槽鋼控制冷卻過(guò)程的數(shù)值模擬分析

全震，于曉光

（1.遼寧科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧鞍山114051；2.遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧鞍山114051）

槽鋼控制冷卻過(guò)程的數(shù)值模擬分析

全震1，于曉光2

（1.遼寧科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧鞍山114051；2.遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧鞍山114051）

為了制定更為合理的控冷工藝，本文以熱軋Q235槽鋼為研究對(duì)象，使用有限元軟件對(duì)槽鋼軋后控制冷卻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別得到槽鋼在三種不同冷卻強(qiáng)度下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其相應(yīng)的時(shí)間歷程曲線分布。對(duì)比分析表明，空冷5 s、水冷6 s、回火7 s的B方案最好，合理的控冷參數(shù)能有效提高槽鋼的綜合力學(xué)性能。

槽鋼；控制冷卻；數(shù)值模擬；有限元分析

槽鋼是現(xiàn)代鋼材產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的產(chǎn)品，其截面形狀較為復(fù)雜，軋制冷卻后，內(nèi)部存在有熱應(yīng)力及相變應(yīng)力，造成了其綜合性能無(wú)法達(dá)到要求。已有的研究表明，控軋控冷技術(shù)是改善槽鋼綜合力學(xué)性能的有效手段［1］。控制冷卻技術(shù)推進(jìn)了現(xiàn)代鋼鐵業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)60年代第一套層流冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于英國(guó)布林斯奧思432 mm窄帶鋼熱軋機(jī)上，標(biāo)志著傳統(tǒng)控制冷卻技術(shù)的興起。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，到20世紀(jì)80年代，快速冷卻技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)了現(xiàn)代控冷技術(shù)的發(fā)展成果。1980年，日本NKK福山制鐵所首次將快速在線冷卻技術(shù)應(yīng)用于厚板生產(chǎn)線上。20世紀(jì)90年代中期，隨著世界各國(guó)相繼開始對(duì)超級(jí)鋼的研究，超快速冷卻技術(shù)開始應(yīng)用，如比利時(shí)CRM鋼鐵廠就在其軋制線上配置了超快速冷卻裝置［2］。21世紀(jì)初，王國(guó)棟提出了以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術(shù)，即NG-TMCP技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了減量化、再循環(huán)、再利用、再制造［3］。

近年來(lái)，對(duì)于型鋼控制冷卻過(guò)程的研究大多是以單一控冷參數(shù)下進(jìn)行，而不同控制冷卻參數(shù)對(duì)槽鋼性能的影響還未見(jiàn)諸文獻(xiàn)。因此，本文以此為切入點(diǎn)，選擇多種控制冷卻參數(shù)，多角度地進(jìn)行模擬分析，以期制定更為合理的控冷工藝。

1 控冷方案

1.1 建模

以20號(hào)Q235槽鋼為模擬對(duì)象，尺寸為200 mm×75 mm×9 mm。選取建模長(zhǎng)度為200 mm。采用SOLID5熱—應(yīng)力耦合單元?jiǎng)澐志W(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 三維模型網(wǎng)絡(luò)劃分圖Fig.13 D mesh of model

1.2 冷卻方案

槽鋼在空冷及回火階段，與空氣發(fā)生熱傳遞，參考有關(guān)文獻(xiàn)［4］，空氣對(duì)流換熱系數(shù)為

式中：TW為鋼材溫度，K；TC為環(huán)境溫度，K；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·℃。

在水冷階段，考慮外在因素［5］并參考文獻(xiàn)［6］，得出對(duì)流換熱系數(shù)為

式中：TS為鋼材表面溫度，℃；W為水流密度，L/m2·s；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·℃。

在數(shù)值模擬中，采用循環(huán)加載的方式對(duì)不同區(qū)域施加不同的對(duì)流換熱系數(shù)。水冷階段，采用分區(qū)式施加不同的水流密度，詳見(jiàn)圖2。本文共設(shè)定了三種冷卻方案，如表1所示。根據(jù)槽鋼生產(chǎn)中的實(shí)際情況，將模型所用的環(huán)境溫度設(shè)定為25℃，槽鋼軋后溫度為900℃。

圖2 控制冷卻分區(qū)模型Fig.2 Controlled cooling partition mode

表1 冷卻方案Tab.1 Cooling schemes

2 模擬結(jié)果與分析

如圖3所示為A方案的溫度場(chǎng)分布圖。槽鋼冷卻后的整體溫度分布均勻，腰腿連接部?jī)?nèi)側(cè)的溫度為689℃，是最高溫度。為了達(dá)到溫度均勻的效果，在腰腿連接處施加較大水流密度，而腰腿連接處外側(cè)拐角位置的截面和厚度較小、冷卻速度較快，所以最低溫度發(fā)生在此處，為642℃。進(jìn)入回火階段，截面的溫度隨中心熱量的傳遞而回升，內(nèi)部溫度分布趨于均勻，溫差為47℃?；鼗鸷鬁囟然究刂圃?40～700℃的合理范圍內(nèi)。

如圖4所示為槽鋼表面各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線?？绽? s后，由于空冷的冷卻速度較慢，槽鋼各部分的溫度變化幾乎一樣，均緩慢下降；水冷6 s后，由于不同位置采用了不同的水流密度，各節(jié)點(diǎn)的冷卻速度不同，溫度變化也就不同。經(jīng)歷回火7 s階段后，各點(diǎn)溫度逐漸趨于平穩(wěn)，且各部分的之間存在小幅的溫度差。

圖5為A方案的等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。最大的應(yīng)力發(fā)生在腰腿連接處外側(cè)拐角。最小應(yīng)力主要分布在兩個(gè)腳部角端。最小應(yīng)力為0.15 MPa，最大應(yīng)力為74.3 MPa，應(yīng)力分布均勻且小于Q235槽鋼的屈服極限，分析結(jié)果滿足要求。

圖3 A方案的溫度場(chǎng)分布圖，℃Fig.3 Temperature contours of Aschem，℃

圖4 A方案的溫度場(chǎng)時(shí)間歷程曲線Fig.4 Time course curve of temperature field

圖5 A方案等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，MPaFig.5 Equivalent stress contours of Aschem,MPa

圖6所示為B方案槽鋼控制冷卻結(jié)束后的溫度場(chǎng)分布圖。與A方案類似，冷卻結(jié)束后，整體溫度分布均勻，最高溫度發(fā)生在腰腿連接處內(nèi)側(cè)，為697℃。最低溫度發(fā)生在腰腿連接處外側(cè)拐角，為653℃，溫差為44℃。冷卻18 s后槽鋼的整體的溫度趨于均勻?；鼗鹬鬁囟瓤刂圃?40～700℃的合理范圍內(nèi)。

圖6 B方案的溫度場(chǎng)分布圖，℃Fig.6 Temperature contours of B schem，℃

圖7為B方案槽鋼表面?zhèn)€節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線。節(jié)點(diǎn)的選取與A方案相同，由于腰腿連接處內(nèi)側(cè)的水流密度變小，該節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線比A方案的變化幅度較小。各部分的最終溫度較A方案的溫度有小幅的升高。

圖7 B方案的溫度場(chǎng)時(shí)間歷程曲線Fig.7 Time course curve of temperature field

圖8為B方案的等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。最大的應(yīng)力發(fā)生在腰腿連接處外側(cè)拐角。最小應(yīng)力主要分布在兩個(gè)腳部角端。最小應(yīng)力為0.48 MPa，最大應(yīng)力為71.9 MPa，各部分應(yīng)力均小于Q235槽鋼的屈服極限，分析結(jié)果滿足要求。

圖8 B方案等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，MPaFig.8 Equivalent stress contours of B schem，MPa

如圖9所示的C方案的槽鋼溫度場(chǎng)分布圖。該方案中水冷時(shí)間增加到7 s，由于水冷時(shí)間加大，冷卻速度加快，導(dǎo)致槽鋼的冷卻效果明顯。最高溫度仍然在腰腿連接部?jī)?nèi)側(cè)稍微靠近腿部的位置，為587℃，最低溫度仍為腰腿連接處外部拐角處，為540℃。因?yàn)槎叨汲隽薗235型鋼力學(xué)性能較好的640～700℃溫度范圍，所以不符合實(shí)際要求。

圖9 C方案的溫度場(chǎng)分布圖，℃Fig.9 Temperature contours of C schem,℃

圖10為槽鋼表面各節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線圖。與方案A、B溫度變化趨勢(shì)基本一致。圖11為C方案的等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)腰腿連接處外部拐角。最小應(yīng)力主要分布在槽鋼的兩個(gè)腳部角端。最大應(yīng)力為75.2 MPa，最小應(yīng)力為0.05 MPa。

圖10 C方案的溫度場(chǎng)時(shí)間歷程曲線Fig.10 Time course curve of temperature field

圖11 C方案等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，MPaFig.11 Equivalent stress contours of C schem，MPa

3 三種方案的比較分析

圖12為冷卻終了三種方案的溫度對(duì)比圖。C方案的冷卻效果最好，但其冷卻后的溫度不在Q235型鋼較理想綜合力學(xué)性能的溫度范圍640℃～700℃之內(nèi)，所以C方案不符合要求。A、B方案的溫度基本滿足要求，A方案的冷卻效果更好一些，但A方案的最大溫差為47℃，高于B方案的最大溫差44℃，且B方案的平均水流密度也小于A方案，耗水量較小。根據(jù)圖13所示的三種方案間的最大等效應(yīng)力對(duì)比圖可知，B方案的最大應(yīng)力均小于A、C方案，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度值，應(yīng)力分布也比較均勻，綜合以上兩種的分析比較，認(rèn)為B方案為比較合理的方案。

圖12 三種方案的溫度比較圖Fig.12 Temperature comparison diagram

圖13 三種方案的應(yīng)力比較圖Fig.13 Stress comparison diagram

4 結(jié)論

本文設(shè)置了三種控制冷卻方案，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)三種方案下的熱軋槽鋼控制冷卻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其相應(yīng)的時(shí)間歷程曲線圖。通過(guò)對(duì)比分析，得出三種方案中的B方案比較合理，說(shuō)明了控制冷卻過(guò)程中，水冷時(shí)間應(yīng)控制在6 s、回火時(shí)間控制在7 s較好，槽鋼不同部位施加不同的水流密度進(jìn)行冷卻，各節(jié)點(diǎn)的水流密度為Wa=1.1，Wb=2.8，Wc=3.8，Wd=4.8，We=5，Wf=Wg=Wb=2.8，控冷后的槽鋼的力學(xué)性能較優(yōu)。

［1］徐旭東，王秉新，劉相華，等.H型鋼控制冷卻的有限元模擬［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2005，17（2）：30-33.

［2］袁國(guó)，王昭東，王國(guó)棟，等.控制冷卻在板帶材開發(fā)生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2006，18（1）：1-5.

［3］王國(guó)棟.以超快速冷卻為核心的新一代TMCP技術(shù)［J］.上海金屬，2008，30（2）：1-5.

［4］高守義，高穎.淬火冷卻過(guò)程中的瞬態(tài)溫度分布及組織分布的數(shù)學(xué)模擬［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，29（2）：183-190.

［5］NAGASAKA Y，BRIMACOMBE J K，HAWBOLT E B.Mathematical model of phase transformations and elastoplastic stress in the water spray quenching of steel bars［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1993，24（4）：795-808.

Numerical simulation of control cooling process of channel steel

QUAN Zhen1，YU Xiaoguang2
（1.Engineering Training Center，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.School of Mechanical Engineering and Automation，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

In order to determine the optimum cotrolled cooling processes，the transient temperature field，stress field and its corresponding time history curve of Q235 channel steel under three different cooling was studied by using the finite element software.The process parameters of air cooling 5 s，water-cooled 6 s，temper 7 s was the optimum process in this study.

channel steel；controlled cooling；numerical simulation；finite element analysis

December 20，2016）

TG156

A

1674-1048（2017）02-0102-05

10.13988/j.ustl.2017.02.005

2016-12-20。

全震（1988—），男，遼寧鞍山人。