中厚板控冷工藝仿真與分析

1、中國冶金裝備網(wǎng) 一中國冶金人的網(wǎng)站中厚板控冷工藝仿真與分析王志軍1趙剛1葉傳龍1劉校平2程蓬2摘要本文通過有限差分法對中厚板軋后控制冷卻溫度場進行模擬，得到鋼板在整個控冷階段的瞬態(tài)溫度 分布和溫降速度分布，為均勻化冷卻速度，制定合理控冷工藝提供實踐指導。關鍵詞 中厚板控制冷卻 溫度預報 冷卻速度 有限差分Simulation and Analysis of Accelerated Controlled Cooling of P late1 1 1 2 2Wang Zhjun Zhao Gang Ye Chua niong Liu Xia oping Cheng Peng(1:College o

2、f Material Scie nee and Metallurgical Engin eeri ng,Wuhan Uni versity of Scie nee and Techn ology, Wuhan 430081;2:Wuhan WISDRI Soft Ltd, Wuhan 430225)ABSTRACT: In this pap er, finite difference method is ada pted to simulate Accelerated Controlled Cooling of pl ate, and the transient temp erature di

3、stribution and cooling sp eed of pl ate after rolling is obtained. It can be a good guidance for the homogenization of temperature drop speed and to make reasonable controlled coolingP rocess.KEYWORDS: Plate ACC Temp erature P rediction Cooling Sp eed Finite Difference Method1引言利用中厚板軋制后的余熱，進行合理的控制冷卻

4、工藝(Accelerated Controlled Cooling,ACC)，通過控制相變和碳化物析出， 能保證其它基本性能的條件下提高強度，減少碳當量，提高鋼材綜合性能。同時也能省去軋后熱處理工序，大大降低生產(chǎn)成本1-2。中厚板控冷過程溫度計算是一個復雜的過程， 溫度變化會導致組織轉(zhuǎn)變，而不同的冷卻速度會得到不同的組織結(jié)構(gòu)，同時相變會產(chǎn)生相變熱，又會引起溫度變化3-5。實際控冷過程中鋼板的各點冷卻速度并不是相同的，為此鋼板中會產(chǎn)生內(nèi)應力，對鋼板性能造成不利的影響。本文通過仿真分析，提出了一種優(yōu)化傳統(tǒng)開啟水量模型的方案。2軋后控冷工藝及設備 作者簡介：王志軍，男，1985年出生，武漢科技大學在

5、讀碩士研究生，研究方向：控軋控冷工藝 研究及計算機模擬某中厚板廠控冷線的布置如圖1所示：V HS VHll H12Ep5 II PS圖1控冷線主要設備及檢測儀表布置H:熱金屬探測器P高溫計TG測厚儀該廠的控制冷卻設備采用 U型管層流冷卻形式，其中上集管15組，下集管30組，（一組上集管對應兩組下集管），上下各有15個控制閥。上部集管間距 1.6m，水冷區(qū)共長24m。 每組上集管最大水流量為120m3/h，每組下集管最大水流量為330m3/h，瞬時最大水量為7000m3/h。鋼板通過水冷區(qū)的速度為0.2-2.5m/s,上下水比分配為1:1-1:3.冷卻速度在5-25 C/s之間（視板厚而定）?？?/p>

6、制冷卻的任務是對開始與終止冷卻溫度，冷卻速度，冷卻模式等冷卻參數(shù)的控制與優(yōu)化，從而對鋼的相變過程進行控制，達到最終需要的組織和性能的目的。鋼板冷卻速度決定了鋼板所得到的組織， 鋼板中各點的冷卻速度不同，不僅會導致鋼板各點的組織性能不均勻，還可能導致潛在的板形不良。本文通過現(xiàn)場實測與仿真研究相結(jié)合的方法優(yōu)化集管水量開啟方式，來優(yōu)化鋼板各點的冷卻速度，為現(xiàn)場提供理論指導。3控制冷卻溫度模型的建立中厚板控制冷卻過程中，鋼板主要冷卻方式有鋼板與冷卻水的傳熱，鋼板的熱輻射，鋼板與軋輥間熱傳導，鋼板相變熱等。在計算中，一般只考慮前兩種，把鋼板與軋輥的熱傳導計入輻射系數(shù)中，鋼板相變熱計入熱物性參數(shù)里，其它因

7、素則通過自學習來修正。根據(jù)中厚板尺寸特點，長度遠大于寬度和厚度，于是可以忽略長度方向熱傳導。為了避免鋼板因為上下表面冷卻不均而發(fā)生瓢曲，上下噴水的水比為1:1-1:3的范圍內(nèi)，使得上下冷卻效果相同。在寬度方向，管層流的流量是均勻的，兩個邊部與空氣的換熱也是同步的， 這樣，鋼板的溫度場對于鋼板截面中心點對稱。計算時，采用二維溫度場，可以只取1/4截面為研究對象，從而簡化了計算。二維導熱微分方程基本形式如式1:(1)式中：a =入/（ P Cp）, a為熱擴散率（m2 S-1）,入為導熱系數(shù)（W m-1 K-1）, p為密 度（kg m-3）, Cp 為比熱（J kg-1 K-1）, T 為溫度（

8、C ）, t 為時間（s）。根據(jù)產(chǎn)品的種類，選擇適當?shù)奈镄詤?shù)，能夠提高溫度計算精度。本文有限差分中，把相變熱計入物性參數(shù)中。根據(jù)文獻8選擇合適的物性參數(shù)。初始條件為如圖1所示P6點，在現(xiàn)場，此處的測溫計受干擾小，而且鋼板在此外表面 和芯部溫差不大。假設初始條件為溫度均勻分布。邊界條件主要由熱交換系統(tǒng)來確定。根據(jù)Stefan-Bolzmann定律9和牛頓冷卻定律10，空冷換熱系數(shù)的模型為:n 嚴心GFaM)4Ts-Ta式中：hr為空冷換熱系數(shù)(W -m-2-K-1),為綜合熱輻射系數(shù)，b為波爾茲曼常數(shù)5.67e-8 (W - m-2 - K-4), Ts和Ta分別是鋼板和空氣溫度(C )。參考

9、文獻11，中厚板層流冷卻中的水流換熱系數(shù)為：.C b1 Jd2Thw =b0 ”Qe式中，hw為水冷換熱系數(shù)(w -m-2-K-1), Q為水流量(m3 -h-1), t為溫度(C ),b0,b1,b2為模型系數(shù)。4計算結(jié)果與實測結(jié)果分析比較本文對現(xiàn)場實測的幾組典型工藝進行了模擬，如表1所示:表1控制冷卻工藝制度工上集管 水量(m3/h)鋼板速 度(m實際返紅溫度(C)預報返紅溫度(C)預報偏差(C)-藝厚度(mm)開冷溫度(C)集管開啟120910451.52209302721.532592740184301021

10、128.25301000210.1上表可知，此模型預報偏差在測溫計測量偏差范圍內(nèi)，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合, 能滿足實際生產(chǎn)需要。對于工藝4,其冷卻溫度曲線和水冷溫降速度曲傳統(tǒng)的水量開啟方式為水量均勻分布，線分別如圖2和圖3所示：圖2 常規(guī)冷卻溫度曲線圖1401120 10G8th604020-2a-0 G 101520 2G 30 藥 4043 弭時間Cs)圖3常規(guī)冷卻速度曲線圖從圖3和圖4中可以看出，在水冷區(qū)（冷卻時間在2.9S-26.9S范圍），平均冷卻速度先是 陡降，而后冷卻速度逐漸變小。這是由于初期與冷卻水接觸，鋼板表面溫度會驟降

11、，冷卻速度較大，而之后表面與芯部有了較大溫差后，芯部會向表面?zhèn)鳠?，使得溫降速度變慢。另外由上圖可以看出鋼板在返紅區(qū)（冷卻時間在26.9s-49.4s范圍）有明顯的返紅現(xiàn)象。鋼板表面在 開始溫降時瞬時速度很大，以及在返紅時的最大溫升速度也很大，這會造成鋼板的內(nèi)應力分布不均。為此，對水量進行合理的優(yōu)化是很有必要的。5水量開啟優(yōu)化以工藝4作為例子，對水量開啟進行優(yōu)化。多次試驗中的典型方案如圖4所示:4 0 -91 II II III l集骨號- - -圖4水量優(yōu)化方案各種方案冷卻曲線圖如圖 5所示，各種方案冷卻效果對比如表2所示：方案一的水量采用緩慢增加的策略，此種方案平均冷卻速度下降幅度明顯變?。?/p>

12、見圖5-a）。但其在返紅初期表面點溫升較大（見表2）。方案二的水量采用了降低開始和結(jié)束處集管的水量，此種方案減緩了水冷初期的溫度突降，同時也降低了表面點在返紅區(qū)的最大返紅速度（見圖5-b）。但其最大同板溫差較原始方案增加了。方案三的水量采用開始和結(jié)束處集 管水量降低，中間的集管水量均勻增加的策略，此種方案集合了方案一和方案二的優(yōu)點（圖6）。方案三即是本文所提出的最佳水量優(yōu)化方案。如圖6所示。時間（酣圖6時間閻圖5各種方案冷卻速度曲線圖表2各種方案比較方案平均水量（m3/h）平均冷卻速度（C /S）最大同板 溫差（C）最大返紅 速度（C最終溫度（C ）芯部表面芯部表面原始6013.519.530

13、4.253.7706.6690.2-一-6013.721.3304.170.4705.9688.7-二6013.318.3314.241.6707.3691.1三6013.418.7298.143.4706.7690.3時間闔優(yōu)化前后冷卻速度曲線圖 1優(yōu)化前2優(yōu)化后由圖6和表2可知優(yōu)化后的工藝在冷卻初始階段，溫度驟降明顯減緩，冷卻時間的冷卻速度也趨于均勻，且最大冷卻速度顯著降低。同時可以看到，優(yōu)化后工藝在冷卻時同板溫差和返紅溫升時最大溫升速度也降低了。6結(jié)論（1）以傳熱學基本理論為基礎，建立了熱平衡方程，并采用有限差分的方法模擬了中厚板控制冷卻過程溫度場，通過與實際測量得到的板坯表面溫度進行對

14、比，計算的表面溫度與實測的表面溫度吻合良好。表明該方法可以用來計算中厚板控制冷卻過程中的溫度轉(zhuǎn)變。（2）中厚板在水冷區(qū)，開始表面溫度驟降，冷卻速度極大，之后冷卻速度逐漸變小。水 冷完成后有明顯返紅現(xiàn)象，且表面點返紅的溫升速度較大。（3）采用了幾種不同的方案進行仿真研究，對比研究表明：開啟集管的水量采用緩慢增加的策略，此種方案平均冷卻速度下降幅度明顯變小， 但其在返紅初期表面點溫升較大。 啟集管水量采用了降低開始和結(jié)束處集管的水量， 此種方案減緩了水冷初期的溫度突降, 時也降低了表面點在返紅區(qū)的最大返紅速度，但最大同板溫差增加了。有利(4) 對傳統(tǒng)控冷工藝進行優(yōu)化，提出了一種新的開啟水量的方式，

15、即水量開始和結(jié)束處 集管水量降低，中間的集管水量均勻增加的策略。 該方式能減少鋼板各點冷卻速度差， 于組織均勻化。參考文獻1【23王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻M.北京：冶金工業(yè)出版社，1995王笑波，王仲初，柴天佑.中厚板軋后控制冷卻技術的發(fā)展及現(xiàn)狀J.軋鋼，2000,17(3):44-47RODRIGUES P C M，P ERELOMA E V，SANTOS D B. Mechanical prop erities of an HSLA bainitic steelsubjected to controlled rolling with accelerated cooli

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