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軸承鋼棒材超快冷卻的實際運用研究

文章來源: 上傳時間:2017-08-17 瀏覽次數(shù):

摘要:針對生產(chǎn)軸承鋼棒材產(chǎn)品出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物問題,以國內(nèi)某廠棒材連軋生產(chǎn)線為依據(jù),對GCr15軸承鋼軋后進(jìn)行快速控制冷卻的溫度場進(jìn)行模擬研究,并運用于實際生產(chǎn)中,取得了較好的效果。結(jié)合現(xiàn)場條件所能采用的各種冷卻工藝,利用計算機(jī)模擬方法,對冷卻工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析,使得GCr15軸承鋼φ20~60的產(chǎn)品的網(wǎng)狀級別≤2.0級,解決了中小規(guī)格棒材軸承鋼網(wǎng)狀碳化物達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的問題。

軸承鋼在冷卻過程中**網(wǎng)狀碳化物的析出,是改善和提高GCr15軸承鋼性能的必要條件。網(wǎng)狀碳化物的級別高會降低軸承的疲勞壽命,導(dǎo)致在軸承加工的研磨過程中產(chǎn)生磨裂(龜裂);網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重,不但球化退火不能消除,甚至在以后的淬火過程中仍有保留,并易產(chǎn)生淬火裂紋或成為疲勞裂紋的發(fā)源地之一,作為軸承鋼棒材生產(chǎn)線,對軸承鋼網(wǎng)狀的控制顯得極其重要。

1軋制設(shè)備與工藝

某軋制棒材車間共有22架軋機(jī),粗、中、預(yù)精軋各6架(共18架),精軋4架,其主要生產(chǎn)規(guī)格為φ20~90;在線水箱有4套,每個水箱有3條不同內(nèi)徑的管道,根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)格可分別運用或組合運用。水箱采用高壓噴嘴水冷卻方式,1#、2#、水箱各長7m,有9個噴嘴組成(其中6個正吹,2個反吹,一個氣吹);3A、3B水箱各長5m(其中4個正吹,2個反吹,一個氣吹)。水壓1.5~1.8MPa,每小時**大耗水量1180L。

2軸承鋼軋后超快速冷卻分析和建模

2.1軋后快速冷卻分析

軋后控冷工藝的傳熱過程大體包括以下兩個階段:第一階段為急冷段,鋼材離開精軋機(jī)組在終軋溫度下,盡快進(jìn)入快速冷卻裝置,進(jìn)行快速冷卻。這個階段的傳熱按受迫對流沸騰魚湍流受迫對流傳熱兩種方式進(jìn)行。鋼進(jìn)入冷卻器后,由于鋼表面溫度**高于水的飽和溫度,水溫劇增至沸點并氣化,在鋼壁上形成動態(tài)蒸汽膜。此時射流水以≥1.0MPa壓力沖擊鋼表面,***打碎蒸汽膜,鋼外壁的移動又促進(jìn)了沸騰過程的進(jìn)行,這種傳熱過程具有很高的熱流量,使傳熱系數(shù)激增。第二階段為緩冷階段,鋼通過快速冷卻裝置后,在空氣中自然對流冷卻,這個階段鋼斷面上的熱量重新分布。這兩個過程都屬于軋件與外部環(huán)境之間進(jìn)行的熱交換(相變熱除外)。對于軋件內(nèi)部,不論軋件處于哪一階段,它們之間進(jìn)行的都是導(dǎo)熱過程。也就是說,金屬內(nèi)部的熱量通過導(dǎo)熱傳到金屬表面,再由金屬表面通過輻射和對流的方式傳遞給周圍的介質(zhì),從而引起軋件內(nèi)各處溫度的變化。

根據(jù)冷卻導(dǎo)熱過程,軋后快速冷卻主要有以下兩種方式:

(1)水冷:強對流傳熱;

(2)空冷:相當(dāng)于熱輻射與接觸傳熱。

2.2軋后控制冷卻的模擬

采用ANSYS有限工具軟件,在利用有限元求解軋后控冷溫度場模擬計算的過程中,需要導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、環(huán)境溫度、冷卻水溫度、材料密度等,在不同溫度下,導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容不是常數(shù),是隨材料的**狀態(tài)和溫度而變化的,因此,也是隨時間而變化的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場參數(shù)產(chǎn)生情況,控制冷卻模擬選用軸承鋼為GCr15,材料密度為7810kg/m3;空氣溫度為25℃;冷卻水溫度為20℃。

對軋件的連續(xù)冷卻過程進(jìn)行了瞬態(tài)分析,模擬出不同冷卻方式的溫度變化,考慮到鋼材穿水后表面的**低溫度不能低于350℃,以免產(chǎn)生馬氏體**,因此水流流量應(yīng)該控制好,經(jīng)模擬分析一次穿水與二次穿水差異較大,具體見表2。

采取一次穿水后上冷床返紅,**終比較高溫度大于750℃。

采取二次穿水后上冷床返紅,**終比較高溫度低于700℃。

2.3模擬結(jié)果的驗證

φ40軸承鋼進(jìn)行兩段式間斷快冷的控制冷卻工藝,從終軋溫度950~1000℃進(jìn)入2#水箱,出水箱后鋼溫返紅至700~750℃,再進(jìn)入3#B水箱進(jìn)行二次冷卻,出3#B水箱鋼的表面溫度為350~450℃,上冷床時表面溫度600~700℃,上冷床后鋼返紅比較高溫度提高10~30℃。

從測溫點的預(yù)測溫度和實測值的比較可知,預(yù)測偏差基本在20℃以內(nèi),由此可見,利用數(shù)值模擬手段研究軸承鋼圓鋼冷卻過程溫度場是可行的,可以真實地反映圓鋼斷面溫度變化的趨勢及規(guī)律。

2.4軸承鋼軋后冷卻溫度場分析

模擬結(jié)果顯示軸承鋼采用一次快冷后的返紅溫度區(qū)間,會生成粗大珠光體和嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物。前人的大量試驗結(jié)果表明,碳化物網(wǎng)狀的析出溫度為700~900℃之間,而且當(dāng)返紅溫度小于700℃時,基本消除了原始**中的網(wǎng)狀碳化物,因此應(yīng)加快這一溫度的鋼材冷卻速度。軸承鋼若采用一次性快冷到終冷溫度,由于鋼材斷面大,鋼材表面將發(fā)生馬氏體相變,斷面溫差加大,造成由表面到中心的**不同,中心部位溫度高則生成粗大珠光體和較嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物。為防止不均勻**的出現(xiàn),應(yīng)采用多次間斷快冷工藝為宜。本文結(jié)合該廠生產(chǎn)線實際考慮采用二次冷卻工藝,通過工藝的調(diào)整,利用ANSYS模擬,控制返紅溫度在600~680℃之間。

3軋后超快速冷卻的**分析

φ40軸承鋼軋后穿水后的**為一次穿水的表面和中心**,可見表面**為珠光體和斷續(xù)的網(wǎng)狀碳化物,中心處為珠光體和連續(xù)較厚的網(wǎng)狀碳化物,碳化物網(wǎng)清晰。開啟了2#和3B水箱,表面返紅比較高控制在700℃以下,表面**為珠光體,沒有網(wǎng)狀碳化物,中心有少量細(xì)小的網(wǎng)狀碳化物。

φ40軸承鋼軋制速度為3.4m/s,軋制后立即進(jìn)入2#水箱急冷至400~500℃附近,冷卻速度控制在150~260℃/s,這一溫度區(qū)間應(yīng)該發(fā)生的再結(jié)晶晶粒長大受到了充分的**。之后經(jīng)短時間返紅后,再進(jìn)入3B水箱,然后上冷床空冷,控制比較高返紅在700℃以下,所需總時間是30s,在這一區(qū)間的平均冷卻速度為10~20℃/s,避免了網(wǎng)狀碳化物的析出。

4結(jié)論

(1)通過ANSYSY有限元軟件對軋后快速冷卻進(jìn)行模擬,能較好地與實際冷卻情況相匹配,為冷卻工藝的開發(fā)提供了幫助。

(2)ANSYSY有限元模擬,可以清晰地分析表面、中心的溫度變化,制定出較好的冷卻工藝,得到**為理想的效果。

(3)棒材超快速冷卻可以較好地**冷卻過程中網(wǎng)狀碳化物的析出,為改善軸承鋼的網(wǎng)狀級別提供了有效手段。

(4)現(xiàn)場的生產(chǎn)實踐表明,通過軋后超快速冷卻控制,網(wǎng)狀級別均不大于2級,按照新的GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn),退火的網(wǎng)狀碳化物級別合格率達(dá)到100%。

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