某軸承鋼連鑄過程有限元模擬分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u30244某軸承鋼連鑄過程有限元模擬分析案例 131151.1連鑄過程熱芯大壓下技術(shù)介紹 1317591.2連鑄過程邊界條件的確定 229211.2.1結(jié)晶器傳熱 285671.2.2二冷區(qū)換熱邊界 3121371.2.3空冷區(qū)內(nèi)換熱邊界 4327541.3熱物性參數(shù)的確定 479781.3.1鋼的液、固相線溫度 4202821.3.2熱物性參數(shù) 554561.4連鑄過程有限元模擬及溫度場結(jié)果 74961.4.1連鑄過程有限元模擬 7313221.4.2溫度場模擬結(jié)果 10連鑄及軋制過程的許多流程都是在高溫條件下進(jìn)行的，材料本身的溫度較高，在成形的過程中會伴隨有熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。而且，溫度對金屬的塑性變形情況影響很大，與此同時還會影響連鑄坯的內(nèi)部的質(zhì)量及軋制后的組織性能。因此，必須研究在任一時刻連鑄及軋制過程中溫度場的變化，這就需要了解連鑄過程中的熱傳遞規(guī)律，利用有限元方法建立溫度場模型。1.1連鑄過程熱芯大壓下技術(shù)介紹熱芯大壓下軋制是指在連鑄機(jī)出口布置大壓下量軋機(jī)，充分利用連鑄后鑄坯的剩余溫度場，在連鑄坯凝固末端鑄坯（最終凝固點(diǎn)之后的高溫粘塑性區(qū)（1200℃到1400℃））直接進(jìn)行大壓下量軋制過程[16]。熱芯大壓下軋制技術(shù)和其他軋制技術(shù)相比，避開了鋼的凝固脆性區(qū)，可以進(jìn)行更大壓下量的變形而不產(chǎn)生內(nèi)裂紋，可以更好的消除鑄坯芯部縮孔、疏松等缺陷[17]。圖1.1連鑄過程機(jī)械流程圖在連鑄過程中，液態(tài)金屬從結(jié)晶器內(nèi)流出并在結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行第一次冷卻，鋼水在結(jié)晶器中冷卻時，鋼水傳遞給結(jié)晶器銅板的熱量被高速流動的冷卻水帶走，達(dá)到冷卻的目的，并形成足夠的坯殼厚度，以防止漏鋼情況的發(fā)生。冷卻后的鋼水進(jìn)入足輥段（圖中的A區(qū)），在足輥段進(jìn)行冷卻。從足輥段流出的鋼水進(jìn)入二冷區(qū)，通過結(jié)晶器內(nèi)澆注出來，到達(dá)二冷區(qū)的鑄坯只是擁有一個薄的外殼，其中心仍為高溫液體，在二冷區(qū)對鑄坯表面實(shí)施噴水處理或霧汽冷卻，使鑄坯繼續(xù)散熱、凝固，芯部的溫度降低。此過程分為三個階段，分別為二冷區(qū)一區(qū)、二冷區(qū)二區(qū)、二冷區(qū)三區(qū)（分別對應(yīng)圖中的B、C、D三個區(qū)域）。出二冷區(qū)以后，鑄坯進(jìn)入空冷區(qū)（圖中E區(qū)），在此區(qū)域內(nèi)鑄坯在空氣中自然冷卻，熱量主要以熱輻射的方式散失，鑄坯內(nèi)外溫度逐漸趨于穩(wěn)定均勾，溫度隨后逐漸降低。1.2連鑄過程邊界條件的確定連鑄過程中的傳熱現(xiàn)象是一個復(fù)雜的熱力學(xué)問題。連鑄過程的主要換熱過程包括在結(jié)晶器內(nèi)換熱，水冷傳熱，空冷換熱都是為了在最后得到相應(yīng)芯部溫度的鑄坯進(jìn)行軋制。在這些過程中，鋼從液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，此過程伴隨著熱量的傳輸，即通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等各種熱傳導(dǎo)方式把高溫液態(tài)鋼水變?yōu)楣腆w鋼的成形過程[28]。1.2.1結(jié)晶器傳熱在實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)晶器作為連鑄機(jī)上的一個組成部分，其作用是不論是對傳熱過程還是對鋼水成分組成的處理都是非常明顯和重要的。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱過程對鑄坯質(zhì)量的好壞起到至關(guān)重要的作用。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱邊界條件一般情況下以熱流密度的形式來表示。由于結(jié)晶器內(nèi)熱流密度與連鑄機(jī)的拉坯速度、結(jié)晶器內(nèi)冷卻水的強(qiáng)度大小和結(jié)晶器銅板的形態(tài)等條件互有聯(lián)系[29]。故鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)熱流密度可用式1.1來表示：q=α?βLν式中：q——熱流密度，W/ν——拉坯速度m/α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，W/m2L——結(jié)晶器內(nèi)彎月面以下任意一點(diǎn)至彎月面的距離，m；β——經(jīng)驗(yàn)值常數(shù)，W/m2，不同結(jié)晶器的β則上式可以寫為：q=2688?227L1.2.2二冷區(qū)換熱邊界在完成在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻后，鑄坯在進(jìn)入二冷區(qū)后的冷卻狀況與前者的冷卻狀況不同。在設(shè)備和工藝條件一定時，在二冷區(qū)的鑄坯的主要換熱方式是通過表面噴水強(qiáng)制冷卻進(jìn)行的，二冷區(qū)換熱是個復(fù)雜的傳熱過程，可用對流傳熱方程來描述：q=hTw?T式中：TwTfh——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（或?qū)α鲹Q熱系數(shù)），W/(m結(jié)合公式及傳熱特點(diǎn)，本文中所研究的二冷傳熱系數(shù)使用羅莎克等提出的經(jīng)驗(yàn)公式：h=1.57×W0.551?0.0075×式中：h——換熱系數(shù)，W/(mW——冷卻水水流密度，L?mα——與夾輥冷卻有關(guān)的校正系數(shù)，無量綱。通過上式即可計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的換熱系數(shù)的大小，本文連鑄機(jī)的二冷區(qū)分為三個階段：二冷區(qū)一區(qū)、二冷區(qū)二區(qū)、二冷區(qū)三區(qū)，在三個分區(qū)內(nèi)冷卻換熱系數(shù)大小是逐漸減少的。這三個區(qū)內(nèi)的水量、長度和換熱系數(shù)計(jì)算如表1.1所示。表1.1不同分區(qū)長度、冷卻水量、換熱系數(shù)表二冷區(qū)分段二冷區(qū)一區(qū)二冷區(qū)二區(qū)二冷區(qū)三區(qū)長度/m1.54.154.15冷卻水量/((m232615換熱系數(shù)/(W/(m4852432151.2.3空冷區(qū)內(nèi)換熱邊界鑄坯在二冷過程完成冷卻后進(jìn)入空冷區(qū)，此時鑄坯已接近完全凝固，鑄坯在空冷區(qū)主要以熱輻射的方式散失熱量直至達(dá)到較低溫度，趨于穩(wěn)定。本文中取空冷區(qū)的熱流密度公式為：q=εσ(Tw式中：ε——輻射系數(shù)，取值為0.8；TwT——空氣溫度，℃，取值為25℃；σ——波茲曼常數(shù)，W/(m2?1.3熱物性參數(shù)的確定GCr15軸承鋼的熱物性相關(guān)參數(shù)是在jamatpro軟件即金屬材料相圖計(jì)算與性能模擬軟件上模擬得到。這些參數(shù)為溫度場的建立提供依據(jù)。1.3.1鋼的液、固相線溫度鋼的液、固相線溫度取決于鋼的化學(xué)成分。與鋼中一些元素如C、Mn、Si、Cr、Ni、S、P、Cu、Mo、Al等的含量有關(guān)，根據(jù)許多學(xué)者曾研究過的鋼中化學(xué)成分含量對液相線、固相線溫度的影響，給出了相應(yīng)的關(guān)系式，本文釆用的方法是經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算液相線和固相線溫度[30]：T+5+90wN+80wT+6.50wCr+7.8w式(1.6)、(1.7)中的代數(shù)式分別代表軸承鋼中該成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將表2.1中的數(shù)據(jù)帶入上面兩個式子，分別可以得出鋼的液相線和固相線：TL=1470.9℃1.3.2熱物性參數(shù)其他相關(guān)的熱物性參數(shù)例如泊松比、彈性模量等在DEFORM有限元軟件的材料數(shù)據(jù)庫中或?yàn)槎ㄖ祷蛐枰O(shè)定或與溫度的變化、材料組織的變化有關(guān)系，尤其連鑄這一過程實(shí)在高溫情況下進(jìn)行，對溫度的變化更加敏感，故這里對其一一進(jìn)行完善介紹。彈性模量鋼的彈性模量對溫度和應(yīng)變率都相當(dāng)敏感，軸承鋼的溫度每升高100℃，其彈性模量降低，變化范圍約為3%到5%，本文選用Kozlowski等人的公式。Kozlowski等人較好地模擬了連鑄高溫條件下鑄坯的力學(xué)行為[31]，采用的彈性模量計(jì)算公式就是來自Mizukami等人提出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸公式：ET=968000?2330T?1.9T2在固-液兩相區(qū)：ET=fs?圖1.2彈性模量隨溫度變化曲線泊松比在固相區(qū)采用Uehara[32]的回歸公式：ν=0.278+8.23×10?5t在固-液兩相區(qū)：νT=fs圖1.3泊松比隨溫度變化曲線導(dǎo)熱系數(shù)固相區(qū)選擇采用在DEFORM有限元軟件中得到的材料數(shù)據(jù)庫；在固液兩相區(qū)[33]，采用公式：keffT=1+(n?1)圖1.4導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線比熱容本模型通過在能量方程中定義等效比熱容，固相區(qū)采用在DEFORM有限元軟件材料庫中自帶的參數(shù)與jamatpro軟件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[33]，具體的變化曲線如圖1.5所示：ceff=fs圖1.5比熱容隨溫度變化曲線熱膨脹系數(shù)通過熱膨脹系數(shù)可實(shí)現(xiàn)軸承鋼的熱收縮行為，與比熱容的獲得條件相同，可得到熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化情況，如圖1.6所示。圖1.6熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線1.4連鑄過程有限元模擬及溫度場結(jié)果1.4.1連鑄過程有限元模擬根據(jù)上述邊界條件，在DEFORM軟件上對鑄坯的溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算。（1）幾何模型建立：軋制時選擇的方坯為150mm×150mm×500mm，為了簡化計(jì)算，采用1/4幾何模型，故實(shí)際幾何模型建立時方坯尺寸為75mm×75mm×500mm；（2）網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分如下圖所示；圖1.7材料網(wǎng)格劃分（3）材料參數(shù)選擇：選擇材料為GCr15軸承鋼并根據(jù)材料的成分和工藝條件在軟件上選擇合適的本構(gòu)模型——Arrhenius本構(gòu)模型，輸入相關(guān)的熱物性參數(shù)或公式；圖1.8材料參數(shù)的選擇（4）選擇對稱面；圖1.9對稱面的選擇（4）溫度場的計(jì)算：熱交換面的設(shè)置，選擇的換熱系數(shù)僅僅為材料表面與外部流體之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)，對稱面及兩端面不考慮。傳熱過程溫度模擬設(shè)置：鋼水冷卻的各個過程中的到模擬實(shí)驗(yàn)溫度過程中各個階段的換熱系數(shù)如表1.2所示，根據(jù)換熱系數(shù)可以得到在連鑄過程的溫度場；表1.2連鑄過程鋼水冷卻換熱方式和換熱系數(shù)冷卻過程結(jié)晶器段足輥段二冷區(qū)一區(qū)二冷區(qū)二區(qū)二冷區(qū)三區(qū)空冷段換熱方式熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)熱輻射水冷換熱系數(shù)/W?(14007104852432150圖1.10設(shè)置熱交換1.4.2溫度場模擬結(jié)果在完成上述的模