Optimising Strength in Structural Steel Tubes Via Modelling of the Controlled Cooling Process / Optimalizace pevnosti konstrukčních ocelových trubek pomocí modelování procesu řízeného ochlazování

Nathan Dixon¹, Denzi Li¹, Jinlong Du², Carl Slater¹, Claire Davis¹

¹WMG, University of Warwick, United Kingdom
²Tata Steel Research and Innovation Ltd, United Kingdom

Abstract

Grain size strengthening predominantly determines the strength of low-carbon low-alloy steel tube grades consisting of a ferrite-pearlite microstructure. While recent changes to standards now permit the use of controlled cooling to refine grain size and enhance mechanical properties, the industrial application of multi-stage controlled cooling lacks robust predictive models. This study developed a finite element (FE) COMSOL-based modelling framework that integrates thermodynamic simulations, phase transformation data, and empirical grain-size relationships to simulate industrial water and air-cooling stages.

The model achieves high predictive accuracy by focusing on the critical undercooling threshold where the first 40% of ferrite forms. Validation against industrial production data yielded a root mean square error (RMSE) of 6.5 MPa for ultimate tensile strength. Furthermore, a parametric study of 22 cooling configurations demonstrates that optimised processing can achieve a 5% strength uplift for specific geometries while successfully avoiding undesirable bainite formation. This framework provides a robust tool for manufacturers to improve process control, product design, and mechanical performance.

Keywords: controlled cooling, steel tube manufacturing, ferrite grain size control, FE modelling, phase transformation, process optimisation

Abstrakt

Pevnost trubek z nízkouhlíkových nízkolegovaných ocelí s ferit-perlitovou mikrostrukturou je převážně určena velikostí zrna. Ačkoli nedávné změny norem nyní umožňují využití řízeného ochlazování ke zjemnění zrna a zlepšení mechanických vlastností, pro průmyslové uplatnění vícestupňového řízeného ochlazování dosud neexistují spolehlivé prediktivní modely. V této studii byl vyvinut modelovací rámec založený na metodě konečných prvků (FE) v prostředí COMSOL, který integruje termodynamické simulace, data o fázových přeměnách a empirické vztahy velikosti zrn pro simulaci průmyslových fází chlazení vodou a vzduchem. Model dosahuje vysoké prediktivní přesnosti díky zaměření na kritickou prahovou hodnotu podchlazení, při níž se tvoří prvních 40% feritu. Ověření na základě průmyslových výrobních dat vykázalo chybu střední kvadratické odchylky (RMSE) 6,5 MPa pro mez pevnosti v tahu. Parametrická studie 22 konfigurací chlazení dále ukazuje, že optimalizovaným zpracováním lze u specifických geometrií dosáhnout zvýšení pevnosti o 5% a současně úspěšně zabránit nežádoucí tvorbě bainitu. Tento rámec poskytuje výrobcům robustní nástroj pro zlepšení řízení procesů, návrhu produktů a mechanických vlastností.

Klíčová slova: řízené ochlazování, výroba ocelových trubek, řízení velikosti zrn feritu, modelování metodou konečných prvků, fázová transformace, optimalizace procesu

Stáhnout článek