辊式淬火过程中极薄钢板变形控制机理与应用

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传统中厚钢板辊式淬火已不能满足高品质极薄、超宽高强钢板热处理生产和研发需要,淬火工艺技术及装备更新换代已十分紧迫,而作为本领域热点研究内容,现有成果进一步增加了项目成功实施的可行性。本项目以极薄高强钢板为研究对象,引入极限冷速瞬间淬火方式和多束狭缝射流淬火技术,围绕淬火过程全板面高效有序传热的科学问题,开展高平直度板形控制的基础研究,开发板材横截面温度、应力和相变在大冷速条件下的瞬时协同控制工艺,获得全板面形变位移量无差异的高品质板材。上述相关研究已具备理论和实验基础,加之国内中厚钢板生产企业对高效能、低成本、减量化热处理和新型淬火装备工业化应用的需求,必将为项目研究成果创造良好的应用前景。主要结论如下:(1)利用计算流体力学,以Fluent软件为基础研究,分别对30°、45°、60°不同狭缝喷射角度以及20m/s、25m/s、30m/s不同射流速度两种工艺进行淬火模拟,定量分析不同区域的速度曲线和淬火钢板的温度曲线,分析可知30°与25m/s工艺条件下在不同区域速度曲线及淬火后钢板的极限冷速更加优异。(2)基于弹塑性有限元原理,利用ANSYS软件对钢板淬火后残余应力分布规律进行研究,采用第三类边界条件,总结出淬火热应力在不同时期、不同区域的变化规律,即:钢板表层在淬火初期受到拉应力,随着温度的变化,变成压应力;钢板心部则在淬火初期受到压应力,在淬火后期演变成拉应力。为研究钢板上下表面换热系数对热应力的影响,设定了三种不同的R值分别为5%、7.5%、10%。通过定量的热应力分析,当R值为5%时,钢板内部与表层的残余应力均匀性最优。(3)系统研究了不同射流倾角对极薄钢板淬火换热的影响,得出不同工艺下钢板的硬度均匀性的差异,硬度的偏差值分别为1%、2%以及3%,相同淬火工艺条件下,30°射流倾角得到的钢板淬火均匀性最优。利用X射线残余应力测量法对不同工艺条件下淬火均匀性进行了研究,得出钢板横向、纵向及斜向的残余应力与剪切应力的分布规律,结果表明,30°射流倾角得到的钢板淬火残余应力值分布更加均匀且数值更小。(4)基于模拟研究与实验测试,设计出新型狭缝射流淬火喷嘴结构和布置形式,应用于湖南华菱涟钢2300极薄辊式淬火装备,通过现场工艺参数调节,得出在辊道速度固定、水比为1.2时,钢板的平直度最优;水比固定、辊速为30m/min时,钢板的平直度最优。经考核淬后钢板平直度均达到或优于国家和企业考核标准,满足实际生产需要。相关研究获得了极薄高强钢板淬火换热规律,设计出极薄钢板核心狭缝喷嘴总体结构与喷嘴布置形式,为实现极限薄规格钢板高均匀性、高平直度淬火生产与新一代极限薄规格钢板辊压式淬火设备研发提供了理论与技术支持。
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