陳其全

(科尼起重機(jī)上海設(shè)備有限公司)

連續(xù)退火機(jī)組淬水槽流體力學(xué)分析

陳其全

(科尼起重機(jī)上海設(shè)備有限公司)

針對連續(xù)退火機(jī)組淬水槽內(nèi)可能發(fā)生的臟污缺陷，筆者利用FLUENT軟件，通過仿真手段再現(xiàn)了槽內(nèi)液體的流動情況，進(jìn)而對臟污缺陷的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了相關(guān)的改進(jìn)措施，如適當(dāng)增加沉沒輥與淬水槽底部的距離;在淬水槽的底部加裝過濾網(wǎng);在淬水槽液面上加裝擋板，并通過仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，從而給實(shí)際生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用。

淬水槽 臟污 仿真

0 引言

連續(xù)退火機(jī)組，是將冷軋后的脫脂，退火，平整，精整，檢查等工序合并成一條作業(yè)線，并實(shí)現(xiàn)其連續(xù)化運(yùn)行的帶鋼后處理機(jī)組，具有周期短，收得率高，質(zhì)量良好等優(yōu)點(diǎn)。而淬水槽一般布置在作業(yè)線退火爐的出口，起到對帶鋼的冷卻作用。一般的連續(xù)退火機(jī)組，都布置有淬水槽，使得帶鋼冷卻到預(yù)定的溫度，進(jìn)行后續(xù)工藝處理。通常，在淬水槽內(nèi)置有恒溫冷卻水(含少量軋制液或平整液)，然而，由于機(jī)組長時(shí)間的運(yùn)行，帶鋼表面表的金屬顆粒，空氣中的粉塵掉落等，使得淬水槽內(nèi)不可避免了積聚臟污，但這些臟污會不會對被冷卻的帶鋼表面產(chǎn)生影響呢，帶鋼會不會由此而產(chǎn)生臟污，或者異物壓入等質(zhì)量缺陷呢?這就需要對淬水槽內(nèi)液體的流動情況進(jìn)行分析。筆者采用FLUENT軟件，基于流體力學(xué)基礎(chǔ)，通過有限元仿真的方式再現(xiàn)了淬水槽內(nèi)液體的流動情況，并在此基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)措施，從而給實(shí)際生產(chǎn)帶來一定的指導(dǎo)意義。

1 仿真模型的建立

1.1 平衡微分方程

描述流體動力學(xué)問題的規(guī)律可以用微分方程的數(shù)學(xué)形式來表達(dá)。在仿真模型中的兩個主要的控制方程如下所示［1］。

連續(xù)性方程:

式中:ρ——流體密度; p——流體壓力;

1.2 仿真條件

圖1為淬水槽的示意圖。帶鋼垂直向下通過充滿冷卻水的槽體，借助于沉沒輥的作用，帶鋼的運(yùn)行方向改變?yōu)榇怪毕蛏?。由于沉沒輥輥身長度方向的尺寸較大，所以二維的流體動力學(xué)分析幾乎可以真實(shí)地反映槽內(nèi)實(shí)際流動情況。不過輥?zhàn)佣瞬颗c槽體側(cè)壁間區(qū)域的流動狀態(tài)也要求被了解的話，則必須采用三維的分析?？紤]到三維的流體動力學(xué)分析所需時(shí)間太長，且程序占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間較大，因此，開發(fā)二維的流體動力學(xué)模型分析淬水槽內(nèi)流動狀況是一種切實(shí)的途徑。

用于仿真計(jì)算的淬水槽來自現(xiàn)場，其它仿真條件如下:流動介質(zhì):液態(tài)水(設(shè)定為理想流體);流體模型:K－ε層流模型;槽內(nèi)液體溫度:50℃，等溫;帶鋼運(yùn)行速度:3 m/s;單元類型:4節(jié)點(diǎn)四邊形;網(wǎng)格類型:鋪砌型

1.3 網(wǎng)格生成

為了使用有限元仿真淬水槽內(nèi)的流動，必須將流動區(qū)域劃分成有限單元網(wǎng)格。仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性往往依賴于有限元網(wǎng)格的質(zhì)量。因?yàn)樵诖闼蹍^(qū)域存在直線等不規(guī)則的區(qū)域，所以采用了鋪砌網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到在運(yùn)行帶鋼及旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)痈浇鼌^(qū)域存在有大的速度梯度，故劃分成較小的單元;而靠近淬水槽側(cè)壁處速度梯度小，則設(shè)置成較大的單元。圖2給出的是淬水槽內(nèi)的有限元網(wǎng)格生成，屬于4節(jié)點(diǎn)型，包括了大約2700個單元。

圖2 淬水槽有限元網(wǎng)格的生成

2 仿真結(jié)果及分析

圖3給出的是帶鋼運(yùn)行速度在3 m/s情形下的速度場結(jié)果。同時(shí)，在圖4中也給出了速度等高線圖。

圖3 淬水槽內(nèi)速度矢量場

圖4 淬水槽內(nèi)速度等高線

由圖3、圖4可以看出，臨近帶鋼的流體其表面速度均為帶鋼的運(yùn)行速度，而離帶鋼距離越遠(yuǎn)，流動的速度則越低;靠近沉沒輥的流體，由于沉沒輥強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)作用，其流向與沉沒輥的旋轉(zhuǎn)方向一致，流動程度也相對于其他部位較為劇烈，而離沉沒輥距離較遠(yuǎn)部位的流體，其流向則受帶鋼運(yùn)行方向與沉沒輥轉(zhuǎn)速方向的交叉作用，流動顯得不規(guī)則，部位區(qū)域甚至出現(xiàn)了小范圍內(nèi)的漩渦。而總體來講，在臨近帶鋼與沉沒輥的區(qū)域，流體的流動方向基本與主動體一致;在沉沒輥與帶鋼的外圍，流體的流動方向基本與帶鋼的運(yùn)行方向相反，而在帶鋼與沉沒輥之間的部位，流體主要還是受沉沒輥轉(zhuǎn)動的影響，流動方向與其一致，部分受帶鋼與沉沒輥交叉作用的區(qū)域，便產(chǎn)生了漩渦。

從基本的物理學(xué)角度來講，淬水槽內(nèi)臟污如果其物理密度比槽內(nèi)流體大，則沉積在底部，反之則漂浮在流體表面(也稱漂浮物)，結(jié)合上述的仿真分析可知，底部臟污最有可能帶入到淬水槽入口的帶鋼下表面，而漂浮臟污則可能帶入到淬水槽入口帶鋼的上表面，另外，帶鋼與沉沒輥的包角部位，液體的流動速度最快，尤其是入口處，故漂浮物臟污最有可能由此部位帶入到帶鋼表面，甚至粘附到沉沒輥表面。由此可知，如果要控制淬水槽內(nèi)的臟污粘附到帶鋼上，則必須有效的控制臟污隨液體的流動。淬水槽底部液體速度垂向分布如圖5所示。

圖5 淬水槽底部液體速度垂向分布

由圖5可以看出，曲線呈下降趨勢，也即是表明，如果淬水槽底部離主體運(yùn)動區(qū)域越遠(yuǎn)，則其流動程度越輕微，于是底部可能存在的臟污便流動越小，因此，適當(dāng)?shù)脑龃蟪翛]輥與淬水槽底部的距離，便降低了主體區(qū)域的運(yùn)動對槽底部產(chǎn)生的影響，如此便可以比較有效的控制底部臟污的流動。

其次，還可在淬水槽底部裝上過濾網(wǎng)，一是減輕槽內(nèi)底部流體的流動劇烈程度，二是能夠阻止底部臟污向帶鋼下表面流動。淬水槽底部安裝過濾網(wǎng)后槽內(nèi)液體流動情況如圖6所示。

圖6 底部加裝過濾網(wǎng)后槽內(nèi)的速度矢量場

由圖6可以看出，在淬水槽的液面上，如果存在臟污，則極有可能帶入到帶鋼表面，因而產(chǎn)生質(zhì)量問題，尤其是在淬水槽的入口以及帶鋼與沉沒輥的包角處，但如果在此區(qū)域加裝擋板，是否能夠控制臟污的帶入呢?加裝擋板后的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 加裝擋板后槽內(nèi)的速度矢量場

由圖7可以看出，加裝擋板后，入口帶鋼左右的液體流動方向都有所改變，無論是帶鋼的上表面或下表面，流體不再流向帶鋼，而直接流向了帶鋼下方區(qū)域，而該區(qū)域由于沉沒輥的轉(zhuǎn)動，離心力使流體無法接近帶鋼，如此便能有效的阻止臟污向帶鋼及沉沒輥上流動，最終控制了臟污缺陷的發(fā)生。另外，帶鋼與擋板之間的液體有較強(qiáng)的流動趨勢，實(shí)際上，只需要適當(dāng)?shù)目s小帶鋼與擋板之間的距離，便能將該區(qū)域的流動對槽內(nèi)液體的流動影響降到最低。

4 結(jié)論

1)一種流動力學(xué)分析模型得到了開發(fā)，從而給實(shí)際生產(chǎn)提供一定指導(dǎo)作用。

2)仿真結(jié)果表明，臟污是由淬水槽入口處被帶入到帶鋼或者沉沒輥上的，而在帶鋼與沉沒輥的包角處，最容易發(fā)生臟污缺陷。

3)槽體設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增大槽底與沉沒輥的距離，可以有效的控制底部臟污帶入到帶鋼。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中，在槽底加裝過濾網(wǎng)，可以控制降低底部臟污的流動程度;而對于液面上的漂浮臟污而言，加裝擋板同樣可以控制其流動狀況，進(jìn)而降低臟污缺陷的發(fā)生。

［1］ 王瑞金，張凱，王剛，等.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:102－113.

FLUID DYNAMICS ANALYSIS OF QUENCHING WATER TANK IN CAPL

Chen Qiquan
(Konecranes Shanghai Company Ltd)

Aimed at the stain in quenching water tank of CAPL，the fluid flow in quench tank was reappeared by FLUENT software，It analyzed forming mechanism and put forwards relevant measures such as properly increasing the distance between the sink roll and the bottom of quench tank，installing filter net at the bottom，adding the baffle at the surface of quench tank.These measures provided instruction for actual production.

quenching water tank stain emulation

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2011—9—5