轴承钢棒材超快冷却的实际运用研究

摘要：针对生产轴承钢棒材产品出现的网状碳化物问题，以国内某厂棒材连轧生产线为依据，对GCr15轴承钢轧后进行快速控制冷却的温度场进行模拟研究，并运用于实际生产中，取得了较好的效果。结合现场条件所能采用的各种冷却工艺，利用计算机模拟方法，对冷却工艺进行了优化分析，使得GCr15轴承钢φ20～60的产品的网状级别≤2.0级，解决了中小规格棒材轴承钢网状碳化物达不到标准要求的问题。

轴承钢在冷却过程中**网状碳化物的析出，是改善和提高GCr15轴承钢性能的必要条件。网状碳化物的级别高会降低轴承的疲劳寿命，导致在轴承加工的研磨过程中产生磨裂(龟裂)；网状碳化物严重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火过程中仍有保留，并易产生淬火裂纹或成为疲劳裂纹的发源地之一，作为轴承钢棒材生产线，对轴承钢网状的控制显得极其重要。

1轧制设备与工艺

某轧制棒材车间共有22架轧机，粗、中、预精轧各6架（共18架），精轧4架，其主要生产规格为φ20～90；在线水箱有4套，每个水箱有3条不同内径的管道，根据不同的生产规格可分别运用或组合运用。水箱采用高压喷嘴水冷却方式，1＃、2＃、水箱各长7m，有9个喷嘴组成（其中6个正吹，2个反吹，一个气吹）；3A、3B水箱各长5m（其中4个正吹，2个反吹，一个气吹）。水压1.5～1.8MPa，每小时**大耗水量1180L。

2轴承钢轧后超快速冷却分析和建模

2.1轧后快速冷却分析

轧后控冷工艺的传热过程大体包括以下两个阶段：第一阶段为急冷段，钢材离开精轧机组在终轧温度下，尽快进入快速冷却装置，进行快速冷却。这个阶段的传热按受迫对流沸腾鱼湍流受迫对流传热两种方式进行。钢进入冷却器后，由于钢表面温度**高于水的饱和温度，水温剧增至沸点并气化，在钢壁上形成动态蒸汽膜。此时射流水以≥1.0MPa压力冲击钢表面，***打碎蒸汽膜，钢外壁的移动又促进了沸腾过程的进行，这种传热过程具有很高的热流量，使传热系数激增。第二阶段为缓冷阶段，钢通过快速冷却装置后，在空气中自然对流冷却，这个阶段钢断面上的热量重新分布。这两个过程都属于轧件与外部环境之间进行的热交换（相变热除外）。对于轧件内部，不论轧件处于哪一阶段，它们之间进行的都是导热过程。也就是说，金属内部的热量通过导热传到金属表面，再由金属表面通过辐射和对流的方式传递给周围的介质，从而引起轧件内各处温度的变化。

根据冷却导热过程，轧后快速冷却主要有以下两种方式：

（1）水冷：强对流传热；

（2）空冷：相当于热辐射与接触传热。

2.2轧后控制冷却的模拟

采用ANSYS有限工具软件，在利用有限元求解轧后控冷温度场模拟计算的过程中，需要导热系数、比热容、环境温度、冷却水温度、材料密度等，在不同温度下，导热系数、比热容不是常数，是随材料的**状态和温度而变化的，因此，也是随时间而变化的。根据相关文献及现场参数产生情况，控制冷却模拟选用轴承钢为GCr15，材料密度为7810kg/m3；空气温度为25℃；冷却水温度为20℃。

对轧件的连续冷却过程进行了瞬态分析，模拟出不同冷却方式的温度变化，考虑到钢材穿水后表面的**低温度不能低于350℃，以免产生马氏体**，因此水流流量应该控制好，经模拟分析一次穿水与二次穿水差异较大，具体见表2。

采取一次穿水后上冷床返红，**终比较高温度大于750℃。

采取二次穿水后上冷床返红，**终比较高温度低于700℃。

2.3模拟结果的验证

φ40轴承钢进行两段式间断快冷的控制冷却工艺，从终轧温度950～1000℃进入2#水箱，出水箱后钢温返红至700～750℃，再进入3#B水箱进行二次冷却，出3#B水箱钢的表面温度为350～450℃，上冷床时表面温度600～700℃，上冷床后钢返红比较高温度提高10～30℃。

从测温点的预测温度和实测值的比较可知，预测偏差基本在20℃以内，由此可见，利用数值模拟手段研究轴承钢圆钢冷却过程温度场是可行的，可以真实地反映圆钢断面温度变化的趋势及规律。

2.4轴承钢轧后冷却温度场分析

模拟结果显示轴承钢采用一次快冷后的返红温度区间，会生成粗大珠光体和严重的网状碳化物。前人的大量试验结果表明，碳化物网状的析出温度为700～900℃之间，而且当返红温度小于700℃时，基本消除了原始**中的网状碳化物，因此应加快这一温度的钢材冷却速度。轴承钢若采用一次性快冷到终冷温度，由于钢材断面大，钢材表面将发生马氏体相变，断面温差加大，造成由表面到中心的**不同，中心部位温度高则生成粗大珠光体和较严重的网状碳化物。为防止不均匀**的出现，应采用多次间断快冷工艺为宜。本文结合该厂生产线实际考虑采用二次冷却工艺，通过工艺的调整，利用ANSYS模拟，控制返红温度在600～680℃之间。

3轧后超快速冷却的**分析

φ40轴承钢轧后穿水后的**为一次穿水的表面和中心**，可见表面**为珠光体和断续的网状碳化物，中心处为珠光体和连续较厚的网状碳化物，碳化物网清晰。开启了2#和3B水箱，表面返红比较高控制在700℃以下，表面**为珠光体，没有网状碳化物，中心有少量细小的网状碳化物。

φ40轴承钢轧制速度为3.4m/s，轧制后立即进入2#水箱急冷至400～500℃附近，冷却速度控制在150～260℃/s，这一温度区间应该发生的再结晶晶粒长大受到了充分的**。之后经短时间返红后，再进入3B水箱，然后上冷床空冷，控制比较高返红在700℃以下，所需总时间是30s，在这一区间的平均冷却速度为10～20℃/s，避免了网状碳化物的析出。

4结论

（1）通过ANSYSY有限元软件对轧后快速冷却进行模拟，能较好地与实际冷却情况相匹配，为冷却工艺的开发提供了帮助。

（2）ANSYSY有限元模拟，可以清晰地分析表面、中心的温度变化，制定出较好的冷却工艺，得到**为理想的效果。

（3）棒材超快速冷却可以较好地**冷却过程中网状碳化物的析出，为改善轴承钢的网状级别提供了有效手段。

（4）现场的生产实践表明，通过轧后超快速冷却控制，网状级别均不大于2级，按照新的GB/T18254－2002标准，退火的网状碳化物级别合格率达到100%。