經(jīng)行溫度場(chǎng)計(jì)算，將上述熱電偶測(cè)試的結(jié)果對(duì)模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)校核，直至 所施加的邊界條件使得模擬計(jì)算結(jié)果與熱電偶測(cè)試結(jié)果一致為止； 3) 建立脫碳的有限元模型，在鑄坯內(nèi)部建立碳擴(kuò)散模型： 根據(jù)擴(kuò)散的第二定律為：其中D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;dx為距離；dc為擴(kuò)散物質(zhì)濃度差； 碳的擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)擴(kuò)散定律確定；而在鑄坯的表面，碳元素與環(huán)境中的氧化氣體反應(yīng) 過程中，采用表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)來(lái)模擬脫碳的過程；將上述校正后的溫度模型與該脫碳模 型進(jìn)行親合計(jì)算； 4) 對(duì)經(jīng)過加熱爐試驗(yàn)的鑄坯進(jìn)行表面脫碳檢測(cè)，將實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果對(duì)模型計(jì)算的結(jié)果 進(jìn)行校正：將檢測(cè)的鑄坯脫碳層深度與模型計(jì)算出的鑄坯脫碳層深度進(jìn)行校正，通過反復(fù) 調(diào)整表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)k使得實(shí)際檢測(cè)的鑄坯脫碳層深度與模型計(jì)算結(jié)果一致，最終確定 表面擴(kuò)散反應(yīng)系數(shù)k值，從而使得該模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出實(shí)際工況條件下的彈簧鋼鑄坯 脫碳情況。
【專利摘要】一種預(yù)測(cè)彈簧鋼鑄坯脫碳的有限元方法，屬于軋鋼加熱爐技術(shù)領(lǐng)域。分別在鑄坯的上下表面、鑄坯橫截面中心處的各個(gè)位置布置熱電偶，熱電偶隨溫度跟蹤測(cè)試儀一起進(jìn)入加熱爐內(nèi)加熱；利用有限元軟件DEFORM建立鑄坯溫度場(chǎng)計(jì)算模型，將熱電偶測(cè)試的結(jié)果對(duì)模擬的溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)校核，直至所施加的邊界條件使得模擬計(jì)算結(jié)果與熱電偶測(cè)試結(jié)果一致為止；在鑄坯內(nèi)部建立碳擴(kuò)散模型；將實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果對(duì)模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行校正，使該模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出實(shí)際工況條件下的彈簧鋼鑄坯脫碳情況。優(yōu)點(diǎn)在于，通過模型模擬計(jì)算與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，能夠很好的保證計(jì)算模型的精確性。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105302952
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510685469
【發(fā)明人】楊子森, 鄧素懷, 張瑋, 孫齊松, 王立峰, 王坤, 陳濤, 王猛
【申請(qǐng)人】首鋼總公司
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月20日