層流冷卻過程中帶鋼溫度場數(shù)值模擬

1、第17卷第4期2005年8月鋼鐵研究學(xué)報層流冷卻過程中帶鋼溫度場數(shù)值模擬謝海波,徐旭東,劉相華,王國棟(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室,遼寧)摘要:分析了帶鋼層流冷卻過程中的傳熱,。結(jié)果表明:隨著軋件厚度的減薄,變化趨勢以及波動幅度相應(yīng)發(fā)生變化。,。這對提高數(shù)學(xué)模型的精度,控制卷取溫度,。關(guān)鍵詞:熱軋;帶鋼;中圖分類號:T:A文章編號:100120963(2005)0420033204NumericalSimulationonHotStripTemperatureFieldinLaminarCoolingProcessXIEHai2bo,XUXu2dong,LIUXiang2hua

2、,WANGGuo2dong(NortheasternUniversity,Shenyang110004,China)Abstract:Inordertoimprovethecalculatingprecisionofmathematicalmodel,theheattransferinlaminarcoolingprocessforhotstripmillwasanalyzedbyusingfiniteelementtosimulatetemperaturesofstriplaminarcooling.Thedifferenceintemperatureofstripthicknessdecr

3、easeswiththedecreaseofthickness.Surfaceandcentertem2peraturecurvesofthestripvaryundertheconditionsofdifferentcoolingrates.Keywords:hotrolling;strip;laminarcooling;temperaturefield;numericalsimulation卷取溫度對熱軋帶鋼再結(jié)晶晶粒的尺寸、析出物數(shù)量和形態(tài)所產(chǎn)生的影響,將導(dǎo)致金屬的微觀組織發(fā)生變化,所以它是決定成品帶鋼加工性能、力學(xué)性能和物理性能的重要工藝參數(shù)之一。熱軋帶鋼的卷取溫度主要是通過精軋后帶鋼

4、的冷卻系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。在實際生產(chǎn)中,對冷卻系統(tǒng)的控制不僅決定了整個帶鋼卷取溫度的精度,而且對帶鋼頭部,特別是薄規(guī)格帶鋼在輸出輥道上的運行穩(wěn)定性也有較大的影響13。目前,在帶鋼熱連軋生產(chǎn)中,由于實時性的要求及受計算機能力的限制,對生產(chǎn)過程中帶鋼溫度變化規(guī)律的計算,僅通過簡化的經(jīng)驗公式模型得到,計算精度不高。同時,在這些經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?都忽略了帶鋼內(nèi)部的熱傳導(dǎo),因此無法得到帶鋼橫斷面及全長基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(59995440)的溫度分布,掩蓋了帶鋼在層流過程中溫度變化的復(fù)雜性。計算帶鋼層流冷卻過程中的溫度場已經(jīng)是現(xiàn)代材質(zhì)預(yù)報的一個重要手段,研究帶鋼在層流過程中的溫度變化和軋件內(nèi)部溫度場不僅

5、具有理論意義,也具有十分明顯的實用價值4,5。筆者利用有限元分析法研究了層流冷卻過程中帶鋼內(nèi)部的溫度場,得到了帶鋼表面和中心溫度隨時間的變化曲線。1層流冷卻工藝及設(shè)備布置某熱軋廠層流冷卻設(shè)備的布置如圖1所示。經(jīng)過精軋出口后帶鋼穿過一個層流冷卻區(qū),該區(qū)有12個集管組。這些集管組上下對應(yīng),分別位于熱輸出輥道的上方和下方。在每組集管組后都裝有側(cè)噴裝置,前9組為粗調(diào)段,后3組為精調(diào)段,精調(diào)段主要作者簡介:謝海波(19722),男,博士生;E2mail:hbxie;修訂日期:200420920734鋼鐵研究學(xué)報第17卷圖1Fig11ofHSM用于反饋控制,卷取溫度,2層流冷卻時帶鋼的傳熱過程主要包括空冷

6、及水冷兩部分?？绽渲笌т撛诳諝庵邢颦h(huán)境散熱的溫降過程,其傳熱方式以輻射為主;水冷指帶鋼向噴淋至其表面的冷卻水傳熱的溫降過程。層流冷卻數(shù)學(xué)模型包括空氣冷卻和噴水冷卻模型。兩種模型都是由求解傅里葉微分方程而得到:(1)cp=ddtdx式中鋼的密度,kg/m3;cp帶鋼的定壓比熱容,J/(kgK);導(dǎo)熱系數(shù),W/(mK);帶鋼溫度,;t時間,s;x帶鋼截面溫度分布的法線方向。換熱系數(shù)是反映帶鋼與介質(zhì)之間熱交換能力的重要參數(shù),其中包括空冷區(qū)換熱系數(shù)和水冷區(qū)換熱系數(shù)?？绽鋮^(qū)換熱系數(shù):2(TK+TKa)(T2a=Hc+K+TKa)0125Hc=2115(f-a)空冷和水冷換熱系數(shù),W/(m2a,WK);H

7、c對流換熱系數(shù),W/(m2K);史蒂芬2波爾茲曼常數(shù),W/(m2K4);帶鋼熱輻射系數(shù);B自學(xué)習(xí)因子;Wsp單位水流量,L/(m2min)。由于帶鋼的長度遠(yuǎn)大于寬度,而寬度又遠(yuǎn)大于厚度,所以傳熱在厚度方向最快,在長度方向最慢,因此對層流冷卻中帶鋼溫度場的計算主要是考慮厚度和寬度方向。筆者采用二維有限元模擬求解,取1/4斷面進(jìn)行分析,在帶鋼厚度和寬度方向,劃分了5250=1250個單元。3有限元計算結(jié)果及其分析311溫度場數(shù)值模擬計算的驗證為了校核和驗證有限元模擬結(jié)果的可靠性,結(jié)合現(xiàn)場的實際生產(chǎn)工藝,對厚度規(guī)格為h=21012mm,卷取溫度在510740范圍內(nèi),帶鋼速度為21010m/s的碳素結(jié)

8、構(gòu)鋼(Q235B)、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(08Al)以及冷軋帶鋼低碳鋼(Stw22)在層流冷卻區(qū)的溫度場進(jìn)行了模擬計算,并將計算得到的帶鋼在卷取處的溫度與實測表面溫度進(jìn)行了對比,結(jié)果示于圖2。可見:卷取溫度計算值與實測值的均方差為61488,相對誤差不大于3%。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明模擬計算值與實測值吻合得很好。312帶鋼的表面溫度和中心溫度圖3分別示出了厚度為12mm和613mm的帶鋼在層流冷卻過程中,表面溫度和中心溫度隨時間的變化?？梢婋S著軋件厚度的減小,帶鋼厚度方向上的溫差逐漸縮小。例如厚度為12mm的帶鋼,表(2)(3)(4)水冷區(qū)換熱系數(shù):013501277(1060-W=Bf)Wsp式中TK=

9、0+273115;TKa=a+273115;TK,TKa帶鋼和介質(zhì)的絕對溫度,K;,f帶鋼的初始溫度和終了溫度,;0介質(zhì)(空氣或水)的溫度,;a第4期謝海波等:層流冷卻過程中帶鋼溫度場數(shù)值模擬35為35,返紅時間僅持續(xù)了115s左右。因此,在利用模型進(jìn)行帶鋼溫度計算時,應(yīng)該綜合考慮帶鋼厚度以及內(nèi)部熱傳導(dǎo)的影響。313冷卻速率對帶鋼溫度的影響圖3(b)和圖4分別示出了不同冷卻速率(v)下。圖3(b)為前段主冷(v=145s),冷v201/v74/s。,圖2Fig12andmeasuredtemperaturessurface。帶鋼溫度將對帶鋼的再結(jié)晶晶粒尺寸產(chǎn)生影響,所以冷卻速率會進(jìn)一步影響帶鋼

10、的組織性能,這對于制定帶鋼冷卻工藝有實際指導(dǎo)意義。4結(jié)論(1)模擬計算能較準(zhǔn)確地模擬帶鋼在層流冷卻過程中的溫度變化趨勢,而且模擬計算得到的卷取溫度與實測卷取溫度接近,二者的均方差僅為61488,相對誤差不大于3%,模擬計算值與實測值吻合得很好。圖3帶鋼表面溫度和中心溫度的變化曲線Fig13Calculatedtemperaturecurvesofstripsurfaceandcenter面與中心的溫差約為80;而厚度為613mm的帶鋼,表面與中心的溫差僅為40左右。在空冷過程中,帶鋼表面溫度迅速回升。從圖中可以看出,厚度為12mm帶鋼的返紅溫度可達(dá)60,返紅時間可持續(xù)4s左右;而厚度為613m

11、m的帶鋼的返紅溫度圖4不同冷卻速率下帶鋼溫度的變化Fig14Temperaturecurvesofstripatdifferentcoolingrates(下轉(zhuǎn)第50頁)50鋼鐵研究學(xué)報第17卷trogen,TitaniumandZirconiumontheBoronHardenabilityEffectinConstructionalAlloySteelsJ.TransactionsoftheMetallurgicalSocietyofAIME,1968,242(8):168921694.8本溪鋼鐵公司第一煉鋼廠.硼鋼M.北京:冶金工業(yè)出版脫碳作用有關(guān)外,前者較低的碳含量也是一個主要原因。參

12、考文獻(xiàn):靜態(tài)再結(jié)晶影響的數(shù)值模擬J.鋼鐵研究學(xué)報,2003,15(4):37241.2王忠英,于桂玲.60Si2Mn(A)彈簧鋼的脫氧工藝J.鋼鐵研社,1977.9曹杰,項長祥,李聯(lián)生,等.M2和M2Al碳J.特殊鋼,1999,20(4):19221.10曹,J1:16219.11臧迫一曦.用鋼間緞造究學(xué)報,2003,15(2):124.為J.鋼鐵研究學(xué)報,2002,14(2):28231.及 效果値銃計解.鐵鋼,2003,89(10):109021092.胡庚祥,錢苗根.金屬學(xué)M.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.13石田洋一.表面界面與擴散現(xiàn)象M.東京:日本金屬學(xué)會,1979.優(yōu)化J.鋼鐵研究學(xué)報,2001,13(3):629.5朱應(yīng)波.國外彈簧鋼生產(chǎn)技術(shù)M.:,1993.6章守華,吳承建.M,1992.(上接第35頁)組織性能。參考文獻(xiàn):1劉相華.剛塑性有限元及其在軋制過程中的應(yīng)用M.北京:(2)隨著軋件減薄,帶鋼在厚度方向上的溫差逐漸縮小。在冷卻區(qū)水冷段帶鋼的溫降迅速;在空冷段,帶鋼的表面溫度迅速回升。對于厚度為12mm的帶鋼,其返紅溫度可達(dá)到60左右,返紅時間可持續(xù)約4s。因此在進(jìn)行模型計算時,應(yīng)綜合考慮帶鋼厚度及內(nèi)部熱傳導(dǎo)的影響,以便提高模型計算的精確度。(3)在終軋溫度和目標(biāo)卷