棒材穿水冷却过程温度场有限元分析

６时间，ｓ
表ｌ ２０Ｍｎｓｉ钢热物性参数
合利用ＡＮｓＹｓ求解。 ３）利用ＡＮｓＹｓ进行穿水冷却过程温度场分
析，可以为穿水冷却过程热应力、残余应力的计 算准备温度条件。
图３给出了棒材穿水冷却过程的几个典型 时刻棒材横截面上的温度分布。在１．Ｏｓ时棒材 的径向的温度梯度增大，出穿水口时达到最大， 之后逐渐减小，上冷床时温度分布已经基本趋于 一致。图４是整个穿水冷却过程中棒材表面（曲 线１）、半径Ｒ＝８处（曲线２）的温度变化过程。 棒材表面最低温度为３７０℃，低于２０Ｍｎｓｉ钢的马 氏体４３５℃的相变温度，发生了马氏体转变。自 回火温度为６３５℃，与实测６３２～６４０℃相近。 ４结论
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。
九批譬＋九祭卅：盯（丁·一贮。 ）
式中：ｓ——棒材的黑度，
卜棒材表面温度， 矿——ｓｔｅ胁－Ｂ０１ｔｚｎｌａＩｌ常数，
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：
九出 粤＋— 九詈ｙ：ｓ盯（ｒｔ一贮）＋＾。（丁一兄）
［６］刘庄，等．热处理过程的数值模拟［Ｍ］．北京：科学出 版社，１９８２ （收稿日期：２００７一Ｏｌ一２３）
一 万４０方一数据
冶金设备
２００７年６月第３期
（ａ）水冷区内温度场（１．０ｓ）
（ｂ）出穿水口时温度场（１．６ｓ） 图３棒材穿水冷却过程的温度分布
（ｃ）上冷床时温度场（５．６ｓ）
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图４棒材横截面上不同位置的温度分布
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元法
中图分类号７ｒＧ３３３
文献标识码Ａ
ＦｉＩｌｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂａｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
Ｆｉｅｌｄ Ｄｕｒｉｎｇ Ｗａｔｅｒ·Ｃｏｏｌｉｎｇ
Ｌｉｎ Ｓｈｕｎｈｏｎ９１ Ｚｈｕ Ｘｉｎｃａｉｌ “Ｃｈａｎ舒ｉａｎ９１ Ｒｅｎ Ｊｉｔａｎ９２ （１：Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ ７１１ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２：Ｈｅｂｅｉ Ｐｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
计算表明，当未考虑材料热物性参数的非线 性性质时，穿水冷却过程温度分布与实测值有相 当的误差旧Ｊ。由于热物性参数是温度的函数，而 穿水冷却过程温度跨度大，因而将各热物性参数 看作恒量显然是不合理的。因而比热容、导热系 数看作温度的函数，如表１所示为２０Ｍｎｓｉ钢热 物性参数。
一３９—
总第１６３期 ４解析结果及分析
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（－）
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１６３ Ｊｕｎｅ ２００７
冶金设备 ＭＥＴＡＬＬｕＲＧＩＣＡＬ ＥＱｕＩＰＭＥＮＴ
总第１６３期 ２００７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
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎ ｔｌｌｅ ｐａｐｅｒ，ａ ｐＩ谢ｉｃａｔｅｄ ｎｌｏｄｅｌ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｍｒｅ矗ｌｅｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｏｌｈ阻ｒｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ·ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ｂａｒ．１’１１ｅ ｈｅａｔ ｔＩａｎｓｆｅｒ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｅｍ－ ｐｅｍｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｗａｔｅｒ—ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｍｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｈｏｗ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｏｎｅｓ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕ他ｄｉｓ嫡ｂｕｔｊ加ａｎｄ ｆｊｎ出ｍｉｅｌ＿ｏｓｔｎＪｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂａｒ ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ—ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ
￡卜—钢—的时间导（热ｓ） 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ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎ 定律。 边界条件为：
１）对穿水冷却过程温度场模拟，所得结果与 实测符合基本相符，完全可满足组织性能控制与 预报的要求。
２）对于热物性参数的非线性的材料，特别适
参考文献
［１］李曼云等．小型型钢连轧生产工艺与设备．北京：冶金 工业出版社，１９９９
［２］王占学等．控制轧制与控制冷却．北京：冶金工业出版 社，１９８８
［３］谭真、郭广文．工程合金热物性［Ｍ］．北京：冶金工业 出版社，１９９４
ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．
ＫＥＹＷｏＲＤＳ
Ｂａｒ Ｗａｔｅｒ－ｃ００１ｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｌｅｄ ＦＥＭ
ｌ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
式中戈卜，温ｒ宽度度（和℃高）度方向直角坐标值（ｍｍ）
①作者简介：林顺洪，男，１９７３年出生，硕士，讲师，主要从事有限元分析和结构优化设计工作
一 万３方８— 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
●
口ｍ
丁产
一丁节
ｌ２
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
［４］孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用［Ｍ］．北京：科 学出版社，１９９８
［５］Ｍｏｒａｌｅｓ Ｒ Ｄ，Ｌｏｐｅｚ Ａ Ｇ，Ｏｌｉｖａｒｅｓ Ｌ Ｍ．Ｈｅａｔ Ｔａｎｓｆｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｕ打ｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｅｌ Ｒｏｄｓ［Ｍ］． ＩＳＵ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，１９９０，３０（１）：４８
图２棒材网格划分（１／４） ３．２解析条件
以某棒材分厂轧制的棒材螺纹钢筋为计算 对象。实测的穿水冷却工艺参数为：２０ＭｎＳｉ的 化学成分（质量分数，％）为Ｏ．１９Ｃ，１．４３Ｍｎ， ０．６２Ｓｉ，０．０２ｌＰ，０．０２１Ｓ，成品尺寸直径为咖２０、 轧制速度为１２ｎ∥ｓ、终轧温度１０５０ｃＣ、冷却水量 为３００ｍ３／ｈ、冷却水温为４５℃、环境温度为２５℃。 在求解过程中给定第一阶段的初始条件是：整个 截面温度均匀，该温度等于终轧温度。以后的每 一阶段的初始阶段为上一阶段的计算结果温度 分布情况。
边界条件为：
九粥等＋九詈泖：盯（ｒ。一巧）＋＾。（丁一Ｌ）
万方数据
式中：＾。为棒材与空气之间的自然对流换热系 数，根据文献所给模型。
＾。＝２．２（ｒ一瓦）ｎ ２５＋４．６×１０８（ｒ２一碍）（丁＋咒）
３解析条件 ３。ｌ单元划分
为了研究问题方便起见，同时不失真实性， 对矩形、圆或椭圆由于对称性，只取１“部分进 行研究。所有单元为平面四边形单元ＰＬＡＮＥ５５， 单元划分结果如图２所示。