超快冷却条件下温度场数值模拟

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1、第25卷第4期东北大学学报(自然科学版)Vol125,No.42004年4月JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Apr.2004文章编号:100523026(2004)0420360203超快冷却条件下温度场数值模拟彭良贵,刘相华,王国栋(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳　110004)摘　　　要:从导热微分方程数值差分解法入手,对轧件在粗轧和精轧之间进行超快冷却后的温度场进行了数值模拟·结果表明:当板坯初始温度为1200℃,经过6道次粗轧后,以3m/s的速度进入2超快冷却区,当水冷换热系数为10kW/(m·℃)

2、时可以得到70℃/s的冷却速度;另外由于超冷后表面温度的强烈回复,故在进行精轧时,必须进行温度修正,保证轧件在精轧区开轧温度的精度·关　键　词:超快冷却;温度场;精轧开始温度;水冷换热系数;热轧带钢中图分类号:TG33文献标识码:A超快冷却UFC(UltraFastCooling)技术由于心差分,在第三类边界条件中,对厚度进行后向差其短时快速准确控温的特点而受到国内外广泛的分,可以得到式(2)～式(4)构成的导热微分方程有[1～4]限差分联立方程组·该方程组是三对角线性方程关注,在热轧工艺过程中常与层流冷却配合使用以开发新的钢种同时提高产品的力学性组,可以利用追赶法进行求解·通过选取合适的

3、节能[5,6]点划分方式,利用上述联立方程组,就可以求得任·在粗轧和精轧之间也可以设置UFC系统对精轧开始温度进行精确控制,尤其在低温轧制意时刻、任意位置的中间坯温度场·l+1l+1l+1时·本文就是针对带钢中间坯在出粗轧、进精轧之-λTi-1+2(1+λ)·Ti-λTi+1=间进行超快冷却时的温度场进行数值模拟,从导λTllli-1+2(1-λ)Ti+λTi+1,(2)热微分方程数值差分解法入手进行温度场计算,l+1l+1(2+λBio+λ)T0-λT1=并给出在不同水冷换热系数条件下的冷却速度·llλ(T1+2BioTw)+(2-λBio-λ)T0,(3)1　轧件温度场计算的基本理论l

4、+1l+1-λTm+(2+λBiD+λ)Tm+1=1.1　导热微分方程llλ(Tm+2BiDTw)+(2-λBiD-λ)Tm+1·尽管中间坯的厚度一般在40～60mm左右,(4)但是考虑到在超快冷却条件下厚度方向对流换热k·Δt显著增强,故忽略宽度方向的传热,温度分布的对其中,λ=2,称为节点傅立叶数;Bio,BiD是(Δx)象取厚度方向·此时温度场由二维简化为一维·在上下表面节点的毕渥数;T0,Tm+1分别是中间坯高温条件下没有相变生热,所以导热微分方程可上下表面温度;Tw为冷却水温·以简化为22温度场计算9T9Tk2=(1)9x9t·在进行温度场计算时,假定钢种的碳含量为[7]其中,k

5、为导温系数,本文采用第三类边界条件·0108%,根据文献[9]查表可得各个温度区间的热1.2Crank2Nicolson六点隐式差分方法传导系数和比热·下面将从UFC系统布置、初始相对于显示差分和一般的隐式差分法,Crank2温度分布和超快冷却区温度场模拟计算3个方面Nicolson六点隐式差分法可以在节点傅立叶数较高进行介绍·[8]的条件下显著地提高计算的收敛性和稳定性·该2.1　超快冷却系统布置方法对时间进行向前向后混合差分,对厚度进行中参照国内某厂2050mm热连轧生产线设备收稿日期:2003208226基金项目:国家自然科学基金资助项目(50104004)·作者简介:彭良贵(197

6、5-),男,四川宣汉人,东北大学博士研究生;刘相华(1953-),男,黑龙江双鸭山人,东北大学教授,博士生导师;王国栋(1942-),男,辽宁大连人,东北大学教授,博士生导师·第4期　　　　　　　　彭良贵等:超快冷却条件下温度场数值模拟361[10]布置,可以考虑在粗轧和精轧之间安装一套类布置见图1·[1]似于Hoogovens2UGB厂的超快冷却系统,具体图1　超快冷却统布置简图Fig.1LayoutofUFCsystem2.2　超快冷却时的初始温度分布2.3　超快冷却区温度场计算假设板坯进粗轧时沿长度方向上温度分布均考虑到在进行超快冷却时,带钢表面将会发生匀,初始温度为1200℃,坯料

7、横断面尺寸为180剧烈的温度变化,需要将带钢划分得更细,此时若继mm×1200mm,经过6道次粗轧(180/154/128/续利用有限元方法可能会产生奇异,因此在对超快102/76/55/40(mm)),横断面尺寸为40mm×冷却区进行温度场计算时,采用有限差分法·进行超1200mm,其他热物理参数如下:环境温度为50快冷却温度场模拟计算时给定以下9个参数:中间℃;轧辊表面温度为100℃;粗轧除鳞换热系数为坯厚40mm;