徐正彪，王延蘋，劉瑞剛，李現富，王福良，陳 闖

(日照鋼鐵控股集團有限公司鋼軋項目組，山東 日照 276806)

熱軋H型鋼軋制完成后，與周圍環(huán)境存在較為復雜的換熱過程，溫度的降低過程也較為復雜。材料的溫度變化過程，對其顯微組織、性能、內部應力、外觀質量均有重要的影響。因此，探究熱軋H型鋼在終軋后的溫度變化規(guī)律有重要意義。終軋后軋件溫度隨時間的變化規(guī)律，僅依靠理論推導，容易產生較大的偏差。本文通過將軋后溫度數據離散化，對溫降區(qū)間進行數值分析，結合理論熱輻射及空冷對流換熱系數及實際各規(guī)格測量數據，模擬出各規(guī)格的溫降曲線。改變換熱環(huán)境，可模擬各規(guī)格的溫降所需時間，據此可用來指導新產線冷床有關的工藝設計等。

1 冷床溫降模型的作用

熱軋H型鋼工藝溫度，須根據材料的成分、規(guī)格、矯直要求等合理設定。熱軋H型鋼終軋溫度一般在900 ℃左右，經過冷床冷卻后，矯直入口溫度一般要求≤80 ℃。工藝上，冷床冷卻主要包括兩種方式，一種是采用前區(qū)自然空冷+后區(qū)風冷的模式；第二種考慮廠房設計、冷床制造成本等經濟因素，工藝上采用前區(qū)自然空冷+后區(qū)噴霧冷卻的模式。

空冷方式一般是軋件在終軋后，在冷床上自然冷卻或通過增加空氣對流加快冷卻的過程。噴霧冷卻一般在軋件低于亞共析相變溫度后，通過向軋件噴射水霧而達到快速降溫的冷卻方式。采取噴霧強制冷卻的模式，冷卻速度較快，可節(jié)省冷床及廠房寬度，但該技術路線也存在較大的不足：軋件冷速較快，導致材料的內應力較大，矯直困難；噴霧冷卻造成鋼材表面易于銹蝕；長期噴霧也會造成冷床機械及電氣設備的損害加快。

基于產品質量品牌及設備的長期保護分析，采用空冷+風冷的模式是較佳的選擇。新產線冷床寬度的設計需要綜合考慮產能、廠房寬度、機械、電氣成本等因素。如果設計過大將抬高成本，設計過小將限制產能發(fā)揮，綜合效益低，因此冷床寬度的設計需要充分考慮計劃生產的各規(guī)格的溫降和產能設計，合理規(guī)劃。

目前對熱軋型鋼空冷溫降過程的研究較少，本文采用理論計算結合生產線實際數據的方式，對典型規(guī)格溫降曲線進行擬合，模擬出在空冷條件下，軋件溫度隨時間的變化規(guī)律。

設計新產線冷床時，可根據設計的規(guī)格、終軋溫度、軋件間距、冷床步距等參數，可合理推斷出各規(guī)格產品在不限制軋制工序產能情況下，所需冷床最小寬度，或根據初步設計的冷床寬度判斷冷床工序產能受限的規(guī)格。同時所擬合出的軋件軋后溫降模型，對研究材料的軋后溫降速率，指導微合金化元素的添加等均具有重要意義。

2 冷床溫降模型的建立

軋件降溫的實質是軋件向周圍環(huán)境散發(fā)熱量而內能減少的過程，軋件與環(huán)境對外交換熱量主要通過輻射、對流和傳導三種方式進行。

與對流散熱及輻射散熱相比，軋件與空氣傳導散失的熱量相對較少，實踐中通過熱量散失修正系數的調整，將該部分熱量納入到輻射和對流散熱中。目前對帶鋼的溫降模型[1-2]研究較多，由于型鋼斷面復雜，翼緣、腹板厚度不同，且不同規(guī)格型鋼變化較大，按照此類計算公式推算型鋼溫降過程，偏差較大。因此，本文采用理論計算結合實際測量的方式，對溫降過程進行模擬。

2.1 材料換熱公式

軋件熱量散失過程的理論推導與實際數據偏差較大，實踐中將降溫區(qū)間離散化，將降溫過程分為每5 ℃一個溫度區(qū)間，選取1 m軋件為研究對象，由熱力學公式(1)可分析在工藝設計溫度區(qū)間，軋件需要放出的熱量：

Q=c×m×(T2-T1)

(1)

式中：Q為軋件放出的熱量；c為軋件材料的比熱容；m為軋件的質量；T2-T1為軋件溫度變化量。

計算散失熱量所需的時間：

t=Q/q=Q/(α×q輻射+β×q對流)

(2)

式中：t為冷卻時間；Q為溫度降低所散失的熱量；軋件單位時間內散失的熱量q，由軋件單位時間內輻射散熱q輻射和對流換熱q對流組成。q輻射為輻射換熱系數，即單位時間、單位面積材料，在某一溫度輻射放出的熱量；q對流為對流換熱系數，即單位時間內單位面積材料與空氣對流放出的熱量；α、β分別為T-t擬合值中，關于q輻射和q對流的修正系數，即通過調整α、β使擬合T-t曲線取值初始值及末尾值與實際情況相吻合。

2.2 輻射換熱系數

輻射換熱系數[3-4]：

q輻射=ε×Eb

(3)

式中：ε為不同溫度材料的熱輻射率；Eb為黑體在某溫度的輻射能力。

Eb采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律[3-4]確定：

Eb=σb×T4

(4)

式中：σb為黑體輻射常數；T為黑體的熱力學溫度。

2.3 對流換熱系數

對流換熱系數，根據文獻[5-6]取值，通過最小二乘法可計算出其他各溫度點(950～80 ℃每5 ℃一個節(jié)點)的對流換熱系數，見表1。

可擬合對流換熱系數方程為：

表1 空氣對流換熱系數

y=13.597e0.0024x

(5)

式中：x為溫度，y為空氣對流換熱系數。以此可計算目標區(qū)間(80～950 ℃)內所有溫度的換熱系數。

2.4 模型建立及修正系數

根據軋件的斷面尺寸數據，計算出軋件的理論散熱面積。通過實際測量冷床入口溫度、空冷出口溫度，矯直入口溫度，輸入到所建立的模型中，通過適當調整輻射及對流的修正系數α、β，可方便的將所擬合的數據與實際軋件在三個關鍵位置的溫度點隨時間的變化相同。從而得到大量的擬合數據，可方便的分析軋件在不同時間、不同位置的溫度。

2.4.1自然空冷

由于軋件從終軋后高溫區(qū)降至室溫的過程中，主導散熱的方式在發(fā)生變化，為使模擬溫降時間與時間一致，采用分段擬合的方式。以Q235B材質I18規(guī)格為例，將溫降分別以950～300 ℃、300～80 ℃為區(qū)間，分段擬合，使擬合溫度隨時間的變化規(guī)律趨于一致，見圖1。根據擬合的多項式公式，可計算軋件溫度隨時間的變化數值。

圖1 I18規(guī)格Q235B材質模擬T-t曲線

2.4.2自然空冷結合風冷空冷

軋件終軋冷卻至室溫過程，如果全部采用自然冷卻方式，所需時間較長，不利于生產線設計及產能的提高。根據設計需求，可在自然冷卻段后，添加風機以增加換熱效率。由于軋件在空冷區(qū)和風冷空冷區(qū)的對流強度不同，材料在高溫區(qū)和低溫區(qū)的輻射系數不同，可根據實際狀況進行修訂。以Q235B材質H298×149規(guī)格為例，模擬數據見表2，模擬T-t曲線見圖2。風冷及換熱系數增大，冷卻速率隨即加快。由于冷卻條件發(fā)生變化，因此在數據分析時，需要分段進行。

Q235B材質H298×149規(guī)格從950 ℃冷卻至80 ℃用時50.8 min。如果根據設計要改變終軋溫度，在模型輸入相應終軋溫度，即可得到軋件降至80 ℃所需的時間。從各規(guī)格的溫度-時間冷卻曲線，也可讀出終軋后軋件溫度隨時間變化的瞬時值，從而幫助理解微合金化鋼組織、性能的特點。

圖2 H298×149規(guī)格Q235B材質模擬T-t曲線

表2 Q235B材質H298×149規(guī)格模擬數據

3 冷床溫降冷床的設計及其合金元素作用

3.1 新產線冷床設計

依據冷床的初步設計寬度、計劃生產的規(guī)格、各規(guī)格在冷床上的間距、步距等參數，可確定各規(guī)格正常生產時，在冷床上的可存放支數。正常生產時，軋制工序的生產節(jié)奏以及軋件在冷床的可存放支數，可確定在整個冷床冷卻過程中，各規(guī)格的工藝冷卻時間。根據建立各規(guī)格軋件溫度隨時間的變化模型，即可計算出各規(guī)格在冷床的工藝冷卻時間內，軋件下冷床時可降至的溫度，進而判斷冷床工序是否為限制產能環(huán)節(jié)。綜合各規(guī)格在軋制、矯直、冷鋸等工序的產能及節(jié)奏，工藝溫度設計，可進一步優(yōu)化冷床的寬度、冷床的空冷區(qū)域及風冷區(qū)域的寬度等。

一般新型鋼產線產品規(guī)格可達上百個，此處僅選取部分規(guī)格作為示例。表3為某產線初步冷床設計寬度為28 m，部分規(guī)格型鋼模擬溫降時間，當軋件冷卻工藝用時超過在冷床時間時，冷床產能受限，最終要根據新產線各規(guī)格產能分布，合理設計冷床寬度及布局，減少產能占比較高規(guī)格的受限因素，以達到成本、產能最優(yōu)的目的。

表3 某產線冷床設計

3.2 研究微合金化元素的作用

研究軋后溫降T-t曲線，對材料添加合金強化元素具有一定的指導意義。為改善材料機械性能，部分鋼種涉及添加V、Ti等微合金化元素，V、Ti元素的強化機制包括固溶強化和析出強化，一般該類元素的析出強化對強度的貢獻大于固溶強化的作用。充分發(fā)揮微合金化元素析出強化的作用，需要設計合理的工藝溫度[7-8]，否則將達不到強度的設計目的。因此加V、Ti等微合金化元素的鋼種，可以根據軋后溫降規(guī)律，適當調整工藝使材料在較高溫度停留更長的時間，促進析出強化。

4 結論

1)將熱軋H型鋼終軋后空冷溫度降低區(qū)間離散化，結合傳熱理論與實際測量數據，模擬終軋至矯直環(huán)節(jié)的溫度-時間變化曲線，采用本方法可較為準確的預估軋件在精軋后，溫度隨時間的變化規(guī)律。

2)終軋后降溫曲線，對研究材料中微合金化元素的強化機制、改善材料內部組織應力與熱應力，尤其在新生產線冷床寬度設計和既有生產線產能提升方面有一定的指導意義。