何广昌
广东省博罗县质量技术监督检测所 广东省惠州市 516100
摘要：为解决C-Si-Mn-Cr-Nb带钢冷却时的边裂问题，提出通过控制冷却速率改变其内部组织的方法来实现。首先，根据其CCT曲线能找到解决边裂问题对应的冷却速率以及生成组织，采用有限元法对带钢的冷却过程进行温度场模拟，能够获得对应冷速的温降曲线。结果表明：水淬系统通过控制冷却水流量实现带钢温度以40.864℃/s恒定速率下降，钢板内部生成不完全马氏体，钢板的边裂问题得到解决且抗拉强度也得到提升。
关键词：有限元法；温度场模拟；温降曲线；不完全马氏体
引言
高强带钢因材料本身高强度的性能优势，目前仍是车身材料的最优选择。C-Si-Mn-Cr-Nb高强带钢是目前车身主要的应用材料，其主要应用于A/B/C柱、车门槛、前后保险杠等。C-Si-Mn-Cr-Nb高强带钢在冷轧工艺中时常会发生边裂，其主要原因是带钢边部在冷却时有贝氏体生成、条带状碳化物不均匀析出、且边部组织晶粒粗大伴有混晶现象。
1冷却趋势的确定
本文的冷却对象确定为C-Si-Mn-Cr-Nb高强带钢，通过查阅资料得到带钢的CCT曲线图如图1所示。
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解决带钢的边裂问题就是要带钢在冷却时避免生成贝氏体组织、析出不均匀的条带状碳化物。根据图1可知，可通过控制冷却速率的方式使带钢在冷却时生成不完全的马氏体组织，在防止边裂的同时提升带钢的抗拉强度，所以确定图1中冷却速率为40℃/s为理想冷却曲线[1]。
2C-Si-Mn-Cr-Nb钢板的有限元分析
2.1带钢的材料属性与网格划分
确定好带钢种类后，通过查阅资料可得知C-Si-Mn-Cr-Nb带钢的密度为7890kg/m3、导热系数为71W/mK、比热容为530J/kgK。
确定带钢的热物性参数后，通过solidworks软件建立一个长、宽、高分别为2m、1m、0.01m的长方体带钢模型。由于带钢模型的形状规则，所以确定网格划分的大小为0.01m，网格划分示意图如图2所示。
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根据图2(a)可知，由于带钢模型的形状规则，所以网络划分的大小统一，不存在局部网格划分的现象；根据图2(b)可知，当网格划分大小为0.01m时，其网格的划分质量为1，代表网格划分质量最佳，这样划分不仅使温度场分析准确性最佳，而且在一定程度上节约分析时间[2]。
2.2温度场边界条件的确定
在整个温度场分析中，表面换热系数的大小影响物体之间传递热量的多少。在带钢冷却过程中，表面换热系数也受诸多因素的影响，比如：带钢温度、带钢的运行速度、冷却水温、水流密度、喷水压强、集水管的喷嘴大小、喷水管的排列等。
2.3温度场分析结果
通过对带钢的冷却过程进行多次温度场分析，确定出每个阶段最佳的表面换热系数，其中前三个阶段的表面换热系数分别为245W/m2K、418W/m2K、493W/m2K，根据前三阶段的表面传热系数进行温度场分析得到三个阶段的温降曲线，如图3所示[3]。
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将图3(a)与图2比较可知，第1s内的温降曲线不是以一个恒定的冷却速率冷却的，出现此状况的原因是带钢开始冷却时不仅与空气、冷却水进行对流换热，还与输送辊进行传热，冷却水和带钢并没有完全接触，所以钢板温度不是沿着直线的趋势下降的，而是沿着曲线的趋势下降的。
从图3(b)中可知，1.01~1.14s内还存在9弯曲现象；1.14~2s内基本上呈直线趋势下降，其主要原因是冷却水和带钢对流换热的比例在逐渐增加，但是总体温降速率略低于理想冷却速率[4]。
从图3(c)中可知，第3s内温降曲线的趋势近似于一条直线，此阶段内的温降速率与理想冷却速率几乎相同，可以确定此阶段主要是冷却水与带钢之间进行对流换热，冷却速率从第三阶段开始趋于稳定状态，带钢的抗拉强度也趋于稳定。在整个冷却过程分析完成后，通过Origin软件将每个阶段的温降曲线整合成一条温降曲线，如图4所示。
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根据图4可知，冷却曲线的总体趋势近似于一条直线，通过计算得知上述曲线的温降速率为40.864℃/s，与理想冷却速率存在相对误差，但其相对误差在0~2℃/s可控范围内，此曲线可实际应用于C-Si-Mn-Cr-N带钢的冷扎工艺。
3冷却水流量计算
通过对C-Si-Mn-Cr-N带钢的冷却过程进行温度场分析，得出一条与理想冷却速率几乎相同的温降曲线，为了使带钢在水淬系统中能够按照温降曲线的趋势进行降温，还需对其冷却水流量进行计算。在ANSYSworkbench软件中，不仅能分析出冷却过程的温降曲线，还能分析出每个时刻对应的热流密度值，其中前8s对应的热流密度，如表1所示。
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根据表1可知，冷却水流量需要热流密度结合牛顿冷却定律、平均换热系数模型进行计算。牛顿冷却定律是指温度高于周围环境的物体向周围介质传递热量逐渐冷却所遵循的规律，其中牛顿冷却定律公式如下：
Q=ht
热流密度值确定后，平均换热系数模型需根据冷却形式进行确定，其中水淬系统对带钢的冷却形式是射击流冲击冷却，而且确定采用喷嘴为圆形的喷水管对钢板进行冷却，其中单个圆形喷嘴射击流结构示意图，如图6所示[5]。
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根据图5确定了喷水管的规格，其直径D为0.02m，通过工厂实地考察确定喷水高度H为0.2m，滞留区r为0.1m。通过分析与计算可得关联式：
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根据上述公式，通过matlab软件计算单个喷水管流量Q的变化曲线，如图6所示。
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根据图6可知，0~8s的冷却水流量变化相对稳定，8~15s的冷却水流量呈现出急剧递增的趋势，其主要原因是0~8s带钢与冷却水的温差过大，带钢与水之间传递的热量很多，单位时间内不需要过多冷却水带钢就能以恒定的温降速率冷却；8~15s带钢与冷却水的温差相对于0~8s减小了很多，带钢与冷却水之间传递的热量减少了，为使带钢以恒定的冷却速率冷却就必须加大冷却水流量来增大带钢与水传递的热量。
结语：根据温降曲线对应的热流密度值结合牛顿冷却定律、平均换热系数模型计算出带钢冷却时的冷却水流量。结果表明：在水淬系统控制流量的情况下，带钢温度以40.864℃/s恒定冷速下降，带钢内部生成不完全马氏体组织，边裂问题得到解决以及抗拉强度也得到提升。
参考文献：
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[4]郑义明,何凌峰,潘登.船舶主机冷却水量的估算方法[J].广东造船,2012,31(01):71-72.
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