厚鋼板層流冷卻過程中斷面溫度場(chǎng)有限元分析

1、2007年第4期鞍鋼技術(shù)346期總第ANGANGTECHNOLOGY研究與開發(fā)厚鋼板層流冷卻過程中斷面溫度場(chǎng)有限元分析郭曉波鐘莉莉單曉偉(鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心)摘要采用有限元法對(duì)厚鋼板層流冷卻過程中的斷面溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,在連續(xù)冷卻和間斷冷卻兩種不同冷卻方式下,找出了厚鋼板在寬度方向和厚度方向的溫度分布規(guī)律。與連續(xù)冷卻相比,采取間斷冷卻時(shí),鋼板的芯部與表面的溫差較小,有利于提高鋼板z向組織的均勻性。關(guān)鍵詞厚鋼板層流冷卻溫度場(chǎng)有限元法中圖分類號(hào):TG335文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-4613(-03AnalysisofSteelPlateFiniteElementMethodGuoXi

2、aoboZhongLiliShanXiaowei(TechnologyCenterofAngangSteelCo.,Ltd.)AbstractThesectiontemperaturefieldofheavysteelplateduringlaminarcoolingiscalculatedbyfiniteelementmethodandtemperaturedistributionregulationsinplatewidthandthicknessdirec2tionsarepresentedundercontinuouscoolingandintermittentcoolingpatte

3、rns.Comparedwithcontin2uouscooling,intermittentcoolingcanmakeasmallertemperaturedifferencebetweenplatecenterandplatesurface,whichisbenefittoimprovestructureevenessinzdirection.KeyWordsheavysteelplatelaminarcoolingtemperaturefieldfiniteelementmethod1前言中厚板軋后高密度管層流冷卻裝置的冷卻速度一般為340/s,冷卻鋼板的厚度為850mm,主要用于低碳

4、鋼、造船板、鍋爐板、容器板、橋梁板、管線鋼、工程機(jī)械用高強(qiáng)度鋼板等的軋后控制冷卻。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)較厚鋼板(>25mm)冷卻時(shí),由于鋼板表面溫度的下降速度比芯部快很多,如果冷卻不當(dāng),會(huì)造成鋼板橫斷面溫差過大。鋼板寬度方向溫差較大會(huì)導(dǎo)致冷卻之后鋼板殘余應(yīng)力過大,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生邊裂;鋼板厚度方向溫度梯度過大會(huì)使鋼板z向組織性能不均,降低鋼郭曉波,高級(jí)工程師,1982年畢業(yè)于東北工學(xué)院軋鋼專業(yè),現(xiàn)于鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心產(chǎn)品研究所從事軋鋼工藝的研究工作(114009)。板的韌性1。因此,本文嘗試采用有限元法,對(duì)厚鋼板在層流冷卻過程中斷面溫度場(chǎng)的分布情況進(jìn)行計(jì)算解析,以便找出鋼板寬度方向和厚度方向的

5、溫度分布規(guī)律,為制定厚鋼板的相關(guān)冷卻制度提供依據(jù)。2基本方程如果不考慮鋼板長(zhǎng)度方向的溫度波動(dòng)以及鋼板的相變潛熱,可將鋼板軋后層流冷卻過程簡(jiǎn)化為無內(nèi)熱源的二維傳熱過程。如果作為平面問題處理,該過程符合下列固體導(dǎo)熱微分方程:22229T/9t=k/(Cp)(9T/9x+9T/9y)式中T鋼板的瞬態(tài)溫度,;t冷卻時(shí)間,s;(1)122007年第4期ANGANG鞍鋼技術(shù)總第TECHNOLOGY346期k鋼板的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m);3鋼板的密度,kg/m;Cp鋼板的定壓比熱,J/(kg)。將鋼板初始斷面溫度設(shè)定為均勻的,且鋼板與冷卻水的換熱系數(shù)、冷卻水的溫度為已知,這樣,整個(gè)鋼板冷卻過程可看成符合第三類

6、邊界條件,初始條件和邊界條件為:(2)T(x,y,t=0)=T0(在斷面S內(nèi))(3)-k(9T/9xlx+9T/9yly)=(T-Tf)式中S鋼板的橫斷面;T0鋼板的均勻初始溫度,;Tf冷卻水的溫度,;鋼板與冷卻水之間邊界面的換熱系數(shù),W/(m);lx、ly邊界外法向的方向余弦。對(duì)應(yīng)于式1的泛函為:JT(x,y,t)=k(9T21/2T-TfT)dS9y)+Cp9T/y(4)維斷面尺寸為30mm×1800mm,在單元?jiǎng)澐稚喜捎昧巳?jié)點(diǎn)等參單元,共劃分了192個(gè)單元,117個(gè)節(jié)點(diǎn)。通常情況下,鋼板軋后冷卻方式很多。本文選取了兩種不同冷卻方式進(jìn)行計(jì)算,分別為連續(xù)冷卻和間斷冷卻。連續(xù)冷卻是

7、指鋼板在冷卻過程中,層流冷卻集管按組集中開啟,使鋼板的瞬態(tài)溫度與時(shí)間成線性關(guān)系;而間斷冷卻是將冷卻集管按組進(jìn)行開、閉控制,使鋼板冷卻數(shù)秒鐘之后,停冷一定時(shí)間,然后再冷卻,再停冷,以此類推,反復(fù)進(jìn)行。計(jì)算過程中,兩種冷卻方式的開冷溫度(初始溫度)都設(shè)定為冷卻水溫度設(shè)定為,26m,模擬計(jì)20s的斷面溫度場(chǎng),結(jié)。用有限元法將區(qū)域S劃分為許多單元,在每一個(gè)單元上建立單元泛函。由于溫度場(chǎng)已經(jīng)離散到全部節(jié)點(diǎn)上,泛函實(shí)際上成為一個(gè)描寫未知節(jié)點(diǎn)溫度的多元函數(shù),因此,泛函的變分問題就轉(zhuǎn)化成為多元函數(shù)的求極值問題。利用數(shù)學(xué)極值理論求極小值,并將各個(gè)單元合成之后,得到如下方程:(5)KTt+N9T/9tt=pt式中

8、K溫度剛度矩陣;N變溫矩陣。應(yīng)用向后差分,可得到:t(6)9T/9tt=(Tt-Tt-t)/將式6代入式5得到:(K+1/tN)Tt=1/tNTt-t+pt(7)式中Tt-t已知的初始溫度場(chǎng)。由此求出t時(shí)刻的溫度場(chǎng),再把t+t代替式7中的t,就可以求解出t+t時(shí)刻的溫度場(chǎng)。圖1連續(xù)冷卻第20s時(shí)鋼板斷面溫度分布圖2間斷冷卻第20s時(shí)鋼板斷面溫度分布4分析與討論由圖1、2可以看出,兩種冷卻結(jié)束后,鋼板的芯部與表面之間都存在溫差。當(dāng)冷卻到第20s時(shí),連續(xù)冷卻方式下芯部與表面的溫差為151,這一溫度梯度足以引起鋼板z向組織性能不均勻。而芯部與角部溫差高達(dá)204,這是由于鋼板角部對(duì)水冷的敏感性強(qiáng),使角

9、部傳熱速度過快133計(jì)算過程按照上述基本方程,本文編制了層流冷卻過程中,鋼板二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算程序。計(jì)算中假設(shè)鋼板溫度分布為x、y軸對(duì)稱,并取鋼板的二鞍鋼技術(shù)2007年第4期郭曉波鐘莉莉單曉偉:厚鋼板層流冷卻過程中斷面溫度場(chǎng)有限元分析總第346期所至。在間斷冷卻方式下,由于鋼板在急冷之后有一個(gè)溫度回復(fù)過程,使鋼板芯部與表面的溫差比連續(xù)冷卻時(shí)小。當(dāng)冷卻到第20s時(shí),芯部與表面的溫差為102,這在一定程度上可改善鋼板z向組織的均勻性。由于本文計(jì)算中所選鋼板尺寸較寬,其邊部影響區(qū)相對(duì)較小,因此,兩種冷卻方式下,溫度沿板寬方向分布較均勻。但是,從圖1、2中也可看出,在板寬1/81/10處有一個(gè)溫度突

10、變區(qū),超出這個(gè)區(qū)之后,鋼板的溫度開始急劇下降,鋼板邊部溫度最低。為了保證鋼板寬度方向溫度分布的均勻性,生產(chǎn)中應(yīng)在板寬溫度突變區(qū)附近設(shè)置遮蔽機(jī)構(gòu),盡量減小邊部冷卻水的密度,控制鋼板寬度溫度差,以消除鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力,避免鋼板在后續(xù)加工過程中產(chǎn)生彎曲。圖3、4時(shí)間的關(guān)系。從圖3、4間的推移,于緩和,。圖4鋼板厚度方向溫差與時(shí)間的關(guān)系1連續(xù)冷卻;2間斷冷卻5結(jié)論(1)用有限元法編制了厚鋼板軋后冷卻過程該程序可模擬不同,采用間斷冷卻方,有利于提高鋼板z向組織性能的均勻性。(3)鋼板寬度方向存在溫度突變區(qū),生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鋼板的不同寬度來設(shè)置相應(yīng)的遮蔽位置。參考文獻(xiàn)1劉峰.軋后冷卻制度對(duì)鋼板厚度方向組織的影

11、響.鋼鐵,1990,6(編輯許平靜)圖3鋼板寬度方向溫差與時(shí)間的關(guān)系1連續(xù)冷卻;2間斷冷卻收稿日期:2007-02-25寶鋼研發(fā)的高鉻鋼套管成功用于3800多米深氣井日前,寶鋼研制開發(fā)的耐二氧化碳腐蝕的B13Cr110高鉻鋼套管成功應(yīng)用于中石化東北新區(qū)3800多米深氣井,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到用戶要求。這一具有寶鋼自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品成功填補(bǔ)了國內(nèi)空白,大大提升了寶鋼在鋼管市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著大慶深氣田的開發(fā),國內(nèi)用戶對(duì)高鉻鋼鋼管需求量猛增,并對(duì)其性能提出了更高要求。目前市場(chǎng)上提供的L80-13Cr套管只能在3000m左右深氣井使用,而開采4000m深氣井對(duì)套管的抗腐蝕性、強(qiáng)度和韌性有