一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，包括以下步骤：根据钢管移动线速度和淬火冷却喷水压力，计算连续感应淬火过程初始的工艺参数，包括加热过程工艺参数和淬火过程工艺参数；对钢管连续感应加热过程进行有限元分析，获得加热过程工艺参数与钢管内外表面温度之间的关系；对钢管淬火冷却过程进行有限元分析，获得淬火过程工艺参数与钢管组织分布情况之间的关系；根据工艺控制要求，获取符合工艺控制要求的加热过程工艺参数和淬火过程工艺参数，形成最终的钢管连续感应淬火过程控制参数；以获得的控制参数控制实际钢管连续淬火过程。与现有技术相比，本发明具有减少通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高工作效率等优点。
【专利说明】一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢管连续淬火工艺，尤其是涉及一种基于数值模拟的钢管连续淬 火过程控制方法。
【背景技术】
[0002] 钢管淬火热处理对于钢管整体性能的提升起着十分重要的作用。其淬火工艺是将 钢管加热至奥氏体化温度，使之全部或部分奥氏体化后，以大于临界冷却速度的速度快冷 至Ms点以下。淬火冷却后，钢管的组织为马氏体、贝氏体和少量残余奥氏体组织。
[0003] 目前国内钢管的连续热处理设备主要为步进式火焰炉或电阻炉。这种生产方式工 艺简单、设备成本较低，但能耗较高、污染严重。在使用该设备进行热处理时，需要严格控制 钢管长度。此外，由于加热时间较长，使得连续生产过程的效率大大降低。在节能减排为主 题的现代工业化潮流下，这种生产方式将逐步被新的热处理方式所淘汰。
[0004] 电磁感应加热原理主要是法拉第电磁感应定律和电流热效应的焦耳-楞次定律。 当块状金属在感应炉中处于变化的磁场中时，金属块内会产生感应涡电流。由于块状金属 电阻极小，涡流常常很强，并释放出大量的热量，在感应炉中正是利用这种涡流热效应来加 热金属。
[0005] 感应加热过程清洁无污染，且完全可由数字电路控制，易于实现自动化连续生产。 钢管在感应加热后表面氧化很少，基本没有脱碳，钢管外观质量好。在感应加热热处理过程 中，加热时间很短，升温很快，连续热处理效率极高。此外，感应加热热源为工件本身，热损 失较少。据统计，感应加热耗能比火焰炉低30% -50%，比电阻炉低20% -30%。
[0006] 目前国外感应热处理炉在钢管尤其是石油钢管的热处理中已经得到了应用和发 展。如美国隆斯塔钢铁公司及日本川崎钢铁公司都用中频感应热处理炉。国内鞍钢和西宁 特钢等也已将其引用到钢管生产中。然而，钢管在感应热处理生产过程中存在物理场复杂， 材料物性参数及感应电磁参数变化大，淬火组织和性能差异显著等特点。因此，对设备和工 艺要求较高。目前在制定感应热处理工艺方面普遍使用经验一试错的方法来调整工艺参 数，具有较大的偶然性和不合理性，造成了设备和工艺设计的成本大大增加。中国专利申请 "一种钢管的中频感应热处理装置及其热处理方法"（专利公布号：CN 1023638535A)提供 了一种薄壁钢管的中频感应热处理装置及其热处理方法。对壁厚2mm左右的薄壁无缝管进 行感应加热到1200°C仅需2s。但对于壁厚较大的钢管，由于集肤效应，其截面温度差异较 大。近外表面升温速率远高于内部升温速率。较大的温差，将造成钢管受热不均匀，导致淬 火软点、硬度不足，严重者将导致开裂，因此应用范围比较局限。
[0007] 钢管感应热处理过程是及其复杂的多物场、高温、动态和瞬时的过程，即使利用专 用的传感检测仪器也难以观察到材料内部的物理性能变化。因此，对钢管在感应热处理生 产过程中的工艺参数进行优化研究十分必要。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钢管连续感应 淬火工艺参数设计方法，利用数值模拟方法，预测产品的质量，减少试验次数，优化工艺参 数，进而确定最佳的工艺设计参数，减少通过试制确定工艺参数所造成的能源消耗，提高工 作效率。
[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010] 一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，所述的钢管连续淬火过程包 括：
[0011] 钢管连续感应加热过程：钢管以一定线速度在托辊上直线运动，经前矫直牵引机 牵引拉动，进入感应器组中进行奥氏体化，加热结束经空冷段自然冷却；
[0012] 钢管淬火冷却过程：钢管进入喷射淬火冷却室，冷却形成马氏体或贝氏体组织；
[0013] 所述的控制方法具体包括以下步骤：
[0014] 步骤一、根据钢管移动线速度和淬火冷却喷水压力，计算连续感应淬火过程初始 的工艺参数，包括加热过程工艺参数和淬火过程工艺参数；
[0015] 步骤二、对钢管连续感应加热过程进行有限元分析，获得加热过程工艺参数与钢 管内外表面温度之间的关系；
[0016] 步骤三、对钢管淬火冷却过程进行有限元分析，获得淬火过程工艺参数与钢管组 织分布情况之间的关系；
[0017] 步骤四、根据工艺控制要求和步骤二、三的结果，获取符合工艺控制要求的加热过 程工艺参数和淬火过程工艺参数，形成最终的钢管连续感应淬火过程控制参数；
[0018] 步骤五、以步骤四获得的控制参数控制实际钢管连续淬火过程。
[0019] 所述的加热过程工艺参数包括加热时间、空冷时间以及线圈励磁电流和频率；
[0020] 所述的淬火过程工艺参数包括淬火冷却时间和钢管与淬火介质之间的换热系数。
[0021] 所述的步骤二具体为：
[0022] 201)建立钢管、感应线圈和空气的几何模型；
[0023] 202)获取20-1000°C温度范围内钢管的磁导率、电阻率、导热系数、比热容和密度 以及感应线圈和空气的相对磁导率；
[0024] 203)计算钢管的集肤效应深度，根据该深度进行网格划分，划分网格时，网格密度 由钢管表面向外递减；
[0025] 所述的集肤效应深度δ的计算公式如下：
【权利要求】
1. 一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在于，所述的钢管连续淬 火过程包括： 钢管连续感应加热过程：钢管以一定线速度在托辊上直线运动，经前矫直牵引机牵引 拉动，进入感应器组中进行奥氏体化，加热结束经空冷段自然冷却； 钢管淬火冷却过程：钢管进入喷射淬火冷却室，冷却形成马氏体或贝氏体组织； 所述的控制方法具体包括以下步骤： 步骤一、根据钢管移动线速度和淬火冷却喷水压力，计算连续感应淬火过程初始的工 艺参数，包括加热过程工艺参数和淬火过程工艺参数； 步骤二、对钢管连续感应加热过程进行有限元分析，获得加热过程工艺参数与钢管内 外表面温度之间的关系； 步骤三、对钢管淬火冷却过程进行有限元分析，获得淬火过程工艺参数与钢管组织分 布情况之间的关系； 步骤四、根据工艺控制要求和步骤二、三的结果，获取符合工艺控制要求的加热过程工 艺参数和淬火过程工艺参数，形成最终的钢管连续感应淬火过程控制参数； 步骤五、以步骤四获得的控制参数控制实际钢管连续淬火过程。
2. 根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的加热过程工艺参数包括加热时间、空冷时间以及线圈励磁电流和频率； 所述的淬火过程工艺参数包括淬火冷却时间和钢管与淬火介质之间的换热系数。
3. 根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤二具体为： 201) 建立钢管、感应线圈和空气的几何模型； 202) 获取20-1000°C温度范围内钢管的磁导率、电阻率、导热系数、比热容和密度以及 感应线圈和空气的相对磁导率； 203) 计算钢管的集肤效应深度，根据该深度进行网格划分，划分网格时，网格密度由钢 管表面向外递减； 所述的集肤效应深度S的计算公式如下：
其中，P为钢管的电阻率，μ ^为钢管的相对磁导率，f为线圈励磁电流频率； 204) 设置感应加热工况，根据步骤一计算的加热过程工艺参数设置加载步骤； 205) 进行网格检查和物理检查，判断是否存在错误，若是，则提示错误信息，若否，则执 行步骤206); 206) 保存感应加热各个阶段的温度随时间变化情况及钢管外表面和内表面温差随时 间变化情况。
4. 根据权利要求3所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤201)中，建立钢管和感应线圈模型时，将运动对象模型等效为静止对象模 型。
5. 根据权利要求3所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤204)中，设置感应加热工况包括设定空气外边缘处磁势为零、设定线圈励 磁电流及频率、设定空气和钢管间的热交换系数和辐射系数。
6. 根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤三具体为： 301) 建立淬火冷却过程的钢管模型； 302) 采用六面体八节点单元进行网格划分； 303) 获取20-1000°C温度范围内钢管的比热、热导率、相变焓和相变动力学参数； 304) 设定淬火过程的边界条件； 305) 根据步骤一计算的淬火过程工艺参数设置淬火冷却加载步骤； 306) 进行网格检查和物理检查，判断是否存在错误，若是，则提示错误信息，若否，则执 行步骤307); 307) 保存淬火冷却过程中温度随时间的变化情况及钢管淬火结束后的组织分布情况。
7. 根据权利要求6所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤301)中，建立钢管模型时，以钢管横截面作为计算模型。
8. 根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的钢管连续淬火过程控制方法，其特征在 于，所述的步骤四中，工艺控制要求为：加热过程中钢管内外表面的温差达到设定范围且钢 管淬火后的组织分布达到设定范围。
【文档编号】C21D9/08GK104212969SQ201410478981
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】顾剑锋, 徐骏, 仝大明, 郜霞 申请人:上海交通大学