CN105302952A - 一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法 - Google Patents

Abstract

一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法，属于轧钢加热炉技术领域。分别在铸坯的上下表面、铸坯横截面中心处的各个位置布置热电偶，热电偶随温度跟踪测试仪一起进入加热炉内加热；利用有限元软件DEFORM建立铸坯温度场计算模型，将热电偶测试的结果对模拟的温度场结果进行反复校核，直至所施加的边界条件使得模拟计算结果与热电偶测试结果一致为止；在铸坯内部建立碳扩散模型；将实际的检测结果对模型计算的结果进行校正，使该模型能够准确的预测出实际工况条件下的弹簧钢铸坯脱碳情况。优点在于，通过模型模拟计算与实际检测结果进行比对，能够很好的保证计算模型的精确性。

Description

一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法

技术领域

本发明属于轧钢加热炉技术领域，特别涉及一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法。尤其涉及通过建立有限元模型来预测铸坯在加热炉内加热过程中脱碳层厚度的方法。为优化加热炉加热工艺提供指导作用，从而最大程度降低脱碳层深度。

背景技术

弹簧在冲击、振动或长期交应力下使用，所以要求弹簧钢具有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。在工艺上要求弹簧钢不易脱碳。而在弹簧钢在加热及轧制过程中的脱碳会对表面质量造成影响，而且还会显著降低钢的疲劳极限，影响弹簧的使用寿命。

脱碳是指钢表层的碳原子在高温条件下发生扩散而迁移至表面与加热炉内的氧发生化学反应，导致钢表层一定范围内碳原子散失的现象。弹簧的表面脱碳主要发生在钢的加热过程中，其影响因素有很多，例如加热温度、加热时间、炉内气氛以及钢材成分等。

弹簧钢铸坯在加热炉的加热过程中，其铸坯的表面脱碳是难以避免的，而脱碳层深度过高不仅会严重影响弹簧钢产品的表面质量，而且会造成产品收得率的降低。

因此，控制好弹簧钢铸坯加热工艺对控制弹簧钢脱碳意义重大。而目前加热炉内控制铸坯脱碳方面的工艺参数主要靠经验来控制，主要是控制空燃比、炉内残氧含量以及加热炉内各段的温度控制，而一些工艺参数如各段的温度控制工艺的制定还没有理论的支持，难免会造成加热制度制定不够合理，从而会产生铸坯脱碳较为严重的情况。

本发明主要是通过有限元的方法首先建立铸坯在加热炉内的温度场模型，再通过实际的试验数据对其温度场计算结果进行校核，然后建立铸坯脱碳模型与之前校正过的温度场计算模型进行耦合计算，从而计算出铸坯在某一加热制度下的脱碳结果。再将脱碳结果与试验检测数据进行反复校验，最终得出精确的铸坯脱碳有限元模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法，解决了加热炉加热工艺制度不合理造成的铸坯脱碳超标的问题。该脱碳模型能够非常准确的模拟出一定加热制度下的脱碳层深度。

一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法，具体步骤及参数如下：

1)分别在铸坯的上下表面、铸坯横截面中心处的各个位置布置热电偶，为了测试炉气的温度，在距离铸坯上表面100mm处布置热电偶，热电偶随温度跟踪测试仪一起进入加热炉内加热，加热时间控制在70min-120min，该试验是在正常生产条件下进行的；

2)利用有限元软件DEFORM建立铸坯温度场计算模型，根据上述实验工况施加边界条件，并经行温度场计算，将上述热电偶测试的结果对模拟的温度场结果进行反复校核，直至所施加的边界条件使得模拟计算结果与热电偶测试结果一致为止；

3)建立脱碳的有限元模型，在铸坯内部建立碳扩散模型：

根据扩散的第二定律为：

其中D为扩散系数，m²/s；dx为距离；dc为扩散物质浓度差；

碳的扩散系数根据扩散定律确定；而在铸坯的表面，碳元素与环境中的氧化气体反应过程中，本发明采用了表面扩散反应系数来模拟脱碳的过程。将上述校正后的温度模型与该脱碳模型进行耦合计算；

4)对经过加热炉试验的铸坯进行表面脱碳检测，将实际的检测结果对模型计算的结果进行校正：将检测的铸坯脱碳层深度与模型计算出的铸坯脱碳层深度进行校正，通过反复调整表面扩散反应系数k使得实际检测的铸坯脱碳层深度与模型计算结果一致，最终确定表面扩散反应系数k值，从而使得该模型能够准确的预测出实际工况条件下的弹簧钢铸坯脱碳情况。

本发明的优点在于：

1)通过热电偶及温度跟踪仪测试铸坯在实际工况下的温度；

2)测试上述温度试验后的铸坯脱碳层深度；

3)通过模型模拟计算与实际检测结果进行比对，能够很好的保证计算模型的精确性。

附图说明

图1为热电偶安装示意图。其中，左端炉气1、左端中心2、中部上表面3、中部中心4、中部下表面5、右端炉气6、右端中心7。

图2为热电偶安装具体位置图。

图3为图2的俯视图。

图4为测试的炉气温度时间曲线。

具体实施方式

1)分别在铸坯的上下表面及心部安装热电偶，并在距离铸坯上方100mm位置安装测试炉气温度的热电偶，如图1-3所示。再将热电偶与温度跟踪仪(黑匣子)相连接，将温度跟踪仪(黑匣子)随铸坯一起进入加热炉进行加热，加热时间控制在4200s。

2)根据上述加热试验的实际参数建立温度场有限元模型。根据对称性，实际中坯尺寸为160×160mm，在本模型中铸坯几何尺寸为80×80×500mm，铸坯初始温度取空气环境温度20℃，其加热炉内的温度根据试验数据测试的结果进行设定为边界条件，加热各段的温度按照实际生产过程中的工艺参数；其边界条件设定如下：热辐射ε取0.7，在加热一段铸坯表面换热系数取80W/(m²·K)，加热二、三段铸坯表面换热系数取120W/(m²·K)。在加热一、二、三段的加热时间均为1400s，三个加热段的环境温度根据上述温度跟踪仪(黑匣子)所测试的炉气温度数据(图4)施加为模型的环境温度边界条件。

3)利用温度测试仪测试铸坯的上下表面及铸坯心部三个点的温度曲线，利用试验测试的温度数据对计算的温度场进行反复校核验证，使得计算的温度场能够与试验数据精确的一致；

4)建立铸坯脱碳模型，取弹簧钢60Si2Mn的化学成分碳元素作为初始的浓度场，碳浓度为0.576％，假设初始的碳浓度在整个铸坯横截面上是相同的；

根据扩散的第二定律为：

其中D为扩散系数，m²/s；dx为距离；dc为扩散物质浓度差；

碳的扩散系数根据来确定，D₀为扩散常数，D₀(γ)＝2.0×10^-5m²/s；Q为扩散激活能，Q(γ)＝1.4×10⁵J/mol；R为摩尔气体常数，R＝8.314J/(mol·K)；T为绝对温度，K。

在铸坯的表面，碳元素与环境中的氧化气体反应过程中，本发明采用了表面扩散反应系数k来模拟脱碳的过程，在本模型所计算的环境下其系数k取为：0.0001mm/s。

5)将上述建立的脱碳模型与校验好的温度场模型进行耦合计算，然后将计算的浓度场结果与检测的加热炉试验的铸坯表面脱碳数据进行反复校核直至精确无误后，所取的边界条件即为最终的边界条件。最后该脱碳模型能够非常准确的预测弹簧钢铸坯脱碳情况。

Claims (1)

1.一种预测弹簧钢铸坯脱碳的有限元方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：

1)分别在铸坯的上下表面、铸坯横截面中心处的各个位置布置热电偶，为了测试炉气的温度，在距离铸坯上表面100mm处布置热电偶，热电偶随温度跟踪测试仪一起进入加热炉内加热，加热时间控制在70min-120min，该试验是在正常生产条件下进行的；

2)利用有限元软件DEFORM建立铸坯温度场计算模型，根据上述实验工况施加边界条件，并经行温度场计算，将上述热电偶测试的结果对模拟的温度场结果进行反复校核，直至所施加的边界条件使得模拟计算结果与热电偶测试结果一致为止；

3)建立脱碳的有限元模型，在铸坯内部建立碳扩散模型：

根据扩散的第二定律为：

其中D为扩散系数，m²/s；dx为距离；dc为扩散物质浓度差；

碳的扩散系数根据扩散定律确定；而在铸坯的表面，碳元素与环境中的氧化气体反应过程中，采用表面扩散反应系数来模拟脱碳的过程；将上述校正后的温度模型与该脱碳模型进行耦合计算；

4)对经过加热炉试验的铸坯进行表面脱碳检测，将实际的检测结果对模型计算的结果进行校正：将检测的铸坯脱碳层深度与模型计算出的铸坯脱碳层深度进行校正，通过反复调整表面扩散反应系数k使得实际检测的铸坯脱碳层深度与模型计算结果一致，最终确定表面扩散反应系数k值，从而使得该模型能够准确的预测出实际工况条件下的弹簧钢铸坯脱碳情况。