摘要：針對生產(chǎn)軸承鋼棒材產(chǎn)品出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物問題，以國內(nèi)某廠棒材連軋生產(chǎn)線為依據(jù)，對GCr15軸承鋼軋后進(jìn)行快速控制冷卻的溫度場進(jìn)行模擬研究，并運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中，取得了較好的效果。結(jié)合現(xiàn)場條件所能采用的各種冷卻工藝，利用計(jì)算機(jī)模擬方法，對冷卻工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析，使得GCr15軸承鋼φ20～60的產(chǎn)品的網(wǎng)狀級別≤2.0級，解決了中小規(guī)格棒材軸承鋼網(wǎng)狀碳化物達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的問題。

軸承鋼在冷卻過程中**網(wǎng)狀碳化物的析出，是改善和提高GCr15軸承鋼性能的必要條件。網(wǎng)狀碳化物的級別高會降低軸承的疲勞壽命，導(dǎo)致在軸承加工的研磨過程中產(chǎn)生磨裂(龜裂)；網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火過程中仍有保留，并易產(chǎn)生淬火裂紋或成為疲勞裂紋的發(fā)源地之一，作為軸承鋼棒材生產(chǎn)線，對軸承鋼網(wǎng)狀的控制顯得極其重要。

1軋制設(shè)備與工藝

某軋制棒材車間共有22架軋機(jī)，粗、中、預(yù)精軋各6架（共18架），精軋4架，其主要生產(chǎn)規(guī)格為φ20～90；在線水箱有4套，每個水箱有3條不同內(nèi)徑的管道，根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)格可分別運(yùn)用或組合運(yùn)用。水箱采用高壓噴嘴水冷卻方式，1＃、2＃、水箱各長7m，有9個噴嘴組成（其中6個正吹，2個反吹，一個氣吹）；3A、3B水箱各長5m（其中4個正吹，2個反吹，一個氣吹）。水壓1.5～1.8MPa，每小時**大耗水量1180L。

2軸承鋼軋后超快速冷卻分析和建模

2.1軋后快速冷卻分析

軋后控冷工藝的傳熱過程大體包括以下兩個階段：第一階段為急冷段，鋼材離開精軋機(jī)組在終軋溫度下，盡快進(jìn)入快速冷卻裝置，進(jìn)行快速冷卻。這個階段的傳熱按受迫對流沸騰魚湍流受迫對流傳熱兩種方式進(jìn)行。鋼進(jìn)入冷卻器后，由于鋼表面溫度**高于水的飽和溫度，水溫劇增至沸點(diǎn)并氣化，在鋼壁上形成動態(tài)蒸汽膜。此時射流水以≥1.0MPa壓力沖擊鋼表面，***打碎蒸汽膜，鋼外壁的移動又促進(jìn)了沸騰過程的進(jìn)行，這種傳熱過程具有很高的熱流量，使傳熱系數(shù)激增。第二階段為緩冷階段，鋼通過快速冷卻裝置后，在空氣中自然對流冷卻，這個階段鋼斷面上的熱量重新分布。這兩個過程都屬于軋件與外部環(huán)境之間進(jìn)行的熱交換（相變熱除外）。對于軋件內(nèi)部，不論軋件處于哪一階段，它們之間進(jìn)行的都是導(dǎo)熱過程。也就是說，金屬內(nèi)部的熱量通過導(dǎo)熱傳到金屬表面，再由金屬表面通過輻射和對流的方式傳遞給周圍的介質(zhì)，從而引起軋件內(nèi)各處溫度的變化。

根據(jù)冷卻導(dǎo)熱過程，軋后快速冷卻主要有以下兩種方式：

（1）水冷：強(qiáng)對流傳熱；

（2）空冷：相當(dāng)于熱輻射與接觸傳熱。

2.2軋后控制冷卻的模擬

采用ANSYS有限工具軟件，在利用有限元求解軋后控冷溫度場模擬計(jì)算的過程中，需要導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、環(huán)境溫度、冷卻水溫度、材料密度等，在不同溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容不是常數(shù)，是隨材料的**狀態(tài)和溫度而變化的，因此，也是隨時間而變化的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場參數(shù)產(chǎn)生情況，控制冷卻模擬選用軸承鋼為GCr15，材料密度為7810kg/m3；空氣溫度為25℃；冷卻水溫度為20℃。

對軋件的連續(xù)冷卻過程進(jìn)行了瞬態(tài)分析，模擬出不同冷卻方式的溫度變化，考慮到鋼材穿水后表面的**低溫度不能低于350℃，以免產(chǎn)生馬氏體**，因此水流流量應(yīng)該控制好，經(jīng)模擬分析一次穿水與二次穿水差異較大，具體見表2。

采取一次穿水后上冷床返紅，**終比較高溫度大于750℃。

采取二次穿水后上冷床返紅，**終比較高溫度低于700℃。

2.3模擬結(jié)果的驗(yàn)證

φ40軸承鋼進(jìn)行兩段式間斷快冷的控制冷卻工藝，從終軋溫度950～1000℃進(jìn)入2#水箱，出水箱后鋼溫返紅至700～750℃，再進(jìn)入3#B水箱進(jìn)行二次冷卻，出3#B水箱鋼的表面溫度為350～450℃，上冷床時表面溫度600～700℃，上冷床后鋼返紅比較高溫度提高10～30℃。

從測溫點(diǎn)的預(yù)測溫度和實(shí)測值的比較可知，預(yù)測偏差基本在20℃以內(nèi)，由此可見，利用數(shù)值模擬手段研究軸承鋼圓鋼冷卻過程溫度場是可行的，可以真實(shí)地反映圓鋼斷面溫度變化的趨勢及規(guī)律。

2.4軸承鋼軋后冷卻溫度場分析

模擬結(jié)果顯示軸承鋼采用一次快冷后的返紅溫度區(qū)間，會生成粗大珠光體和嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物。前人的大量試驗(yàn)結(jié)果表明，碳化物網(wǎng)狀的析出溫度為700～900℃之間，而且當(dāng)返紅溫度小于700℃時，基本消除了原始**中的網(wǎng)狀碳化物，因此應(yīng)加快這一溫度的鋼材冷卻速度。軸承鋼若采用一次性快冷到終冷溫度，由于鋼材斷面大，鋼材表面將發(fā)生馬氏體相變，斷面溫差加大，造成由表面到中心的**不同，中心部位溫度高則生成粗大珠光體和較嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物。為防止不均勻**的出現(xiàn)，應(yīng)采用多次間斷快冷工藝為宜。本文結(jié)合該廠生產(chǎn)線實(shí)際考慮采用二次冷卻工藝，通過工藝的調(diào)整，利用ANSYS模擬，控制返紅溫度在600～680℃之間。

3軋后超快速冷卻的**分析

φ40軸承鋼軋后穿水后的**為一次穿水的表面和中心**，可見表面**為珠光體和斷續(xù)的網(wǎng)狀碳化物，中心處為珠光體和連續(xù)較厚的網(wǎng)狀碳化物，碳化物網(wǎng)清晰。開啟了2#和3B水箱，表面返紅比較高控制在700℃以下，表面**為珠光體，沒有網(wǎng)狀碳化物，中心有少量細(xì)小的網(wǎng)狀碳化物。

φ40軸承鋼軋制速度為3.4m/s，軋制后立即進(jìn)入2#水箱急冷至400～500℃附近，冷卻速度控制在150～260℃/s，這一溫度區(qū)間應(yīng)該發(fā)生的再結(jié)晶晶粒長大受到了充分的**。之后經(jīng)短時間返紅后，再進(jìn)入3B水箱，然后上冷床空冷，控制比較高返紅在700℃以下，所需總時間是30s，在這一區(qū)間的平均冷卻速度為10～20℃/s，避免了網(wǎng)狀碳化物的析出。

4結(jié)論

（1）通過ANSYSY有限元軟件對軋后快速冷卻進(jìn)行模擬，能較好地與實(shí)際冷卻情況相匹配，為冷卻工藝的開發(fā)提供了幫助。

（2）ANSYSY有限元模擬，可以清晰地分析表面、中心的溫度變化，制定出較好的冷卻工藝，得到**為理想的效果。

（3）棒材超快速冷卻可以較好地**冷卻過程中網(wǎng)狀碳化物的析出，為改善軸承鋼的網(wǎng)狀級別提供了有效手段。

（4）現(xiàn)場的生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過軋后超快速冷卻控制，網(wǎng)狀級別均不大于2級，按照新的GB/T18254－2002標(biāo)準(zhǔn)，退火的網(wǎng)狀碳化物級別合格率達(dá)到100%。