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轴承钢棒材超快冷却的实际运用研究

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软糖少女 发布于:2017年3月14日 来源: 已被浏览:345次,

摘要:针对生产轴承钢棒材产品出现的网状碳化物问题,以国内某厂棒材连轧生产线为依据,对GCr15轴承钢轧后进行快速控制冷却的温度场进行模拟研究,并运用于实际生产中,取得了较好的效果。结合现场条件所能采用的各种冷却工艺,利用计算机模拟方法,对冷却工艺进行了优化分析,使得GCr15轴承钢φ20~60的产品的网状级别≤2.0级,解决了中小规格棒材轴承钢网状碳化物达不到标准要求的问题。

轴承钢在冷却过程中抑制网状碳化物的析出,是改善和提高GCr15轴承钢性能的必要条件。网状碳化物的级别高会降低轴承的疲劳寿命,导致在轴承加工的研磨过程中产生磨裂(龟裂);网状碳化物严重,不但球化退火不能消除,甚至在以后的淬火过程中仍有保留,并易产生淬火裂纹或成为疲劳裂纹的发源地之一,作为轴承钢棒材生产线,对轴承钢网状的控制显得极其重要。

1轧制设备与工艺

某轧制棒材车间共有22架轧机,粗、中、预精轧各6架(共18架),精轧4架,其主要生产规格为φ20~90;在线水箱有4套,每个水箱有3条不同内径的管道,根据不同的生产规格可分别运用或组合运用。水箱采用高压喷嘴水冷却方式,1#、2#、水箱各长7m,有9个喷嘴组成(其中6个正吹,2个反吹,一个气吹);3A、3B水箱各长5m(其中4个正吹,2个反吹,一个气吹)。水压1.5~1.8MPa,每小时最大耗水量1180L。

2轴承钢轧后超快速冷却分析和建模

2.1轧后快速冷却分析

轧后控冷工艺的传热过程大体包括以下两个阶段:第一阶段为急冷段,钢材离开精轧机组在终轧温度下,尽快进入快速冷却装置,进行快速冷却。这个阶段的传热按受迫对流沸腾鱼湍流受迫对流传热两种方式进行。钢进入冷却器后,由于钢表面温度大大高于水的饱和温度,水温剧增至沸点并气化,在钢壁上形成动态蒸汽膜。此时射流水以≥1.0MPa压力冲击钢表面,全面打碎蒸汽膜,钢外壁的移动又促进了沸腾过程的进行,这种传热过程具有很高的热流量,使传热系数激增。第二阶段为缓冷阶段,钢通过快速冷却装置后,在空气中自然对流冷却,这个阶段钢断面上的热量重新分布。这两个过程都属于轧件与外部环境之间进行的热交换(相变热除外)。对于轧件内部,不论轧件处于哪一阶段,它们之间进行的都是导热过程。也就是说,金属内部的热量通过导热传到金属表面,再由金属表面通过辐射和对流的方式传递给周围的介质,从而引起轧件内各处温度的变化。

根据冷却导热过程,轧后快速冷却主要有以下两种方式:

(1)水冷:强对流传热;

(2)空冷:相当于热辐射与接触传热。

2.2轧后控制冷却的模拟

采用ANSYS有限工具软件,在利用有限元求解轧后控冷温度场模拟计算的过程中,需要导热系数、比热容、环境温度、冷却水温度、材料密度等,在不同温度下,导热系数、比热容不是常数,是随材料的组织状态和温度而变化的,因此,也是随时间而变化的。根据相关文献及现场参数产生情况,控制冷却模拟选用轴承钢为GCr15,材料密度为7810kg/m3;空气温度为25℃;冷却水温度为20℃。

对轧件的连续冷却过程进行了瞬态分析,模拟出不同冷却方式的温度变化,考虑到钢材穿水后表面的最低温度不能低于350℃,以免产生马氏体组织,因此水流流量应该控制好,经模拟分析一次穿水与二次穿水差异较大,具体见表2。

采取一次穿水后上冷床返红,最终最高温度大于750℃。

采取二次穿水后上冷床返红,最终最高温度低于700℃。

2.3模拟结果的验证

φ40轴承钢进行两段式间断快冷的控制冷却工艺,从终轧温度950~1000℃进入2#水箱,出水箱后钢温返红至700~750℃,再进入3#B水箱进行二次冷却,出3#B水箱钢的表面温度为350~450℃,上冷床时表面温度600~700℃,上冷床后钢返红最高温度提高10~30℃。

从测温点的预测温度和实测值的比较可知,预测偏差基本在20℃以内,由此可见,利用数值模拟手段研究轴承钢圆钢冷却过程温度场是可行的,可以真实地反映圆钢断面温度变化的趋势及规律。

2.4轴承钢轧后冷却温度场分析

模拟结果显示轴承钢采用一次快冷后的返红温度区间,会生成粗大珠光体和严重的网状碳化物。前人的大量试验结果表明,碳化物网状的析出温度为700~900℃之间,而且当返红温度小于700℃时,基本消除了原始组织中的网状碳化物,因此应加快这一温度的钢材冷却速度。轴承钢若采用一次性快冷到终冷温度,由于钢材断面大,钢材表面将发生马氏体相变,断面温差加大,造成由表面到中心的组织不同,中心部位温度高则生成粗大珠光体和较严重的网状碳化物。为防止不均匀组织的出现,应采用多次间断快冷工艺为宜。本文结合该厂生产线实际考虑采用二次冷却工艺,通过工艺的调整,利用ANSYS模拟,控制返红温度在600~680℃之间。

3轧后超快速冷却的组织分析

φ40轴承钢轧后穿水后的组织为一次穿水的表面和中心组织,可见表面组织为珠光体和断续的网状碳化物,中心处为珠光体和连续较厚的网状碳化物,碳化物网清晰。开启了2#和3B水箱,表面返红最高控制在700℃以下,表面组织为珠光体,没有网状碳化物,中心有少量细小的网状碳化物。

φ40轴承钢轧制速度为3.4m/s,轧制后立即进入2#水箱急冷至400~500℃附近,冷却速度控制在150~260℃/s,这一温度区间应该发生的再结晶晶粒长大受到了充分的抑制。之后经短时间返红后,再进入3B水箱,然后上冷床空冷,控制最高返红在700℃以下,所需总时间是30s,在这一区间的平均冷却速度为10~20℃/s,避免了网状碳化物的析出。

4结论

(1)通过ANSYSY有限元软件对轧后快速冷却进行模拟,能较好地与实际冷却情况相匹配,为冷却工艺的开发提供了帮助。

(2)ANSYSY有限元模拟,可以清晰地分析表面、中心的温度变化,制定出较好的冷却工艺,得到最为理想的效果。

(3)棒材超快速冷却可以较好地抑制冷却过程中网状碳化物的析出,为改善轴承钢的网状级别提供了有效手段。

(4)现场的生产实践表明,通过轧后超快速冷却控制,网状级别均不大于2级,按照新的GB/T18254-2002标准,退火的网状碳化物级别合格率达到100%。

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