高线穿水冷却过程温度场的数值模拟

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1、万方数据第29卷第6期2005年11月燕山大学学报JournalofYanshanUniversityV01．29No．6NOV,2005文章编号：1007-791X(2005)06—0476-04高线穿水冷却过程温度场的数值模拟王海儒‘，万爱霞1，王颖旺2，荣少勇2(i．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004；2唐山钢铁公司，河北唐山063016)摘要：基于传热学的基本理论，以高线斯太尔摩控冷线的水冷却段为研究对缘，建立了实体模型并确定了边界条件；应用有限元法以工程软件ANSYS5．7为分析工具，结合生产现场，模拟了冷却水

2、流量、压力、水温及冷却时间对冷却对象温度场的影响。关键词：高速线村；温度场；斯太尔摩控冷线；数值模拟中图分类号：TGl56文献标识码：A0前言在高速线材生产中，斯太尔摩控冷技术是目前在各种控冷方法中应用最普遍，发展最成熟，技术最稳妥可靠的一种控制冷却工艺”1。其形式虽依钢种及其冷却制度不同有标准型、缓冷型及延迟型之别，但其共性都是由水冷段和风冷段两部分构成。线材由精轧机轧出后，随即进入由多段水冷箱组成的水冷段进行强制水冷，之后经夹送辊送入吐丝机成圈，并以散圈状态布放在连续运行的散冷辊道上。辊道下方设有多台风机进行风冷，最终进入集卷

3、筒集卷收集。其工艺布置图如图1所示。1245—萼—妨，V1一成品轧机i2一水冷箱；3一恢复段{4一共送辊i5一吐丝机；6一斯太尔摩运输机：7集卷筒：8一升降梁；9一M机图1斯太尔摩控冷_L艺布置示意图Fig．1LayoutofStelmorcoolingtechnology终轧温度一般要大于1000“C，在近几年新建的高线中均应用了控制轧制与控制冷却技术，为了控制终轧温度均在精轧机组前增设了预水冷段，目的在于获得良好的轧材组织性能。斯太尔摩控冷线的水冷段全长为30m,-40Ill，由2～3个水冷却箱组成，在水冷箱之间用6m～lOm

4、的无水冷的导槽隔开，称为恢复段，其目的之·一先使线材经过一段水冷后，减小轧件表面与芯部的温度差，以防止表出现淬火组织；目的之二是控制金属的相变温度延缓晶粒长大，并限制产生氧化皮。因此，深入研究水冷段轧件的温度场对产品的组织与性能是十分必要的。1数学模型的建立1．1热传导方程圆柱极坐标系下的一般热传导方程为÷岳(嘲+专新器J_勃钥州印c等㈣式中，A为材料的热传导系数，W／(m-℃)；H为内热源；P为材料密度，kg／m3。e为材料定压比热容，J“kg-℃)。高线的稳定生产过程中^可视为常量，H=0，茜=o，—警一0，线材穿水冷却时的温

5、度场可简化为具有初始等温场的圆断面上温度分布仅沿半径变化的一维瞬态问题，则本文的热传导方程为收稿日期：2005．02-23作者简介：王海儒(1950-)，男，吉林吉林人。教授。主要研究方向为特种轧制技术、轧制过程的计算机仿真技术万方数据第6期王海儒等高线穿水冷却过程温度场的数值模拟477-噶辩一c鲁1．2初始条件和边界条件初始条件：z’_Z，o≤，≤R，t=0线材芯部：了OFT=0，r如，户r线材表面：一Aj3}勘(T-TO，r=R，F可(2)(3a)(3b)(3c)式中，正为线材初始温度，℃，R为线材半径，m；疋为环境温度，℃；

6、r为线材中心到表面的任意位置，／rl；^为等效传热系数，W／(m2·℃)。其中h在文献【1】、【3]的基础上经实验修定，并采用分段计算。实测表明，因现场工艺条件相同其误差是可以接受的。2穿水冷却过程现场工艺条件轧制钢种为普碳钢线材(Q235)，轧制速度为90m／s，线材直径为+6．smm，对于普碳钢(Q235)，其热容量参数c为473J／(kg·℃)、导热系数☆为29W／(kg·℃)，密度P为7801kg／m3，黑度0．85。水冷段的工艺布置如图2所示，设备的主要性能参数见表1。表1水冷段设备主要性能Tab1Primaryeapa

7、bilityofwatercoolingregion项目第段水箱第二段水箱第三段水箱台计结构特点环掣喷嘴耶型喷嘴环型喷嘴一水冷段伞长向一3630水箱长度／m847607607一水箱间距／m3．51280071488一冷却水嘴数量962l清扫水嘴数量12反向喷水嘴数l13反向风嘴数一1l冷却水水质悬浮物t<30mg／L一冷却水水压／MPa0600．60060一冷却水水N／℃30一压缩空气压力／MPa05—0705～0705-0．705-0．7总供水能力／(mVh)一235终轧机：2一废品箱；3一I号水冷箱；4—2号水冷箱：53号水冷

8、箱：6央送辊；7--㈣1,3温度场的数值模拟图2水冷段示意图Fig．2Layoutofwatercooling．region3．1有限元分析模型为增强模拟的直观性，取线材的整个实体网断面进行分析，在ANSYS环境下，采用三角形单元划分网格，取单元数