45#鋼板熱處理過程溫度模擬與驗證

曾珍珍　單雨祥　陳金桂　楊義　朱燦陽

摘 要：隨著科學技術的發展，現階段我國的機械加工行業以及材料生產行業取得了令人矚目的成就。我國機械材料加工行業在進行熱處理、鍛造機械加工以及焊接等工藝時，已經形成了一個完整的工藝生產鏈。對材料進行熱處理，不僅能夠賦予零件基本性能，還能夠對生產工具進行強化，因此，熱處理在材料生產過程中扮演著重要的作用。本文利用計算機軟件模擬分析了45#鋼熱處理過程中溫度場的變化，并對預測結果進行了驗證，以期為相關工作者提供指導和幫助。

關鍵詞：45#鋼；熱處理；計算機模擬；驗證

隨著科學技術的快速發展，現階段機械加工行業在進行材料熱處理過程溫度模擬時，已經開始利用信息技術以及計算機軟件技術來實現。通過信息技術的應用，能夠建立有效反映45#鋼材熱處理過程中的溫度場、濃度場、相變以及應力應變的數學模型，[1]從而更加準確地對45#鋼材生產過程中各種復雜的物理以及化學現象進行計算機模擬。相關工作人員通過對預測結果進行分析評估之后制定出更為完善的熱處理工藝，從而提升對45#鋼板熱處理過程的智能化控制，實現清潔生產、精密生產的目的。

但是由于我國計算機技術以及機械自動化生產技術起步較晚，導致我國在進行鋼材熱處理時更多的選擇傳統的性能測定以及觀察方法。這種方法無法實現對熱處理過程的直接觀察和測量，導致產品生產的效率降低和成本升高。現階段，我國機械制造領域開始逐漸引入計算機模擬仿真技術，使得我國的機械制造得到了快速發展。

一、觀察模型的建立

（一）物理模型簡化

本文選擇45#鋼板作為研究對象，進行加工時的氮氣作為保護氣體，協助進行45#鋼板的熱處理。生產45#鋼板的規格為（10～60mm）×（800～1550mm）×（1500～2500mm），45#鋼材的生產模式為連續運行模式以及擺動運行模式[2]兩種。

在進行本次研究時，由于45#鋼板具有兩端對稱傳熱的特點，因此在進行本次研究時，只選擇45#鋼板的一半面積作為研究對象。

（二）建立實驗模型

在進行研究時，為了更好的實現對模型的精度研究，常對進行45#鋼板熱處理的常化爐進行假設以及建模。具體假設以及建模過程如下：第一，常化爐的溫度在常化爐的長軸方向上呈分階段現行分布，而對實際情況下常化爐長軸方向的輻射換熱不進行考慮；第二，45#鋼板的熱量交換只在表面進行，同時45#鋼板表面的熱量傳遞主要通過輻射以及對流的形式進行；第三，在進行45#鋼板的熱處理時，鋼板是以勻速運動的形式進行的，同時45#鋼板的斷面與整個常化爐的長軸呈90°角，同時隨著鋼板的運行而移動；第四，在進行鋼板熱處理時，45#鋼板的表面熱量發射率為常數；第五，將爐輥對45#鋼板的導熱忽略不計。

（三）鋼板表面對流換熱系數的確定

前文提到，在進行45#鋼板的熱處理時，常化爐內含有保護氣體，同時，由于對45#鋼板的熱處理工藝通常是低溫熱處理，因此在進行熱處理過程時需要考慮到爐內傳熱的對流情況。現階段常化爐內的保護氣體多為氮氣，由于輻射管內采用間接加熱方式，同時常化爐內的45#鋼板運行速度極慢，這使爐內氮氣的流速較低。為了有效進行表面對流換熱系數的計算，本次研究采用的是自然對流公式，[3]如下：

（Nμ為努謝爾數；L為特性尺寸；λn為氮氣導系數；C和n為系數；Gr為格拉曉夫數；β為氮氣體積膨脹系數；g為重力加速度。）

二、模型驗證及其數值計算結果分析

（一）數學模型的驗證

前文已經介紹了本次對45#鋼板熱處理過程的數學模型，為了驗證該模型的正確性，在常化爐中進行了相關的“內部溫度黑匣子實驗測試”。進行本次實驗選擇的45#鋼板尺寸為40mm×2500mm×7500mm，將鋼板初次置入常化爐時的自身溫度為25℃，鋼板的運行模式為連續運行，鋼板的運行速度調節至0.3m/min，整個熱處理過程的時間為3小時。

在進行45#鋼板的熱處理時，需要在進行本次研究的黑匣子上進行熱電偶的安裝，具體來說，沿著鋼板的橫界面安裝了四個熱電偶，1號熱電偶距45#鋼板上表面5mm，2號熱電偶距45#鋼板上表面20mm，3號距45#鋼板下表面5mm，4號距45#鋼板下表面20mm，同時，在整個研究過程中，溫度記錄儀每隔5s進行一次溫度的采樣，并將所有采集到的數據進行匯總分析。

（二）實驗結果分析

通過計算機將采集到的溫度數據進行溫度-時間圖的繪制，發現圖表與實驗之前數學模擬計算結果基本一致。二者的圖像基本實現了吻合，最大誤差僅有7%，最大相對誤差僅有2.3%，因此我們得出結論：通過計算機對45#鋼板熱處理過程進行數字建模，其模型的可信度較高。下列畫出了計算機模擬數據以及本次模擬中不同位置點鋼板溫度和時間的變化曲線。圖1，是實驗中不同位置處的溫度曲線；圖2，通過計算機模擬預測對應點的溫度曲線。

三、結論

綜上所述，通過利用有限元軟件進行45#鋼板熱處理過程的溫度模擬以及實際實驗驗證后，我們得到了如下結論：

第一，在建立數學以及物理模型后，通過自然對流的方法來對45#鋼板表面的對流換熱系數進行計算，模擬計算數值與實驗測量數值的差距在2.7%以內。

第二，在進行45#鋼板的熱處理時，鋼板的周邊溫度與心部溫度之間的差距在2℃以內，因此在進行常化爐溫度的制定時可以不考慮鋼板厚度造成的溫度差。

第三，通過計算機模擬技術實現對45#鋼板熱處理過程的分析，幫助工作人員進行工藝控制的改良，實現材料生產過程中的生產成本降低以及設計工序的簡化，從而提升經濟效益，縮短工藝開發周期。

參考文獻：

[1]姜海昌，封輝，潘雪新，胡小鋒，付鴻，黃耀，韓軍科.熱處理溫度對S355J2W耐候鋼板組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2018，43（06）：122-125.

[2]宋中華，丁翠嬌，歐陽德剛，楊超.鋼板熱處理過程溫度模擬與驗證[J].工業加熱，2017，42（05）：49-51+54.

[3]王青，秦紅新，管秀兵.特殊要求的12Cr1MoVR鋼板熱處理工藝研究[J].寬厚板，2018，23（04）：12-14.

[4]吳益文，朱子恒，徐凌云，吉靜，王彪.熱處理溫度對IF鋼板第二相粒子和力學性能的影響[J].理化檢驗（物理分冊），2017，51（02）：87-91.