中厚板控冷工艺仿真与分析

中厚板控冷工艺仿真与分析[1].txt36母爱是一缕阳光，让你的心灵即便在寒冷的冬天也能感受到温暖如春；母爱是一泓清泉，让你的情感即使蒙上岁月的风尘仍然清澈澄净。ToaN．8冶金设备总第12期tlo128August2010METALLURGICALEQUIPMENT2010年8月第4期..·技术分析..·中厚板控冷工艺仿真与分析王志军..①赵刚叶传龙刘校平程蓬..(1：武汉科技大学材料与冶金学院湖北武汉430081；..2：中冶南方(武汉)威仕软件有限公司湖北武汉430225)摘要通过有限差分法对中厚板轧后控制冷却温度场进行模拟，得到钢板在整个控冷阶段的瞬态温度分布和温降速度分布，为均匀化冷却速度，制定合理控冷工艺提供实践指导。关键词中厚板控制冷却温度预报冷却速度有限差分中图分类号..TG335文献标识码..ASimulationandAnalysisofAcceleratedControllledCoolingofPlateWangZhijunZhaoGangYeChuanlongLiuXiaopingChengPeng(1：olllgfMtraSineadMtlllrianirn，hnUiestfSineCeeoaeilcecneaugclEgneeeigWuanvriyocecanehooyWua3012：..hnWIDRotaeC．LdWua325)dTcnlg，..hn408；WuaSISfwro，t，..hn402ABSTRACTntsppriniedfffrnemehdidatdtiaeaccclrtdotollldlnoIhiae，ftieectosapeosmulteeaecnrecoooigfplate，andthetransienttemperaturedistributionandcoolingspeedofplateafterrolllingisobtained．Itcanbeagoodgudncohehogniainoeeaurrpseadtkesnbecnreolngpoesiaefrtmoeztoftmprtedopednomaeraoalotollldcoircs．..KEYWORDSPlateACCTemperaturepredictionCoolingspeedFinitediffferencemethod1引言2轧后控冷工艺及设备利用中厚板轧制后的余热，进行合理的控制某中厚板厂控冷线的布置如图1所示。..冷却工艺(AccclrtdCnreoln，A，V9mll72a3V4eeaeotollldCoigCC)m8H0iHlVlHI通过控制相变和碳化物析出，能保证其它基本性5P4OP58P6OP8lTG一能的条件下提高强度，减少碳当量，提高钢材综8合性能。同时也能省去轧后热处理工序，大大降图1控冷线主要设备及检测仪表布置低生产成本¨。H一热金属探测器；P一高温计；rG一测厚仪中厚板控冷过程温度计算是一个复杂的过该厂的控制冷却设备采用u形管层流冷却程，温度变化会导致组织转变，而不同的冷却速形式，其中上集管15组，下集管3O组，(一组上度会得到不同的组织结构，同时相变会产生相变集管对应两组下集管)，上下各有15个控制阀。热，又会引起温度变化。实际控冷过程中钢上部集管间距1．6m，水冷区共长24m。每组上集板的各点冷却速度并不是相同的，为此钢板中会管最大水流量为120m／h，每组下集管最大水流产生内应力，对钢板性能造成不利的影响。本文量为330m／h，瞬时最大水量为7000m／h。钢板通过仿真分析，提出了一种优化传统开启水量模通过水冷区的速度为0．2—2．5m／s，上下水比分型的方案。配为1：1—1：3。冷却速度在5—25cC／s之间(视..①作者简介：王志军，男，1985年出生，武汉科技大学在读硕士研究生，研究方向：控轧控冷工艺研究及计算机模拟一2O一王志军等：中厚板控冷工艺仿真与分析..板厚而定)。控制冷却的任务是对开始与终止冷却温度、冷却速度、冷却模式等冷却参数的控制与优化，从而对钢的相变过程进行控制，达到最终需要的组织和性能的目的6]。钢板冷却速度决定了钢板所得到的组织，钢板中各点的冷却速度不同，不仅会导致钢板各点的组织性能不均匀，还可能导致潜在的板形不良。本文通过现场实测与仿真研究相结合的方法优化集管水量开启方式，来优化钢板各点的冷却速度，为现场提供理论指导。3控制冷却温度模型的建立中厚板控制冷却过程中，钢板主要冷却方式有钢板与冷却水的传热、钢板的热辐射、钢板与轧辊问热传导，钢板相变热等。在计算中，一般只考虑前两种，把钢板与轧辊的热传导计入辐射系数中，钢板相变热计入热物性参数里，其它因素则通过自学习来修正。根据中厚板尺寸特点，长度远大于宽度和厚度，于是可以忽略长度方向热传导。为了避免钢板因为上下表面冷却不均而发生瓢曲，上下喷水的水比为1：1—1：3的范围内，使得上下冷却效果相同。在宽度方向，管层流的流量是均匀的，两个边部与空气的换热也是同步的，这样，钢板的温度场对于钢板截面中心点对称。计算时，采用二维温度场，可以只取..1／4截面为研究对象，从而简化了计算。二维导热微分方程基本形式如式(1)：：磐磐aaa1(((+++)))((()))式中..a=A／(p·cp)—..—n·热扩散率(I2s)；..A—..—导热系数(w·m～..·K)；..2010年8月第4期p——密度(kg·m)；C。——比热(J·kg一·KI1)；卜温度(℃)；￡—..—时间(s)。根据产品的种类，选择适当的物性参数，能够提高温度计算精度。本文有限差分中，把相变热计人物性参数中。根据文献[8]选择合适的物性参数。..‘初始条件为如图1所示..P6点，在现场，此处的测温计受干扰小，而且钢板在此外表面和芯部温差不大。假设初始条件为温度均匀分布。边界条件主要由热交换系统来确定。根据Stefan．Bolzmann定律_9和牛顿冷却定律，空冷换热系数的模型为：..凡，=———————..—..——————一(2)』s一』0式中——空冷换热系数(w·m～..·K)；..——综合热辐射系数；..——波尔兹曼常数..5．67e(W·m～..·..K)；..——钢板温度(c=；I)——空气温度(c=。I)参考文献[111]，中厚板层流冷却中的水流换热系数为：..h=b0·Q·e(3)式中——水冷换热系数(W·m～..·K)；..Q—..—水流量(m·h)；温度(℃)；..bo，b。，b2——模型系数。4计算结果与实测结果分析}匕较本文对现场实测的几组典型工艺进行了模拟，如表..1所示。表1控制冷却工艺制度表1可知，此模型预报偏差在测温计测量偏传统的水量开启方式为水量均匀分布，对于差范围内，计算结果与现场实测数据吻合，能满工艺4，其冷却温度曲线和水冷温降速度曲线分足实际生产需要。别如图2和图3所示。一2l一总第..182期冶金设备..2010年8月第4期多次试验中的典型方案如图..4所示。。、帚各种方案冷却曲线图如图..5所示，各种方案一一一OO0=兮..∞..OO∞OOOO∞；2砌..OOO∞冷却效果对比如表..2所示。∞加..∞舳..∞柏加..O加..∞∞赠..05lO1520253035404550时间，..s图2常规冷却温度曲线图..051O；..●吕．越Ⅲ，帚露..倒如加mOm罱..05l0l52O2530354O455O如巧加..Oml520253035404550时间，..sa)时间／..s图3常规冷却速度曲线图从图3和图4中可以看出，在水冷区(冷却时间在2．9s～26．9s范围)，平均冷却速度先是陡降，而后冷却速度逐渐变小。这是由于初期与冷却水接触，钢板表面温度会骤降，冷却速度较大，而之后表面与芯部有了较大温差后，芯部会向表面传热，使得温降速度变慢。另外由上图可以看出钢板在返红区(冷却时间在26．9s～49．4s范围)有明显的返红现象。钢板表面在开始温降时瞬时速度很大，以及在返红时的最大温升速度也很大，这会造成钢板的内应力分布不均。为此，对水量进行合理的优化是很有必要的。..7O605040O12345678910l112l31415集管号图4水量优化方案5水量开启优化以工艺..4作为例子，对水量开启进行优化。一22一0510l52025303540455O时间，..sb)图5各种方案冷却速度曲线图方案一的水量采用缓慢增加的策略，此种方案平均冷却速度下降幅度明显变小(见图5a))。但其在返红初期表面点温升较大(见表..2)。方案二的水量采用了降低开始和结束处集管的水量，此种方案减缓了水冷初期的温度突降，同时也降低了表面点在返红区的最大返红速度(见图..5b))。但其最大同板温差较原始方案增加了。方案三的水量采用开始和结束处集管水量降低，中间的集管水量均匀增加的策略，此种方案集合了方案一和方案二的优点(图6)。方案三即是本文所提出的最佳水量优化方案。如图6所示。由图6和表2可知优化后的工艺在冷却初始阶段，温度骤降明显减缓，冷却时间的冷却速度也趋于均匀，且最大冷却速度显著降低。同时可以看到，优化后工艺在冷却时同板温差和返红温升时最大温升速度也降低了。6结论..1)以传热学基本理论为基础，建立了热平衡方程，并采用有限差分的方法模拟了中厚板控制王志军等：中厚板控冷工艺仿真与分析..2010年8月第4期冷却过程温度场，通过与实际测量得到的板坯表温度吻合良好。表明该方法可以用来计算中厚Ⅲ雠馏霜聒面温度进行对比，计算的表面温度与实测的表(，)面板控制冷却过程中的温度转变。4208642O表2各种方案比较..353Os．帮瓮旧..251l1^‘∞加∞踮∞∞加O加∞∞..2O鑫1510篓s斗0-5—..100510152025303540455O0510l52O253035404550051O1520253035404550时间，B时间，8时间，s图6优化前后冷却速度曲线图..l一优化前；2一优化后..2)中厚板在水冷区，开始表面温度骤降，冷却速度极大，之后冷却速度逐渐变小。水冷完成后有明显返红现象，且表面点返红的温升速度较大。..3)采用了几种不同的方案进行仿真研究，对比研究表明：开启集管的水量采用缓慢增加的策略，此种方案平均冷却速度下降幅度明显变小，但其在返红初期表面点温升较大。开启集管水量采用了降低开始和结束处集管的水量，此种方案减缓了水冷初期的温度突降，同时也降低了表面点在返红区的最大返红速度，但最大同板温差增加了。..4)对传统控冷工艺进行优化，提出了一种新的开启水量的方式，即水量开始和结束处集管水量降低，中间的集管水量均匀增加的策略。该方式能减少钢板各点冷却速度差，有利于组织均匀化。参考文献..[I]王有铭，李曼云，韦光．钢材的控制轧制和控制冷却..[M]．北京：冶金工业出版社，19995[2]王笑波，王仲初，柴天佑．中厚板轧后控制冷却技术的发展及现状[J]．轧钢，20000，Vo1．17(3)：444～47[3]RODRIGUESPCM，PERELOMAEV，SANTOSDB．..MechanicalproperitiesofanHSLAbainiticsteelsubjecocnrHdwiigwteeaelntedtotoelnihaccclrtdcoooig[J]．..Matrasine＆egneeeig20000，o．8(—eiccinV21lsenr，132)：..136—143[4]aaaaY，rmcmeJK，abhEB，tIMahNgskBiaobHwoea．..t·..emaiamoefpsrnfrtosalsolsitcldlohaetasomainndeatpatcstesssihaepaunhnfseeeasJ]rntewtrsryqecigotlbr[．..MetlllriaadMaeilsTrnatosA13，..12augclntraascin，99Vo．4(4)：795～808[5]王峰丽，林斌，李谋渭．预测中厚板控冷过程组织转变的数学模型[J]．钢铁研究学报，20005，V