肖湖福 葛國軍 李 軍
(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京201900)
層流冷卻裝置是熱軋廠布置在精軋和卷取之間的控冷設(shè)備,主要由上噴裝置、下噴裝置、側(cè)噴裝置和控制閥組等組成,目的是保證帶鋼的性能,為了實(shí)現(xiàn)這一目的其關(guān)鍵在于使鋼板長度、厚度和寬度方向溫度分布均勻。目前,國內(nèi)外對層流冷卻長度、厚度方向的溫度分布進(jìn)行了大量的工作,得到了各種冷卻模型[1-3]。但這些模型通常都假設(shè)寬度方向溫度分布均勻,在實(shí)際應(yīng)用過程中存在誤差。
通過有限元分析,著重研究層流冷卻過程中帶鋼寬度方向的溫度分布,探討層流冷卻工藝對溫度分布的影響;針對寬度方向溫度分布不均勻問題,采取邊部遮擋措施,并提出了合理的邊部遮擋工藝,最大限度地提高帶鋼溫度分布的均勻性。
為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果,本文以某熱軋廠10mm×1500mmX80管線鋼為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)測定該鋼種的物性參數(shù)(包括換熱系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱等),見圖1、圖2和圖3。統(tǒng)計(jì)分析精軋后不同終軋溫度鋼板寬度方向的初始溫度分布數(shù)據(jù)如圖4所示。層流冷卻段分為強(qiáng)冷段、緩冷段和精冷段,強(qiáng)冷段有3組,集管的開啟方式分別定義為110、011、101(其中1表示打開,0表示關(guān)閉);緩冷段有10組,根據(jù)需要可以開啟多組,精冷段有2組,用來精確調(diào)整卷取溫度。
圖1 X80鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)
圖2 X80鋼的比熱
圖3 X80鋼表面綜合換熱系數(shù)
圖4 10mm×1500mmX80管線鋼寬度方向不同初始溫度的分布
圖5 模型的網(wǎng)格劃分(圖中數(shù)字代表節(jié)點(diǎn))
以上工作完成后,利用Marc有限元仿真軟件進(jìn)行X80管線鋼層流冷卻過程的模擬,模擬過程中采用了不同的終軋溫度分布,不同的集管開啟方式;同時為了精確研究帶鋼寬度方向的溫度分布特性,取帶鋼的半寬進(jìn)行運(yùn)算,且網(wǎng)格劃分時采用中間疏邊部致密的方法[4],如圖5所示。把模擬的結(jié)果通過Marc強(qiáng)大的后處理程序提取出來。
不同的初始溫度經(jīng)過相同的冷卻工藝?yán)鋮s后得到的結(jié)果是不同的,如圖6 所示為10mm×1500mmX80鋼在不同的初始溫度下,采用集管的開啟方式為110-1111110000-1313,經(jīng)有限元模擬后取鋼板表面的點(diǎn)進(jìn)行歷史溫度的分析結(jié)果。
圖6 不同的初始溫度下經(jīng)相同的冷卻工藝的溫度曲線
圖7 冷卻過程中所取點(diǎn)溫度隨時間變化圖
圖8 中間點(diǎn)1與端部19點(diǎn)溫差
由圖6可知,不同終軋溫度層流冷卻過程溫度變化規(guī)律大致相同,出精軋到層冷設(shè)備之間有一段空冷距離,溫度變化不大;進(jìn)入層流冷卻2組強(qiáng)冷段后,溫度迅速下降,此時的冷卻速度達(dá)到最大,隨后經(jīng)過一組空冷,溫度略有回升;進(jìn)入6 組緩冷段后,冷卻速度有所下降,緊接著經(jīng)過4組空冷,溫度產(chǎn)生回升;最后通過精冷段的調(diào)溫,溫度維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。
對終軋溫度為890℃的帶鋼取寬度方向中心到邊部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,如圖7所示,帶鋼中心到邊部節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)14的溫度差不大,控制在5℃以內(nèi),但邊部節(jié)點(diǎn)19與中心的溫差較大,且隨著冷卻時間的增長,溫差變化無明顯規(guī)律。圖8為中心節(jié)點(diǎn)1與邊部節(jié)點(diǎn)19的溫差圖,即溫度最高點(diǎn)與最低點(diǎn)間溫差隨時間的變化曲線。
對比圖7和圖8,可以看出二者基本成反比例關(guān)系,最大溫差出現(xiàn)在緩冷回復(fù)階段,且隨著層流冷卻后空冷時間的增大,溫差在逐漸減小,但溫差值由冷卻前的35℃上升至70℃。這種溫差既會影響到冷卻過程中的心部和邊部的組織均勻性,又會影響帶鋼表面的平整度,使帶鋼產(chǎn)生彎曲、邊浪等缺陷。雖然通過增加空冷時間有利于消除溫差,但這樣會增加設(shè)備的長度,降低生產(chǎn)效率。最好的方法是在緩冷段采用邊部遮擋措施,以最小的投入來改善帶鋼寬度方向的溫度均勻性。
由以上結(jié)論可知,為了改善帶鋼寬度方向的溫度均勻性,可采取在緩冷段加邊部遮擋的措施。對邊部遮擋的模型處理的關(guān)鍵是遮擋區(qū)對流換熱系數(shù)h 的描述,本文根據(jù)帶鋼終軋后寬度方向的溫度分布規(guī)律把帶鋼沿鋼板寬度方向分成兩個區(qū)域,在0~85%半寬度區(qū)域內(nèi)設(shè)定對流換熱系數(shù)h為恒值,85%~100%半寬度區(qū)域設(shè)定遮擋,在遮擋區(qū)域內(nèi)對流換熱系數(shù)h 按照二次函數(shù)的規(guī)律遞減,如圖9所示。通過Marc二次開發(fā)對換熱系數(shù)進(jìn)行加載。
圖9 遮擋后換熱系數(shù)的變化
圖10和圖11分別是某種工藝下采用了遮擋和未采用遮擋帶鋼經(jīng)過層流冷卻后寬度方向上的溫度分布。可以看出未增加遮擋時最大溫差為60℃,而增加遮擋后最大溫差僅為30℃;且增加遮擋后其溫降的范圍在減小,由初始的120mm 下降為50mm 左右。因此遮擋是非常有效果的,能夠有效地降低溫差的大小及其影響范圍。
圖10 邊部遮擋后溫度分布
圖11 未遮擋溫度分布
通過對比多組仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)單邊遮擋量為帶鋼半寬度的10%~15%范圍內(nèi)時,其效果較好。而如果擴(kuò)大或者減小遮擋量時,會影響層流冷卻的效果。
把不同板厚和不同板寬加遮擋和未加遮擋的模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到了板寬和板厚與遮擋量之間的關(guān)系圖,如圖12和圖13所示。
圖12 遮擋量與板厚的關(guān)系
圖13 遮擋量與板寬的關(guān)系
由圖可知,隨著板厚的增加遮擋量呈直線減小,與此相反,隨著板寬的增加,遮擋量也隨之增加。假設(shè)遮擋量與板厚和板寬呈線性關(guān)系,通過對兩曲線進(jìn)行回歸,可以得到遮擋量與板厚和板寬的經(jīng)驗(yàn)公式:
式中 B—遮擋量,mm;
H—板厚,mm;
W—半板寬,mm。
此公式為經(jīng)驗(yàn)公式,為了確保其準(zhǔn)確性,需要現(xiàn)場的大量冷卻數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。
通過Marc有限元的分析方法,研究了X80管線鋼的層流冷卻過程和寬度方向的溫度分布規(guī)律,得到了以下結(jié)論:
層流冷卻過程中X80管線鋼寬度方向上的最大溫差出現(xiàn)在緩冷段,可以通過在緩冷段加邊部遮擋措施來改善帶鋼寬度方向的溫度分布。
增加邊部遮擋與未加邊部遮擋比較,不僅使層流冷卻后寬度方向的溫差減小,而且寬度方向的溫降范圍也大大減小。
邊部遮擋量與板厚和板寬有關(guān),與板厚成反比,與板寬成正比;通過分析大量有限元數(shù)據(jù),得到了遮擋量與板厚和板寬的經(jīng)驗(yàn)公式,可以應(yīng)用于工程實(shí)踐。
[1]彭良貴,于明,王昭東,劉相華.熱軋帶鋼層流冷卻數(shù)學(xué)模型概述[J].軋鋼,2003,Vol.20(6):25-29.
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[4]孔詳謙.有限元法在傳熱學(xué)中的運(yùn)用[M].北京:科學(xué)出版社,1996.