高线穿水冷却过程温度场的数值模拟

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｗｉｒｅ
ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｒｕｌ，ＷＡＮ Ａｉ—ｘｉａｌ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ—ｗａｎ９２，ＲＯＮＧ Ｓｈａｏ—ｙｏｎ９２
（１ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｈｅｂｅｉ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅ Ｃｏｒｐ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｂｅｉ ０６３０１６，ｃｈｍａ）
ａｎｄＡＮＳＹＳ ５ ７
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｗｉｒｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；Ｓｔｅｌｍｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｌｉｎｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
万方数据
冷却水压力的影响是～个十分复杂的过程，在 定性Ｅ分析，是当高线在穿水冷却时，由于高温线 材与冷却介质存在着巨大的温差，使得在线材表面 上瞬间形成的蒸汽膜阻碍换热过程．这需借助冷却 水的压力来不断打碎表层蒸汽膜，使膜状沸腾转化 成核状沸腾，从而改善线材表面与冷却水的热交换 条件。这说明冷却水压力越大对线材表面的冲击力 也越大，越不利于蒸汽膜的形成，从而改善热交换 环境。冈此，调节冷却水的压力同流量同样必要。
摘要：基于传热学的基本理论，以高线斯太尔摩控冷线的水冷却段为研究对缘，建立了实体模型并确定了边 界条件；应用有限元法以工程软件ＡＮＳＹＳ ５．７为分析工具，结合生产现场，模拟了冷却水流量、压力、水温及 冷却时间对冷却对象温度场的影响。
关键词：高速线村；温度场；斯太尔摩控冷线；数值模拟
中图分类号：ＴＧｌ５６
４７８
熟山大学学报
４温度场的主要影响因素及现场实测结果
４．１温度场的主要影响因素
４ １ １ 冷却水流量和压力的影响 冷却水流量影响温度场的主要因素，通过现场
分析和实测，当其他工艺条件不变时，冷却水流量 对吐丝温度的影响如图６所示。这是由于随流量的 变大，引发水冷时换热系数的变化，冷却强度明显 增大。
８ ４７
６ ０７
６ ０７
一
水箱间距／ｍ
３．５１２
８ ００７
１ ４８８
一
冷却水嘴数量
９
６
６
２ｌ
清扫水嘴数量
１
１
２
反向喷水嘴数
ｌ
１
１
３
反向风嘴数
一
一
１
ｌ
冷却水水质
悬浮物ｔ＜３０ｍｇ／Ｌ
一
冷却水水压／ＭＰａ
０ ６０
０．６０
０ ６０
一
冷却水水Ｎ／℃ 压缩空气压力／ＭＰａ
３０ ０ ５—０ ７
３０ ０ ５～０ ７
成圈，并以散圈状态布放在连续运行的散冷辊道
—萼—妨， 上。辊道下方设有多台风机进行风冷，最终进入集
卷筒集卷收集。其工艺布置图如图１所示。
１
２
４
５
斯太尔摩控冷线的水冷段全长为３０ ｍ，－４０ Ｉｌｌ， 由２～３个水冷却箱组成，在水冷箱之间用６ ｍ～ｌ Ｏｍ 的无水冷的导槽隔开，称为恢复段，其目的之·一先 使线材经过一段水冷后，减小轧件表面与芯部的温 度差，以防止表出现淬火组织；目的之二是控制金 属的相变温度延缓晶粒长大，并限制产生氧化皮。 因此，深入研究水冷段轧件的温度场对产品的组织 与性能是十分必要的。
２穿水冷却过程现场工艺条件
轧制钢种为普碳钢线材（Ｑ２３５），轧制速度为
表１水冷段设备主要性能
Ｔａｂ １ Ｐｒｉｍａｒｙ ｅａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ
项目
第段水箱第二段水箱第三段水箱台计
结构特点
环掣喷嘴 耶型喷嘴 环型喷嘴
一
水冷段伞长向
一
一
一
３６ ３０
水箱长度／ｍ
面进行分析，在ＡＮＳＹＳ环境下，采用三角形单元 划分网格，取单元数７２６个，节点数１５１７个，如 图３所示。
３．２温度场的计算结果 在ＡＮＳＹＳ环境下，编制相应的命令流，对线
材穿水冷却过程逐段计算，得到轧件在各阶段的温 度场，如图４所示。
万方数据
图３有限元模型与网格 Ｆｉｇ ３ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｎａｅｓｈ
４．１．２冷却时间的影响
在分段水冷过程中，水冷时间是线材穿水速度 和水箱长度的函数，在整个穿水冷却的过程中，高 温线材经历了急冷和恢复的多次反复过程，这个工 艺过程延续的时间越长。则冷却的效果就越明显， 在本文给定的工艺条件下，当开启两段水箱时，线 材温降在１２０～２１０℃，而开启三段水箱时，温降 可达１７５－２１０℃。
３）循环冷却水温的影响可以忽略。
约，只能实测轧件吐丝时刻的表面温度，在本文的 工艺条件下，当开启１号和２号水箱时，实测温度
参考文献
为９７０－９９０℃；当开启全部３个水冷箱时，实测 温度为９３５－９６０℃。
［１】冯贺滨，褚建东，吉学军高速线材新太尔摩控制拎却过程的 数学模型［Ｊ］金属热处邢学报，２０００，ｌ，４４－４８
Ａｂｓｔｒａｃｔ；Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅＬ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｗｉｒｅ Ｓｔｅｌｍｏｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｒｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｃ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｏｒｅｆｉｅｌｄ，ｓｕｃｈ ａｓｗａｔｅｒ ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｏｗ，ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｌｌｒｅ，ｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇｔｉｍｅｅｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄｂｙ ＦＥＭ
终轧温度一般要大于１ ０００“Ｃ，在近几年新建 的高线中均应用了控制轧制与控制冷却技术，为了 控制终轧温度均在精轧机组前增设了预水冷段，目 的在于获得良好的轧材组织性能。
勃钥州印ｃ等 ㈣
式中，Ａ为材料的热传导系数，Ｗ／（ｍ－℃）；Ｈ为内 热源；Ｐ为材料密度，ｋｇ／ｍ３。ｅ为材料定压比热容， Ｊ“ｋｇ－℃）。
３０
０ ５－０．７
一 ０ ５－０．７
总供水能力／（ｍＶｈ）
一
一
２３５
３号水冷箱：６央送辊；７－－㈣１， 终轧机：２一废品箱；３一Ｉ号水冷箱；４—２号水冷箱：５
图２水冷段示意图
Ｆｉｇ．２ Ｌａｙｏｕｔｏｆｗａｔｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ．ｒｅｇｉｏｎ
３温度场的数值模拟
３．１有限元分析模型 为增强模拟的直观性，取线材的整个实体网断
１１００
望
世 列１０００ 谢 崮９５。
９０。
冷却水量／（ｍＶｈ）
圈４各个阶段温度场分布图 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｅｖｅｒｙ ｓｅｃｔｉｏｎ
为直观反应线材在穿水冷却全过程中温度场 的变化规律，在模型的离散体由｜』＝Ｊ向外依次取５个 典型的节点，作为节点所在表层的温度场，如图５ 所示。其中五为线材中心的第１５１７个节点的温度 变化；元为线材外表面的第５２节点的温度变化。
１２４０
１１６０
＼＼≤主兰 １０８０
ｐ 剖
＼／～７■ 寤１０００ ９２０
８４０
０
０８
１６
２．４
３２
４０
Leabharlann Baidu
时间悖
图５ ６．５ｍｍ线利冷却温度曲线 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ６ ５ｒａｍ ｗｉｒｅ
万方数据
图６冷却水流苣对吐丝温度的影响
Ｆｉｇ．６
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆｆｌｏｗ ｔｏ ｗｉｒｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
恢复段的长度对温度场的分布及轧材组织有
篁皇塑
兰塑笪羔童垡窒查堡塑塾堡塑壁塑塑塑堕堡型
！！！
影响，但对绝对温降影响不甚明显；即使在北方存 可阻通过调节冷却水流量作为主要控制冷却参数。
在季节温差，冷却循环水的温度影响仍可阻忽略不 计。
２）冷却时间是影响温度场的莺要因素，在轧 制速度一定情况Ｆ，冷却时间由水箱和恢复段的长
高线的稳定生产过程中＾可视为常量，Ｈ＝０，
茜＝ｏ，—警一０，线材穿水冷却时的温度场可简化
为具有初始等温场的圆断面上温度分布仅沿半径 变化的一维瞬态问题，则本文的热传导方程为
收稿日期：２００５．０２－２３ 作者简介：王海儒（１９５０－），男，吉林吉林人。教授。主要研究方向为特种轧制技术、轧制过程的计算机仿真技术
４．２现场温度的测试
在穿水冷却过程中，由于轧件运行速度很高， 在冷却水表面张力的作用下，轧件外表面犹如穿上 一层“水衣”，虽在水箱出ｕ处设有逆向空气空气 喷嘴，但也不足以遏制其存在。同时轧件的表面 “水衣”在高温下相继汽化形成蒸汽，因此很难精 确测得线材真实表面温度。受上述现场环境的制
度来确定。由系统模拟表明，增加水箱的长度能够 加强冷却效果，增加恢复段长度能够使内外温度差 更加趋于平衡。因此可以结合这两方面的冷却特 征，合理调整水冷箱利恢复段的长度，使之能够满 足不同产品的控冷工艺要求，提高产品的综合机械 性能。
１数学模型的建立
１．１热传导方程
圆柱极坐标系下的一般热传导方程为
÷岳（嘲＋专新器Ｊ＿
Ｖ
１一成品轧机ｉ ２一水冷箱；３一恢复段｛４一共送辊ｉ ５一吐丝机；６一斯太尔摩运输机：７集卷筒： ８一升降梁；９一Ｍ机
图１斯太尔摩控冷＿Ｌ艺布置示意图 Ｆｉｇ．１ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆＳｔｅｌｍｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
［３】张国滨螺纹钢筋穿水冷去｜】时的对流换热系数模型【Ｊ】河北 理工学院学报，２００２，４，３２－３７
［４】孔祥谦有限元法在传热学－ｌ－的应用【Ｍ］北京：北京科技｝｜＿ｊ 版社，１９９８，６５一１２３
［５】ＲａｍｅｓｈＭ、‘ＳｅｅｔｈａｒａｍｕＫＮ．ＱａｎｅｓａｎＮ，ｅｔａｌ Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒａｎａｌｙｓｉｓｉｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆｉｓｏｔｒｏｐｌｃｍａｔｅｒ— ｉａｌｓ ｆＪｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＨｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ， 】９９９．】５６９一】５８３
文献标识码：Ａ
０前言
在高速线材生产中，斯太尔摩控冷技术是目前
在各种控冷方法中应用最普遍，发展最成熟，技术
最稳妥可靠的一种控制冷却工艺”１。其形式虽依钢
种及其冷却制度不同有标准型、缓冷型及延迟型之
别，但其共性都是由水冷段和风冷段两部分构成。
线材由精轧机轧出后，随即进入由多段水冷箱组成
的水冷段进行强制水冷，之后经夹送辊送入吐丝机
第２９卷第６期 ２００５年１１月
燕山大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＹａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
文章编号：１００７－７９１Ｘ（２００５）０６—０４７６－０４
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．６ ＮＯＶ，２００５
高线穿水冷却过程温度场的数值模拟
王海儒‘，万爱霞１，王颖旺２，荣少勇２
（ｉ．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛０６６００４；２唐山钢铁公司，河北唐山０６３０１６）
万方数据
第６期
－噶辩一ｃ鲁王海儒等高线穿水冷却过程温度场的数值模拟４７７
９０ｍ／ｓ，线材直径为＋６．ｓｍｍ，对于普碳钢（Ｑ２３５），
（２）
其热容量参数ｃ为４７３ Ｊ／（ｋｇ·℃）、导热系数☆为２９
１．２初始条件和边界条件
Ｗ／（ｋｇ·℃），密度Ｐ为７８０１ ｋｇ／ｍ３，黑度０．８５。水冷 段的工艺布置如图２所示，设备的主要性能参数见
初始条件：ｚ’＿Ｚ，ｏ≤，≤Ｒ，ｔ＝０
（３ａ）
表１。
线材芯部：了ＯＦＴ＝０，ｒ如，户ｒ
（３ｂ）
线材表面：一Ａｊ３｝勘（Ｔ－ＴＯ，ｒ＝Ｒ，Ｆ可 （３ｃ）
式中，正为线材初始温度，℃，Ｒ为线材半径，ｍ； 疋为环境温度，℃；ｒ为线材中心到表面的任意位 置，／ｒｌ；＾为等效传热系数，Ｗ／（ｍ２·℃）。其中ｈ在 文献【１】、【３］的基础上经实验修定，并采用分段 计算。实测表明，因现场工艺条件相同其误差是可 以接受的。
就线材穿水冷却的表面温度场而言，本文理论 计算与上述实测值比较接近。
５结论
１）在温度场影响的因素中，冷却水流量占主 导地位。在其它工艺条件不变的情况下，通过对不 同冷却水流量的系数模拟，由吐丝温度随流量的变 化图表明，冷却水流量越大，吐丝温度越低，因此
［２】胡泽强，温治，朱宏祥，等．线材控冷轧制热过程数学模型及 其数值仿真【Ｊ］冶金自动化，２００３．２３—２８