【技术实现步骤摘要】
本专利申请属于轧钢，更具体地说，是涉及一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法。
技术介绍
1、轴承作为重要的基础机械零件，在各行各业中都有着广泛的应用。其主要作用是作为支撑旋转体，降低机械在运转过程中的摩擦因数，保证设备的正常运转。
2、随着经济社会的不断发展，装备制造业的不断进步，轴承工作环境愈加恶劣，这就对轴承钢自身性能提升提出了更高的要求。
3、轴承属于高品质特钢棒线材产品，近年来，为了生产高品质特钢棒线材产品，对铸坯中心碳偏析的控制也越来越严格。严重的中心碳偏析不仅会导致轧材上网状碳化物析出等级超标，在后续的轧制冷却过程中还有可能生成中心马氏体，危害盘条组织性能，严重时甚至会出现渗碳体的魏氏体组织。除此之外，严重的中心碳偏析若不加以减轻控制，经过轧制之后，中心碳偏析会遗传保留至盘条芯部，造成组织的不均匀性，严重危害棒线材轧材产品质量。也有研究表明，随着碳偏析比的增加，网状碳化物析出等级会明显提升，因此若想将先共析渗碳体析出等级控制到一定程度以下，除了轧制过程中利用控轧控冷手段，减轻中心碳偏析是关键。
4、目前降低中心碳偏析的主要方法有两种，一是在连铸阶段通过调整连铸工艺，以降低中心碳偏析度，二是热轧前通过高温加热炉加热施行高温扩散退火，进一步降低中心碳偏析的有害影响。但对于大断面高碳钢方坯来说，碳元素含量高及铸坯形状导致的凝固特殊性，偏析问题在连铸过程是难以完全消除。所以通过加热炉加热降低铸坯中心碳偏析是继连铸阶段后唯一有效并进一步改善中心碳偏析的方法。
6、目前针对碳扩散模型的研究还比较少，模型建立大多数以一维方向为主，并且理想的认为扩散系数只与温度相关。实际上，由于铸造凝固的自身特点，铸坯中的碳偏析并不是均匀分布在芯部位置，截面上各个方向的扩散情况也不尽相同，而且铸坯形状为长方形，因此只考虑一维方向上的扩散具有一定局限性。
7、轴承钢gcr15其化学成分中含有大量的合金元素，产生碳偏析的同时还伴随着其他合金元素的元素偏析，作为碳化物形成元素，合金元素的存在会改变碳的化学势，影响碳原子的扩散激活能，进而影响扩散。
8、目前获得铸坯截面上c和合金元素含量的分布情况，大多采用化学法测量，化学法多采用五点法或者九点法在铸坯表面钻取直径为5mm左右的碎屑，进行元素分析，得到的结果为此范围的平均值，相对于整个铸坯截面，实验结果不具有代表性，只能间接得到测量位置的偏析比。而epma方法利用0.5μm-1μm的高能电子束激发分析试样，测量结果为微区成分，点扫描作为定量分析，相对化学法测量结果，结果更加准确，更具代表性，能作为此位置最终元素含量测量值，这对于前期扩散模型的建立，以及后期模型精度检验至关重要。
9、因此总结目前研究成果，综合考虑目前研究现状存在的不足，建立二维碳扩散模型，在只考虑温度对扩散影响的情况下，加入合金元素对扩散系数的影响，开发出更加准确的中心碳偏析扩散模型。对于研究加热过程中的中心碳偏析扩散行为的研究具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于建立轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算模型，在现有研究的基础上，采用epma的方法定量分析铸坯截面上碳、铬等元素分布情况，建立二维温度场及碳浓度场的耦合计算模型，并且考虑合金元素偏析对于碳扩散系数的影响，从而提高模型精度。
2、为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，包括如下步骤：
4、s1：采用epma方法对铸坯截面进行点扫描定量分析，获得铸坯截面上碳、铬等元素含量分布情况；
5、s11在铸坯横截面中心线上的内弧、外弧和中心区域共取3个直径为15mm的圆形样品；
6、s12在三个试样上选取不同位置进行点扫描分析成分定量分析；
7、s13在每个打点位置呈现矩形分布的周围，选取六个点进行点扫描，成分定量分析。点之间的间隔为10μm；
8、s14对6个点处点扫描测量的元素含量值取平均数，作为此点最终元素含量测量值，以此类推，获得铸坯截面上元素含量分布情况；
9、s2：根据二维非稳态扩散方程建立轴承钢铸坯在加热过程中的温度场计算模型，得到加热过程中某时刻的铸坯温度场：
10、优选地，所述步骤s2中的二维非稳态导热方程为
11、其中：
12、c--钢坯的比热容，j/(kg×k)；
13、ρ--钢坯的密度，kg/m3；
14、λ--钢坯的导热系数，w/m×k；
15、t--钢坯温度，℃；
16、t--加热时间，s；
17、x--钢坯横截面内距表面横向距离，m；
18、y--钢坯横截面内距表面纵向距离，m。
19、s21划分计算域节点数；
20、s22根据轴承钢铸坯的钢种进行热物性参数实验，获取并定义相应的随温度变化的热物性参数值；
21、s23定义时间步长，距离步长，换热系数，炉气温度等参数；
22、s24根据铸坯实际二维截面的几何尺寸建立铸坯几何模型；
23、s25根据计算需要对几何模型的每个边确定网格数量，对二维截面进行网格划分；以钢坯横截面的1/4为分析对象进行网格划分，将宽度方向平均分为m份，(m+1)个节点；高度方向上平均分为n份，(n+1)个节点，这样整个区域内一共有(m+1)(n+1)个节点；将时间轴平均分为k等分，此时节点(i，j)在k时刻的温度表示为
24、s26将轴承钢铸坯赋予初始温度场；
25、s27由于采用有限差分法中的显式差分对导热微分方程进行离散化，所以需要进行收敛性的判断，收敛性的判断公式为：
26、1-2fx-2fy≥0
27、其中：
28、δt为时间步长，s；
29、δx、δy为距离步长，m；
30、c--钢坯的比热容，j/(kg×k)；
31、ρ--钢坯的密度，kg/m3；
32、λ--钢坯的导热系数，w/m×k；
33、fx、fy--分别为二维温度场差分方程中以δx、δy为特征长度的网格傅里叶数；
34、s28根据轴承钢铸坯实际加热情况设置随热物性参数变化的边界条件，在各个边界上施加炉气温度以及换热系数；
35、s29运用有限差分法对二维非稳态导热微分方程进行离散化，得到铸坯表面以及芯部各节点的温度场差分方程；从而计算得到轴承钢方坯某一时刻的二维温度场数据。通过进行温度场的差分迭代计算，获取前一时刻的节点温度数据，根据前一时刻节点温度判断并重新施加下一时刻随温度变化的边界条件，进行下一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，步骤S2中的二维非稳态导热方程为：其中：
4.根据权利要求3所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，S32中，实际碳扩散系数公式为：
7.根据权利要求5-6任一项所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
<...【技术特征摘要】
1.一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤s1具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，步骤s2中的二维非稳态导热方程为：其中：
4.根据权利要求3所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种轴承钢铸坯加热过程二维温度场及碳浓度场的耦合计算方法，其特征在于，步骤s3具体包括：
6.根据权利要求5所...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙帅奇，叩志飞，宋振武，李俊慧，张杨，侯现军，王康煜，张洪起，苏岚，赵奕光，陈银莉，张海超，
申请(专利权)人：石家庄钢铁有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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