[发明专利]一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，首先基于有限元分析软件实现对大规格棒材的精确建模、划分网格、建立边界条件及表面单元及空间节点的建立等工作；然后利用POST26后处理器对大规格棒材空冷过程的温度场进行瞬态分析，计算棒材芯部考虑相变热的温度变化曲线。本发明方法考虑了大规格棒材空冷过程中相变过程产生的热量对棒材空冷温度场的影响，克服了现有研究对棒材空冷温度场计算时忽略相变热的缺陷，不仅提高了空冷温度场的计算精度，而且降低了建模的复杂性和计算量，能够高效预测大规格棒材空冷过程的温度分布。

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及热轧大规格棒材空冷温度场计算方法。

背景技术

在热轧大规格棒材(直径超过50mm的棒材)的生产中，一般采取空冷方式进行冷却。空冷过程中往往伴随着组织的转变，轧件温度的变化对组织转变起到了至关重要的作用。在组织转变过程中，相变潜热的释放造成相变过程中金属温度回升并且导致相变的持续时间变长，它使相变在一个波动范围小、相对稳定的温度区间内进行，类似于等温转变。空冷条件下的金属相变的这种等温转变特性，降低了相变过程中的冷却速度，影响组织的形成。温度影响组织，抛开相变潜热研究大规格棒材空冷过程的温度变化，很难准确预测棒材在空冷过程中的组织演变。

发明内容

为了实现对大规格棒材空冷过程中组织演变的调控，掌握相变热对大规格棒材空冷过程温度变化规律的影响是非常重要的。

针对目前对大规格棒材空冷过程中的温度场计算缺陷，本发明采用有限元模拟的方式，基于有限元仿真提出一种考虑相变热的大规格棒材空冷温度场计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：根据棒材几何参数，在有限元分析软件ANSYS的前处理模块中建立棒材的三维几何模型，或在三维建模软件中建立棒材的三维几何模型，并将节点单元数据读入有限元分析软件ANSYS中；

步骤2：建立材料热物性参数模型；

步骤3：在有限元分析软件ANSYS中对棒材的三维几何模型进行网格划分；

步骤4：定义实体单元和表面效应单元类型及表面效应单元实常数；

步骤5：设置初始条件和边界条件；

步骤6：施加载荷及载荷选项；

步骤7：导入相变热模型；

利用有限元分析软件ANSYS计算空冷状态下相变潜热时，利用补热法进行模拟分析，将相变潜热作为一个内热源加入到有限元分析软件ANSYS分析过程中，即在相变区间内，通过内热源释放等效的热量从而替代相变产生的热量，具体相变热模型如下：

即：

式中T代表温度(℃)，x、y分别为中间坯厚度和宽度方向坐标，λ代表试验钢的导热系数(W/m·k)，ρ代表试验钢的密度(kg/m³)，Cp代表试验钢的比热容(J/kg·K)，qv代表内热源强度(W/m³)；

步骤8：进行模拟求解设置；

步骤9：设置计算时间步长和迭代步数，完成求解；

步骤10：进入时间-历程POST26后处理器，对所述相变热模型进行瞬态分析，获取棒材三维几何模型在冷却过程中任意时间点上的温度值，计算棒材芯部考虑相变热的温度变化曲线。