棒材穿水冷却过程温度场有限元分析

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1、万方数据TotalNo．163冶金设备总第163期June2007METALLuRGICALEQuIPMENT2007年6月第3期棒材穿水冷却过程温度场有限元分析林顺洪1①朱新才1李长江1任吉堂2(1：重庆科技学院重庆400050；2：河北理工大学河北唐山063009)摘要针对棒材穿水冷却过程，利用ANSYs有限元分析软件建立了棒材温度场预报模型，研究了棒材穿水冷却过程中的热边界条件，分析了棒材温度场的分布及其变化规律。该模型的计算结果与实测值吻合较好，能够准确地预测棒材穿水冷却后的温度分布和最终的组织。关键词棒材穿水冷却温度场有限

2、元法中图分类号7rG333文献标识码AFiIliteElementAnalysisofBarTemperatureFieldDuringWater·CoolingLinShunhon91ZhuXincail“Chan舒ian91RenJitan92(1：ChongqingUniversityofScienceAnd711echnology；2：HebeiPolyteehnicUniversity)ABSTRACTIntllepaper，apI谢icatednlodeloftemperamre矗ledispresentedusingA

3、NSYScommercialsolh阻reforwater·coolingofbar．1’11eheattIansferboundaryconditionisstudied，thedistributionandchangeoftem-pemturefieldinwater—coolingpmcesswereanalyzed．Thecalculatedresuhsofthemodelshowgoodagreementwiththemeasuredones，thetemperatu他dis嫡butj加andfjn出miel_ostnJc

4、tureofbarafterwater—coolingcanbepredictedaccurately．KEYWoRDSBarWater-c001ingTemperaturefiledFEMl前言穿水冷却又称为轧后余热处理，20世纪80年代初期棒材轧后穿水冷却已开始在我国应用。该工艺的目的是为了改善棒材组织状态，细化奥氏体组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出，提高强度。同时减小珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善棒材的综合力学性能。棒材在冷却过程中的温度控制是直接影响轧制产品最终组织的重要因素，在实

5、际的生产中，针对某种产品，必须合理地确定冷却过程的工艺参数，以获得所需的组织。为此本文利用有限元方法模拟了棒材穿水冷却过程受终轧温度、冷却水量等因素影响的温度场的变化情况。图l是某棒材分厂棒材穿水冷却系统布置图。2棒材穿水冷却过程的数学模型对于棒材在冷却中的热交换过程，可忽略长度方向的热量流动，而仅考虑横向方向。因此，棒材的温度分布就是二维温度场的求解，热交换方程为：杀【A：箬]+去【A·等】=p·c，·警(-)式中戈，r宽度和高度方向直角坐标值(mm)卜温度(℃)①作者简介：林顺洪，男，1973年出生，硕士，讲师，主要从事有限元分

6、析和结构优化设计工作一38—万方数据林顺洪等：棒材穿水冷却过程温度场有限元分析2007年6月第3期●丁产l2口m一丁节图1棒材穿水冷却系统布置图l一18#轧机；2、5、6一温度仪；3一棒材穿水冷却装置(共五段)；4—3#飞剪；7一辊道；8一冷床￡——时间(s)卜钢的导热系数(W／m·K)p——钢的密度(k∥m3)CP——钢的比热(J／kg·K)方程(1)满足的边界条件为：第一阶段为高温空冷段，即棒材自18群终轧机出口至进入穿水冷却装置人口。该阶段棒材的温度高达1000℃左右，轧件与周围空气的对流换热很少，以辐射换热为主，遵循stef

7、an—Boltzman定律。边界条件为：九譬+九祭：盯(丁·一贮)批卅。式中：s——棒材的黑度，矿——ste胁-B01tznlaIl常数，卜棒材表面温度，瓦——棒材周围空气温度。第二阶段为强力穿水急冷段，即棒材自穿水冷却装置入口至出穿水冷却装置出口。该阶段棒材与水之间发生强制对流和辐射换热。边界条件为：九粤+九詈：s盯(rt一贮)+^。(丁一兄)出—y式中：^。为棒材与水之间的强制对流换热系数，根据文献[5]所给模型，用结合现场实测结果对该模型进行修正，修正后的水冷对流换热系数模型为^。=1．57矿‘55(1—0．075咒)／4，形

8、为冷却水的流量(L／m2·Illin)，咒为棒材周围冷却水温度。第三阶段为空冷段，即棒材自穿水冷却装置出口至冷却完成。该阶段棒材表面温度已经降低，与空气之间的辐射换热及自然对流换热都要考虑。边界条件为：九等+九詈：盯(r。一巧)+^。