螺紋鋼軋件熱分析及軋件溫度變化

螺紋鋼軋件熱分析及軋件溫度變化

在螺旋鋼圈生產(chǎn)過程中，每個圈的變形條件變化范圍非常小，但單元的溫度分布和變化非常大，這對產(chǎn)品的組織性能、尺寸精度和擾動過程的力能參數(shù)有很大影響。軋件溫度是制定軋制工藝的基礎,也是軋鋼生產(chǎn)的主要控制參數(shù)。針對某典型螺紋鋼生產(chǎn)線,采用中心差分方法,預測高鉻和鉬HRB400螺紋鋼軋制過程中軋件溫度分布及變化規(guī)律,并與實測值比較驗證,以期為加熱制度優(yōu)化和穿水冷卻參數(shù)確定提供理論基礎和技術指導。1機組組合布置某廠典型螺紋鋼生產(chǎn)線布置示意為圖1,該生產(chǎn)線有17架軋機,其中粗軋機組7架、中軋機組4架、精軋機組6架,粗軋機組、中軋機組機架水平布置,精軋機組第13,15,17架為平立可轉(zhuǎn)換布置,第12,14,16架為水平布置。關于孔型系統(tǒng),V1為箱型,其余架次為橢圓—圓孔型交替布置。1.1u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000定(1)軋件溫度控制方程軋制過程中,螺紋鋼長度尺寸遠大于橫斷面尺寸,因此可忽略其軸向?qū)?考慮到該生產(chǎn)線孔型系統(tǒng)的特點,軋件傳熱可簡化為二維問題。(2)軋輥溫度控制方程軋輥高速運轉(zhuǎn),可忽略軋輥周向傳熱,故軋輥的熱傳導方程可簡化為二維問題,見圖2。軋輥與軋件在孔槽表面接觸,且軋輥與軋件接觸時間短暫,從軋件傳入軋輥的熱量在非接觸期被軋輥冷卻水帶走,從軋件傳入軋輥的熱量在軋輥內(nèi)傳播距離遠小于軋輥半徑,因此假設軋輥半徑處(DEF邊)為絕熱,研究單個軋槽,忽略其余軋槽的影響。式中:λg為軋輥導熱系數(shù),W×m-1×K-1;ρg為軋輥密度,kg×m-3;cg為軋輥比熱,J×kg-1×K-1。1.2u3000討論(2)軋件邊界條件1)接觸表面主要考慮軋件與軋輥之間的傳熱和摩擦熱,軋件與軋輥接觸面的傳熱非常復雜,影響因素很多,如軋件的溫度、材質(zhì)、表面氧化鐵皮厚度等,是螺紋鋼軋制過程中影響軋件表面溫度變化的關鍵性邊界問題。對于孔型軋制,軋輥與軋件是逐漸接觸的,邊界上同時存在軋件—軋輥換熱和軋件—空氣換熱,為簡化問題,忽略軋件—空氣換熱,軋件表面熱流密度為:式中:q1為軋件表面熱流密度,W×m-2;qm為摩擦功,W×m-2;Tg為軋輥表面溫度;Tb為軋件表面溫度;h1為軋件與軋輥之間的等效傳熱系數(shù),W×m-2×K-1。2)h1的確定用手持式遠紅外線測溫儀,測得現(xiàn)場軋件表面溫度和軋輥表面溫度,依據(jù)式(10)計算出摩擦功后,聯(lián)立方程(1)和(2)求解,計算出軋件表面熱流密度。通過對傳熱反問題的研究,反算求出h1值,并利用軋件延伸系數(shù)μ擬合,得到:3)自由表面主要考慮軋件與周圍環(huán)境間的輻射換熱,根據(jù)Stefan-Boltzmann定律有:式中:ε為軋件輻射率;σ0為Stefan-Boltzmann常數(shù),W×m-2×K-4;T￥為環(huán)境溫度,根據(jù)現(xiàn)場測量值選取。4)對稱表面假設幾何對稱面上溫度分布對稱,故邊界熱流為:q1=0(8)(3)軋輥邊界條件軋制期軋輥邊界情況見圖2,ABC面為接觸面,主要考慮接觸傳熱與摩擦熱;CD面為自由表面,忽略軋輥與空氣的對流換熱;FA面為對稱邊;DEF面距離孔槽較遠,軋輥與軋件接觸時間短暫,從軋件傳入軋輥的熱量在軋輥內(nèi)傳播距離遠小于軋輥半徑,可作絕熱處理,因此軋制期軋輥邊界熱流為:式中:qg為軋輥邊界熱流密度,W×m-2;rj為軋槽半徑,m;εg為軋輥輻射率;φbg為軋件對軋輥的輻射角系數(shù),R為軋輥半徑,m。(4)摩擦功與變形功的計算變形熱是在克服變形抗力時才產(chǎn)生,因此與材料的剪切抗力、剪切變速強度、變形區(qū)域的大小有關,變形功為:式中:K為剪切抗力,,MPa;H為剪切變速強度,s-1;為平均單位軋制壓力,,MPa;σc為變形抗力,MPa;V為變形區(qū)體積,m3。2成品制冷速度坯料為165mm′165mm′16m,Φ22mm螺紋鋼成品軋制速度為14.2m/s。考慮到對稱性,取軋件橫斷面的1/4為研究對象,數(shù)值網(wǎng)格如圖3,利用VB編程,耦合求解軋件與軋輥接觸面?zhèn)鳠?得到與軋件有關的溫度分布。2.1u3000中軋機組的溫降分析圖4為沿軋線方向的軋件表面平均溫度、橫斷面平均溫度、心部溫度的數(shù)值模擬結(jié)果,同時標明了現(xiàn)場實測的軋件表面溫度。由圖4可見,軋件表面溫度測量值與計算值在粗軋機組和中軋機組段吻合較好;在中軋機組和精軋機組之間的空過段及精軋機組,少數(shù)測量值與計算值偏差較大,但最大相對誤差小于5%。軋件在經(jīng)過粗軋機組時,表面溫降較大。因為上述架次軋制速度小,軋件與軋輥接觸時間長,軋件散熱量較多。隨后架次的軋制速度越來越快,軋件與軋輥接觸時間減短,軋件散熱量減少,軋件表面溫降減緩,甚至不明顯。由于塑性變形功與剪切抗力、剪切變速強度塑性變形熱的產(chǎn)生和傳遞,經(jīng)過中軋機組后,軋件的表面溫度、斷面平均溫度和心部溫度均上躍。成品平均溫度與鋼坯出爐溫度接近,而心部溫度高于鋼坯出爐溫度,可見鋼坯出爐溫度對終軋溫度影響顯著。此外,利用Φ25mm螺紋鋼測量數(shù)據(jù),擬合的式(6)可供其它規(guī)格的螺紋鋼溫度場模擬使用。2.2軋件表層溫度波動為進一步分析軋件內(nèi)部溫度分布,給出了精軋機組的第15,16和17道次后的軋件橫斷面溫度分布,如圖5。由圖5可算出,第15,16,17道次后軋件表面平均溫度和心部溫度的差值分別為101,100,91℃。隨軋制過程進行,軋件表面和心部溫差在減小,但由于塑性變形功的影響,軋件斷面平均溫差仍然較大。另外由圖6可看出第15和17道次軋件表層溫度波動比第16道次的軋件表層溫度波動小,可見橢圓軋件經(jīng)過圓孔軋制后,軋件表面溫度均勻性較好;而圓軋件經(jīng)過橢圓孔軋制后,軋件表面層溫度均勻性較差。3軋件溫度分布建立了適合螺紋鋼軋制過程二維導熱數(shù)學模型,經(jīng)過研究軋件與軋輥之間的傳熱,得到軋件與軋輥之間的等效傳熱系數(shù)公式。通過耦合求解軋件與軋輥接觸面?zhèn)鳠?得到軋件溫度分布,研究表明:(1)塑性變形對小型型材軋件溫度場的影響不能忽略。(2)橢圓軋件經(jīng)過圓孔軋制后表面溫度均勻性提高,而圓軋件經(jīng)過橢圓孔軋制后的表層溫度均勻性下降。式中:q為軋件內(nèi)熱源強度,W×m-3;主要為塑性變形熱,在待軋期q=0;λ為軋件導熱系數(shù),W×m-1×K-1;ρ為軋件密度,kg×m-3;c為軋件比熱,J×kg-1×K-1。(1)初始條件式中:T0為τ=0時刻軋件溫度分布,其余軋制階段初始條件為上一階段結(jié)束時軋件溫度分布;Tg0為軋輥與軋件剛接觸時刻的溫度分布,假設