無縫鋼管熱軋后控冷工藝的組織性能數值模擬

為了實現無縫鋼管生產工藝流程中定（減）徑之后矯直之前的控制冷卻，采用數值模擬方法研究了２０號鋼管軋后冷卻過程的組織力學性能變化規律。首先采用試驗方法測定鋼探頭在不同冷卻介質條件下的溫度變化曲線，根據反傳熱法基本原理計算得出鋼探頭冷卻過程中表面換熱系數與工件溫度的關系。然后，采用有限差分法建立了鋼管冷卻過程中的溫度場、組織相變及力能性能預測系統，分析了不同冷卻工藝條件下鋼管的組織狀態與力學性能。最后，進行鋼管空冷過程的試驗分析，測定了不同時刻的溫度數據和冷態鋼管的力學性能，其計算結果與實測數據吻合良好。該研究結果可為實現無縫鋼管控制冷卻提供基礎性數據。

目前，國內鋼管生產企業面對無縫鋼管產能過剩的巨大挑戰，紛紛調整品種結構、淘汰落后產能并研發高質量產品。試驗研究證明：在無縫鋼管熱軋生產冷卻過程中實施控制冷卻工藝可以控制組織相變過程、細化晶粒，進而改善鋼管的力學性能。因此，開展無縫鋼管熱軋后不同冷卻制度下鋼管組織性能變化規律的研究具有重要的意義和應用價值。但由于無縫鋼管具有較大的輪廓斷面尺寸和規格變化范圍，從而使其在線熱處理的控制與實施面臨較多的變數，使得控冷工藝在無縫鋼管生產中的實施與應用受到很大約束，且相關的理論研究較板材相比也很少。吳化等通過試驗的方法研究了２２Ｍｎ２ＳｉＶＢＳ熱軋無縫鋼管空冷時的組織與性能，提出了使鋼管獲得均勻貝氏體和良好力學性能的措施。趙文雅采用數值模擬方法研究了４２ＣｒＭｏ中控鋼熱加工后空冷和風冷的溫度場。北京科技大學劉國勇博士采用有限元法研究了鋼管淬火過程均勻性。這些研究都沒有系統研究各種冷卻條件對鋼管冷卻過程中溫度變化、組織相變及力學性能影響規律。

為此，本文采用數值模擬與試驗分析的方法，建立了鋼管冷卻過程的溫度場、組織相變與性能多領域分析系統，研究了空冷、風冷、油冷等不同冷卻工藝下鋼管的組織狀態與力學性能變化規律，為實現鋼管軋后控制冷卻提供理論參考。

鋼管冷卻過程中在一定的溫度范圍內，適當的增大冷卻速度即增大相變過冷度，可以減小鐵素體的晶粒尺寸，細化鐵素體組織。此外，各組織相變溫度伴隨冷卻速度的增加呈明顯下降的趨勢，主要原因在于當相變區域冷卻速度增加時，奧氏體穩定性增強，延遲了相變的發生，導致相變點的溫度降低。而由力學性能的對比結果可知，經風冷和油冷得到的產品力學性能與空冷相比，抗拉強度、屈服強度、伸長率分別提高１．８％、４．６％、４．４％和３．７％、９．６％、７．９％，當采用空冷至７１５℃改為油冷工藝后，抗拉強度、屈服強度、伸長率分別提高了３．９％、９．７％、１１％。因此，選擇合適的冷卻制度可以提高鋼管的力學性能，然而提高的幅度隨冷卻制度的不同而不同。

模型應用與驗證

對天津某鋼管廠生產的材質為２０號鋼、規格為１４０ｍｍ×１３ｍｍ、長度為４００ｍｍ的無縫鋼管進行空冷試驗，取３個相同規格尺寸的工件，進行重復試驗，取其平均值，測得鋼管空冷過程中各個時刻的溫度值。采用相同工藝，利用以上所建模型進行仿真計算，并與實測數據進行對比和誤差分析，其結果如表３所示。

然后，將冷卻后的試驗工件進行線切割，從工件任意一個端面處沿中性層切出８ｍｍ×７４ｍｍ的圓柱，并將此圓柱加工成標準件，進行拉伸試驗，最后將試驗得到的力學性能測試值與仿真值進行對比，并進行誤差分析，其結果見表４。

各組數據的相對誤差均小于５％，在誤差允許的范圍內，驗證了仿真結果的正確性。

結論

１）針對熱軋無縫管軋后冷卻控制問題，采用有限差分法建立了熱軋后鋼管冷卻過程的溫度與組織性能預測模型。

２）利用反傳熱法測定了２０號鋼在空冷、風冷和油冷下的換熱系數曲線，為數值計算提供了材料數據。

３）根據數值計算和試驗結果可知：通過采用加速冷卻控制工藝，可使熱軋后無縫管鐵素體的晶粒尺寸得到細化，力學性能提高。

４）在根據空冷試驗驗證了數值計算模型的有效性后，通過數值分析得出：采用油冷、風冷替代空冷，鋼管的抗拉強度、屈服強度、伸長率將會分別提高１．８％、４．６％、４．４％和３．７％、９．６％、７．９％，采用空冷＋油冷復合冷卻工藝可望使抗拉強度、屈服強度、伸長率分別提高３．９％、９．７％、１１％。