切分軋制螺紋鋼空冷過程溫度場(chǎng)仿真分析

切分軋制螺紋鋼空冷過程溫度場(chǎng)仿真分析

0厚板控冷過程的流場(chǎng)模擬近年來，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)營(yíng)速度的提高，三元模仿技術(shù)在工程和分析中得到了廣泛應(yīng)用。如在熱軋鋼材軋后冷卻過程中,采用有限元法模擬中厚板控冷過程的二維溫度場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)溫度場(chǎng)的仿真建模分析大都采用ANSYS有限元分析軟件,但是由于ANSYS中CFD的功能不夠好,所以一般采用流場(chǎng)軟件Fluent進(jìn)行流體和固體的耦合傳熱分析。筆者利用Fluent軟件對(duì)螺紋鋼切分生產(chǎn)中,兩根螺紋鋼在冷床上空氣冷卻過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到了其在空氣冷卻過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,分析兩根螺紋鋼空冷產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象的原因,并提出改進(jìn)措施。1物理模型的構(gòu)建1.1冷床結(jié)構(gòu)及密度冷床區(qū)是螺紋鋼棒材冷卻的主要場(chǎng)所,棒材在冷卻過程中的所有變形均發(fā)生在冷床上。小規(guī)格棒材切分生產(chǎn)中,在冷床的同一個(gè)齒槽內(nèi)有兩根甚至兩根以上螺紋鋼棒材進(jìn)行冷卻,因不同根螺紋鋼在齒條上位置不同,冷卻條件不一樣,冷卻速率不一致,收縮量不同,冷卻后的結(jié)果是多線螺紋鋼相互扭曲,一根棒材向另一根棒材上面爬行,嚴(yán)重的地方兩根棒材擰在了一起,成為了“麻花狀”,形成彎曲廢,制約了螺紋鋼切分生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益的發(fā)揮。冷床結(jié)構(gòu)為步進(jìn)梁齒條冷床,由摔直板、動(dòng)齒條、靜齒條和對(duì)齊輥道等組成,長(zhǎng)120m,寬7.8m,步進(jìn)周期約為6s,棒材在冷床上采用自然風(fēng)冷卻方式。螺紋鋼兩切分生產(chǎn)中,兩根螺紋鋼進(jìn)入冷床時(shí)會(huì)落在同一個(gè)齒槽內(nèi),通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,螺紋鋼在摔直板第一個(gè)齒槽內(nèi)初冷時(shí)的溫度范圍為930℃～1080℃,平均約為1000℃。摔直板結(jié)構(gòu)如圖1所示,摔直板的齒距為80mm,齒形角為26°,厚度為17mm,材料為鑄鐵。本體上設(shè)有通風(fēng)孔如圖2所示。由于同一棒材沿軸向溫度差別不大,因此建立兩線的橫截面冷卻模型,所仿真的溫度場(chǎng)結(jié)果就能達(dá)到精度要求。1.2通風(fēng)孔內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算以Φ16mm螺紋鋼兩線切分生產(chǎn)冷卻時(shí)為例,用一個(gè)齒槽建立模型。為了模擬出通風(fēng)孔的影響,在二維的模型中,在摔直板的板壁上,開設(shè)一系列的等效通風(fēng)孔,孔徑從0到15mm,目的是通過比較幾種等效通風(fēng)孔下的溫度場(chǎng)結(jié)果,選取出最接近現(xiàn)場(chǎng)的溫度場(chǎng)作為結(jié)構(gòu)分析的溫度數(shù)據(jù)。在為模型劃分網(wǎng)格時(shí),棒材截面區(qū)域是我們關(guān)心的區(qū)域,其網(wǎng)格應(yīng)劃分致密,以便于得出精確的結(jié)果。對(duì)于空氣區(qū)域,棒材附近的空氣對(duì)棒材的散熱有明顯的影響,棒材截面的對(duì)流換熱和熱輻射都受這一區(qū)域空氣的影響,所以棒材附近空氣區(qū)域的網(wǎng)格也應(yīng)劃分的較為致密,至于其他空氣區(qū)域的溫度場(chǎng)不是本研究所關(guān)心的結(jié)果,所以在不影響計(jì)算精度的條件下應(yīng)盡可能稀疏,以減少網(wǎng)格數(shù)目,提高運(yùn)算速度,如圖3所示。網(wǎng)格劃分好后,可設(shè)置各邊界條件的類型。1.3輻射模型的選擇本實(shí)驗(yàn)中,只建立了螺紋鋼兩線的截面進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。由于對(duì)計(jì)算精度要求不是很高,可選擇二維的單精度求解器。螺紋鋼的冷卻是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種散熱方式共同作用的結(jié)果。但本文中所研究的冷卻時(shí)段是螺紋鋼兩線剛進(jìn)入冷床的摔直板區(qū)域的時(shí)候,平均溫度為1000℃。由于熱傳導(dǎo)與對(duì)流換熱量只與兩個(gè)物體熱力學(xué)溫度的一次方之差成正比,而輻射換熱量是與兩個(gè)物體熱力學(xué)溫度的四次方之差成正比,所以在溫差大時(shí),輻射換熱量占有主要地位。因此在求解時(shí)必須加入輻射模型。在fluent熱傳導(dǎo)分析過程中主要用到的輻射模型有:Rosseland模型、P1模型、離散傳播輻射模型(DTRM)、離散坐標(biāo)DO模型。介質(zhì)的光學(xué)厚度aL是選擇輻射模型的一個(gè)重要的參數(shù)。P-1模型最好用于光學(xué)厚度aL>1的場(chǎng)合,在光學(xué)厚度aL>3時(shí),使用Rosseland模型。DTRM和DO模型對(duì)于任何的光學(xué)厚度均適用,但計(jì)算量大。當(dāng)光學(xué)厚度aL<1時(shí),只能使用DTRM和DO模型。本研究中空氣的光學(xué)厚度aL=0.2,據(jù)此計(jì)算吸收系數(shù)a=2.5m-1,因此選用DTRM是最合適的。2模擬分析的設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1棒材冷卻過程的仿真分析在溫度場(chǎng)仿真分析中使用了四種物理模型模擬實(shí)際工況,分別為通風(fēng)孔為0mm、5mm、10mm、15mm,冷卻時(shí)間為30s,采用DTRM模型進(jìn)行計(jì)算。為了弄清棒材在冷卻過程中是對(duì)流傳熱起主要作用還是輻射傳熱起主要作用,采用控制變量法,分別進(jìn)行兩組模擬計(jì)算:1)輻射條件不變(棒材的輻射率1W/(sr·m2)且保持不變),改變等效通風(fēng)孔的大小,也就是改變對(duì)流傳熱的條件,進(jìn)行仿真分析。2)對(duì)流傳熱條件不變(等效通風(fēng)孔固定為10mm),不斷改變棒材的輻射率,也就是改變輻射散熱的條件,進(jìn)行仿真分析。最后將所得的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的結(jié)果相比較,選出吻合性好的結(jié)果,作為變形仿真的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。2.2流場(chǎng)初始化及計(jì)算將Gambit建立的網(wǎng)格模型輸出為*.msh文件,導(dǎo)入Fluent進(jìn)行分析計(jì)算:1)求解參數(shù)的設(shè)置。Solve→solutioncontrols,設(shè)置Equations和Under-RelaxationFactors為默認(rèn)值,Pressure為Standard。2)流場(chǎng)初始化。Solve→solutionInitialization,設(shè)置computeform為inlet,溫度設(shè)置為300K。3)計(jì)算時(shí),激活殘差曲線圖。Solve→ResidualMonitors,設(shè)置iterations為1000,選擇Plot,在計(jì)算時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示計(jì)算殘差。4)開始迭代計(jì)算。Solve→Iterate,開始計(jì)算,設(shè)定迭代次數(shù)為100次,進(jìn)行反復(fù)收斂。當(dāng)求解器提示收斂以后,輸出結(jié)果。3模擬結(jié)果和分析3.1通風(fēng)孔徑和冷卻時(shí)間的確定輻射條件不變,改變等效通風(fēng)孔的大小,選取了通風(fēng)孔徑為0mm、5mm、10mm、15mm四種情況進(jìn)行分析,冷卻時(shí)間為30s。結(jié)果如圖4所示。3.2輻射率和冷卻時(shí)間的確定通風(fēng)孔大小不變(選取的模型通風(fēng)孔徑為10mm),選取了輻射率為0.2、0.5、0.8、1四種情況進(jìn)行分析,冷卻時(shí)間為30s。結(jié)果如圖5所示。3.3數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)從仿真結(jié)果中提取溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1,表2,模型冷卻時(shí)間均為30s。3.4棒材的冷卻仿真結(jié)果1)在輻射條件不變的情況下,增大通風(fēng)孔,改善對(duì)流換熱的條件,對(duì)棒材的冷卻效果并沒有太大的影響,等效通風(fēng)孔每增大5mm,冷后棒材的最高溫度降低不超過6℃,而冷后棒材的最低溫度基本上不變,說明熱對(duì)流不是棒材主要的散熱方式。2)在對(duì)流換熱條件不變的情況下,在仿真中人為地減小棒材的輻射率,發(fā)現(xiàn)對(duì)冷卻結(jié)果影響很大。冷后的最高溫度相差達(dá)到67℃。棒材輻射率的改變,嚴(yán)重地影響到最后的冷卻結(jié)果。3)棒材在冷卻過程中,雖然存在熱對(duì)流與熱輻射兩種散熱方式,但是其主導(dǎo)作用的卻是熱輻射。4)等效通風(fēng)孔為10mm,棒材輻射率取為1時(shí)所得的結(jié)果,冷后棒材最高溫度與最低溫度差為42℃,棒材的冷卻速率在3.7℃/s～5.1℃/s,與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫所得溫差40℃和冷卻速率4.5℃/s吻合良好。4改進(jìn)措施的提出4.1截面溫度場(chǎng)分布不合理從分析結(jié)果可以看出,在棒材的冷卻初期,熱輻射是主要的散熱方式。由于兩根棒材沿長(zhǎng)度方向有接觸,因此在接觸地方形成一個(gè)局部高溫,使得棒材沿圓周方向,形成了不均勻的溫度場(chǎng)。棒材截面溫度場(chǎng)分布不均,導(dǎo)致螺紋鋼在冷卻時(shí)不同部位的收縮程度不一樣,是螺紋鋼空冷翹曲的原因,同時(shí)兩根螺紋鋼表面橫肋間的相互咬合,會(huì)加劇棒材的翹曲。因此,可以采用平底齒槽結(jié)構(gòu),通過改變兩棒材在空間的相對(duì)位置,一方面使兩棒材間的溫度場(chǎng)分布相似,另一方面是減小兩棒材接觸面上的法向壓力,減輕橫肋的咬合作用,從而降低棒材的翹曲現(xiàn)象。4.2棒材中等溫線的分布為驗(yàn)證齒槽改成平底的效果,重新建立一個(gè)棒材模型,按照將齒槽底改成平底,距齒頂高為15mm,其余計(jì)算參數(shù)不變,進(jìn)行分析(如圖6所示)。由圖6可以看出:①雖然溫度場(chǎng)沿棒材橫截面分布不均的現(xiàn)象依然存在,但是溫度場(chǎng)變化梯度降低,單根棒材上的最高溫與最低溫差,一根棒材為24.25℃,另一根為26.18℃;②兩根棒材上的溫度場(chǎng)分布情況相似,等溫線的分布基本上對(duì)稱。如果兩根棒材均向高溫側(cè)彎曲,則變形會(huì)相互受限制,兩根棒材相互制約,減小變形趨勢(shì)。5該計(jì)劃的實(shí)施和影響5.1改變體的產(chǎn)品,增加體壓板和表面齒槽通過以上分析,將動(dòng)靜齒條齒槽形都改成平底,可有效地解決螺紋鋼冷卻過程中產(chǎn)生的翹曲問題。但是由于棒材生產(chǎn)機(jī)組的產(chǎn)品規(guī)格還包括Φ14mm～Φ28mm圓鋼,單根圓鋼產(chǎn)品落在平底齒槽內(nèi),冷卻時(shí)沿齒長(zhǎng)方向不受控制,不利于矯直。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,只將動(dòng)齒條改成平底齒槽。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用在動(dòng)齒條側(cè)面貼平板的方法,來達(dá)到平底的效果。5.2成品棒材彎曲度改進(jìn)方案實(shí)施后,有效地治理了螺紋鋼切分生產(chǎn)時(shí)的彎曲度超差問題。抽樣檢查10次,Φ16mm螺紋鋼兩切分的成品棒材彎曲度結(jié)果見表3,改造后合格率由70%提高到100%。確保螺紋鋼的彎曲度在國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)(按企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:每米彎曲度在≤4mm,總彎曲度不超過鋼材總長(zhǎng)度的0.4%),提高了產(chǎn)品質(zhì)量,提高了產(chǎn)品定尺率和成材率。6棒材冷卻規(guī)律1)通過利用FLuent軟件對(duì)螺紋鋼空冷過程溫度場(chǎng)進(jìn)行