بررسی پارامترهای موثر در فرآیند کوئینچینگ در تولید میلگرد تقویت شده (TMT) با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

29 مرداد 1403 - خواندن 6 دقیقه - 227 بازدید

بررسی پارامترهای موثر در فرآیند کوئینچینگ در تولید میلگرد تقویت شده (TMT) با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

مجتمع فولاد صنعت بناب

امیر زائرین- حسین ستارنژاد

چکیده

روش اصلی تولید میلگردها با استحکام کششی بالاتر با استفاده از دستگاه ترمکس بر اساس تکنولوژی QST می باشد، این تکنولوژی سبب شده است تا برای تولید میلگردهایی با استحکام تسلیم بالا، نیازی به تغییر در ترکیبات شیمیایی فولاد تولید شده نداشته باشیم و بتوانیم در هزینه های آلیاژسازی، نیروی انسانی و در کل فرآیند تولید فولاد مصرفی برای تولید میلگردها، صرفه جویی کنیم.

با بهره گیری از ترمکس جهت افزایش استحکام نهایی میلگردهای فولادی ودر نتیجه سرد شدن ناگهانی سطح بیرونی و تشکیل لایه مارتنزیت در سطح بیرونی، استحکام نهایی میلگرد افزایش پیدا می کند. همچنین لازم به ذکر است درراستای کاهش هرینه انرژی، از طراحی و تحلیل جریان سیال با نرم افزار Ansys Fluent استفاده شده است. در سیستم ترمکس پارامترهای سرعت آب، قطر نازل و دمای میلگرد ورودی به سیستم کوئینچینگ مورد بررسی قرار گرفت و داه های مورد نظر از نرم افرار استخراج گردیدند. سپس مدلینگ انتقال حرارتی و آنالیز جریان سیال بر اساس ضریب انتقال حرارت در سطح میلگرد درون باکس ترمکس در نواحی مختلف تحت بررسی قرار گرفت.

واژه های کلیدی: ترمکس، میلگرد، سرعت سیال، ضریب انتقال حرارت، آنالیز جریان سیال

پروسه کوئینچینگ

هدف اصلی فرآیند موارد زیر می باشد:

1- استحکام کششی بالا در متریال (محصول)

2- بهبود جوش پذیری محصول به وسیله کاهش کربن بدون اضافه کردن عناصر آلیاژی در کوره ذوب

3- کاهش هزینه مواد در تولید مواد اولیه محصول

4- انعطاف پذیری بالای میلگردها بعداز عملیات حرارتی

5- بهبود چقرمگی میلگرد

فرآیند ترمکس یک عملیات کوئینچ سطحی و فرآیند خود تمپرینگ با استفاده از گرمای نورد گرم میلگرد با (انجام سه مرحله) که نمودار شکل (1) آن را به خوبی نشان می دهد. [1]

خنک کننده بصورت تابعی از فشار و اندازه شکاف نازل برای یک فشار معین ، هر سایز خنک کننده دبی معینی تامین می نماید. با تغییر شکاف در نازلها نرخ دبی جریان آب در فشار معین تغییر می کند. Economopoulos و همکارانش ثابت کردند نمودار مشخصات دما - زمان و تکامل ریزساختاری در میلگردهای عملیات حرارتی شده با دستگاه ترمکس در نمودار نشان داده شده است.

متدولوژی

بین پارامترهای مختلف شرایط دمایی، تشکیل مارتنزیت و استحکام تسلیم حاصله از فرآیند Tempcore روابطی وجود دارند که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته اند که شامل انتقال حرارت، تشکیل ساختار و استحکام تسلیم است.

Economopoulos و همکارانش ثابت کردند هنگامی که میلگرد از ترمکس خارج می شود، فرآیند انتقال حرارت از مرکز، باعث تمپرینگ سطحی آن و در نهایت بازپخت فولاد می شود. فلز تا دمای محیط می گردد وقتی دمای سطح میلگرد کاهش می یابد، باعث کاهش مارتنزیت موجود در سطح می شود.

با استفاده از نرم افزار Ansys Fluent شبیه سازی فرآیند ترمکس انجام گرفت. در ابتدا میزان سرعت سیال آب و دمای میلگرد در داخل لوله ترمکس تعریف گردید. سپس شرایط فیزیکی ورودی و خروجی سیال و انتقال حرارت از میلگرد به سیال مورد بررسی قرار گرفت.

مدلینگ انتقال حرارتی

در مدل توسعه یافته CFDبا استفاده از نرم افزار Ansys Fluent شار حرارتی در کولینگ باکس، مورد بررسی قرار گرفته است. این مدل برای میلگرد با طول نامحدود که از میان دستگاه ترمکس عبور میکند، شبیه سازی شده است. در این راستا از انتقال حرارت در راستای محوری صرفنظر شده است، زیرا مقدار آن بمراتب کوچکتر از انتقال حرارت شعاعی می باشد. سطح مقطع میلگرد با استفاده از مدل ریاضی – انتقال حرارت یک بعدی – استوانه ای با درجه حرات یکنواخت با رابطه هولمن بدست می آید.

بحث و نتیجه گیری

متغیر های سیستم خنک کننده بر فرآیند که روی زیر ساختار و خواص مکانیکی محصولات نورد شده موثر عبارتند از: فشار آب، قطر میلگرد، سرعت و دمای میلگرد به سیستم خنک کننده ، و زمان کوئنچ تاثیر فشار آب روی تنش تسلیم و استحکام فلز اثر گذر است با افزایش فشار دبی آب ، تنش تسلیم میلگرد افزایش پیدا می کند.

در شرایط فشار آب و سرعت فلز ، نمونه هایی با قطر بالاتربا دمای بیشتری از سیستم خنک کننده خارج شده و در واقع دمای برگشت مارتنزیت در آنها بالاتر خواهد رفت و این موضوع باعث کاهش تنش تسلیم فلز خواهد شد.

با افزایش قطر و دمای محصول و یا کاهش دبی آب زمان کوئنچ لازم برای رسیدن به خواص مکانیکی مورد نظر افزایش می یابد .با تنظیمات دبی آب ورودی به هر نازل در باکس ترمکس مقدار استحام تسلیم و کششی در میلگردها را افزایش یا کاهش داد.

، تنش تسلیم میلگرد عملیات حرارتی شده با ترمکس، تقریبا 10 مگاپاسکال افزایش یافت. استحکام تسلیم کلی میلگردهای عملیات حرارتی شده با Tempcore به کسر حجمی ناحیه پوسته خارجی مارتنزیت و استحکام تسلیم لایه مارتنزیت و هسته فریت -پرلیت بستگی دارد. درصد حجمی لایه مارتنزیت به دمای شروع تبدیل به مارتنزیت، ترکیب شیمیایی و پارامترهای موثر در مرحله کوئنچ بستگی دارد. استحکام تسلیم لایه مارتنزیت به ترکیب شیمیایی و دمای Tempering Temperature بستگی دارد . استحکام تسلیم هسته بستگی به ترکیب شیمیایی و شرایط خنک کننده ترمکس دارد.با توجه به تحلیل داده های عملیاتی، با افزایش 1 درصدی در VM

کنترل پارامترهای کوئنچ منجر به افزایش استحکام تسلیم برای یک ترکیب شیمیایی خاص و دمای شروع کوئینچینگ می گردد. برای دمای شروع و ترکیب شیمیایی معین عملیات کوئینچینگ ، فرآیند Tempcore را می توان با تغییر پارامترهای اصلی فرآیند، یعنی سرعت جریان آب و زمان، دقیقا کنترل کرد.