王曉晨 羅志俊 徐士新
(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院,北京 100043; 2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100043 )
線材高速軋后的風(fēng)冷是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段之一,它對(duì)線材的內(nèi)部組織、力學(xué)性能以及通條性能有重要的影響。在斯太爾摩風(fēng)冷線上,風(fēng)冷效果受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)線布置的影響,不同規(guī)格散卷的各個(gè)位置在每個(gè)控冷段的冷速都不同。散卷冷卻均勻性的前提是風(fēng)冷強(qiáng)度在橫向上合理分配,在縱向上均勻分布。目前,關(guān)于斯太爾摩風(fēng)冷線風(fēng)冷模型的研究報(bào)道較多[1- 7],但這些模型僅關(guān)注搭接點(diǎn)溫度,對(duì)同圈溫度和整體冷卻的調(diào)控尚為空白,且還忽略了風(fēng)機(jī)、出風(fēng)口、風(fēng)道的布置和結(jié)構(gòu)等對(duì)風(fēng)冷的影響。風(fēng)場(chǎng)不均勻引起的斯太爾摩線控冷能力差的問(wèn)題仍有待解決。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的幾種斯太爾摩線,仿真模擬了風(fēng)速和流場(chǎng),按照專線專用的設(shè)計(jì)方向,針對(duì)產(chǎn)線特點(diǎn)優(yōu)化了風(fēng)道結(jié)構(gòu)、風(fēng)量和佳靈角度等,從而達(dá)到了優(yōu)化工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量等目的。
目前常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)布置形式主要有傾斜和豎直兩種,兩種布置方式各有特點(diǎn),需要匹配不同的出風(fēng)口結(jié)構(gòu),以達(dá)到最優(yōu)的風(fēng)冷效果。
傾斜和豎直布置的風(fēng)機(jī),其風(fēng)道和出風(fēng)的方向與盤(pán)條傳送輥道分別呈傾斜和垂直角度,如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)布置及傳送輥道出風(fēng)口Fig.1 Arrangement of fans and fan roller outlet
采用Fluent軟件,以兩臺(tái)連續(xù)風(fēng)機(jī)建模進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,單個(gè)風(fēng)機(jī)總風(fēng)量均設(shè)定為180 000 m3/h,流場(chǎng)內(nèi)介質(zhì)為空氣,分別計(jì)算兩種類型風(fēng)場(chǎng)分布情況,風(fēng)道內(nèi)中部縱截面的空氣流場(chǎng)如圖2所示,計(jì)算結(jié)果完全收斂,圖中流線為豎直截面上的風(fēng)向。由圖2可見(jiàn),兩種布置形式的風(fēng)機(jī)在相鄰風(fēng)機(jī)交界處的風(fēng)速均較小,但傾斜式風(fēng)機(jī)的風(fēng)速相對(duì)較均勻。垂直式風(fēng)機(jī)相鄰交界處的風(fēng)速更小,這是因?yàn)閮A斜式風(fēng)機(jī)容易驅(qū)動(dòng)空氣向輥道的后半部分集中。傾斜式風(fēng)機(jī)左起3個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速較小,約為10~16 m/s;第4個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速提高至22 m/s;第5~第14個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速為26~30 m/s;相鄰風(fēng)機(jī)交界處兩風(fēng)口之間的風(fēng)速為15~18 m/s。
圖2 風(fēng)道縱截面的流場(chǎng)Fig.2 Flow field of longitudinal section of duct
根據(jù)搭接點(diǎn)和中部的截面風(fēng)速數(shù)據(jù),模擬得出每個(gè)出風(fēng)口中央的風(fēng)速,如圖3所示。由于左右搭接點(diǎn)處截面的邊界條件一致,所以模擬結(jié)果完全相同。
調(diào)節(jié)傾斜式風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開(kāi)度到100%、80%和50%,然后在每個(gè)風(fēng)口對(duì)應(yīng)盤(pán)條的左、中、右3個(gè)位置測(cè)量風(fēng)速,結(jié)果如圖4所示。其中風(fēng)門與風(fēng)速成正相關(guān),但由于對(duì)風(fēng)速的控制精度不夠,所以開(kāi)度全部設(shè)定為100%。
調(diào)節(jié)豎直式風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開(kāi)度到100%、80%和50%,然后在每個(gè)風(fēng)口對(duì)應(yīng)盤(pán)條的左、中、右3個(gè)位置測(cè)量風(fēng)速,結(jié)果如圖5所示。
上述結(jié)果表明,實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合。對(duì)比不同布置形式的風(fēng)機(jī),其中豎直式風(fēng)機(jī)在縱向呈現(xiàn)出風(fēng)機(jī)中部風(fēng)量大、相鄰風(fēng)機(jī)交界處風(fēng)量小的特點(diǎn);而傾斜式風(fēng)機(jī)在縱向的風(fēng)場(chǎng)更均勻,從而達(dá)到均勻風(fēng)冷的效果。
將風(fēng)冷線每段輥道長(zhǎng)度縮短到3 m,風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量設(shè)定為154 000 m3/h,采用Fluent軟件對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,其他計(jì)算條件與上述過(guò)程相同,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
根據(jù)傳熱學(xué)原理[8]強(qiáng)迫對(duì)流換熱的計(jì)算方法,通過(guò)流體速度計(jì)算換熱系數(shù),結(jié)果如圖7所示。
通過(guò)對(duì)比前后冷速,計(jì)算并提取各風(fēng)機(jī)所對(duì)應(yīng)的冷速和溫降,如圖8所示。可以看出,當(dāng)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的輥道長(zhǎng)度較短時(shí),冷速更高,通過(guò)匹配輥道的傳送速度,可以得到更均勻的冷卻曲線。
圖3 出風(fēng)口風(fēng)速模擬結(jié)果Fig.3 Simulated outlet air- speed
圖4 傾斜式風(fēng)機(jī)輥道出風(fēng)口風(fēng)速Fig.4 Outlet air- speed of inclined fan roller
圖5 豎直式風(fēng)機(jī)輥道出風(fēng)口風(fēng)速Fig.5 Outlet air- speed of vertical fan roller
圖6 輥道長(zhǎng)度為3 m時(shí)的風(fēng)場(chǎng)云圖Fig.6 Nephogram of wind field for the roller 3 m long
圖7 風(fēng)機(jī)單個(gè)冷卻段內(nèi)的換熱系數(shù)Fig.7 Heat transfer coefficient of single cooling section of fans
圖8 兩種輥道的各段冷速和溫降曲線Fig.8 Cooling speed and temperature drop curves of each section of two rollers
當(dāng)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的輥道長(zhǎng)度為4.5 m時(shí),將單個(gè)風(fēng)機(jī)總風(fēng)量設(shè)定為240 000 m3/h,采用Fluent軟件對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,其他計(jì)算條件與上述過(guò)程相同,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。冷卻風(fēng)從各輥道出風(fēng)口流出,計(jì)算每個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速,如圖10所示,出風(fēng)口風(fēng)速最高可達(dá)80 m/s。
圖9 風(fēng)量為240 000 m3/h時(shí)的風(fēng)場(chǎng)Fig.9 Wind field for the blowing rate of 240 000 m3/h
圖10 風(fēng)量為240 000 m3/h時(shí)出風(fēng)口處的風(fēng)速Fig.10 Wind speed at the air outlet with the blowing rate of 240 000 m3/h
結(jié)合3 m風(fēng)機(jī)產(chǎn)線,將每段輥道長(zhǎng)度縮短到3 m,整個(gè)產(chǎn)線將增加4~6架風(fēng)機(jī),但冷速大幅提高,冷卻能力提高約54%,且輥道長(zhǎng)度的縮短可使工藝調(diào)整的自由度更大。將風(fēng)機(jī)的風(fēng)量增加至24 000 m3/h后,整個(gè)產(chǎn)線結(jié)構(gòu)不變化,冷卻能力可提高34%,從成本考慮,比3 m風(fēng)機(jī)布置的產(chǎn)線更有優(yōu)勢(shì)。
風(fēng)道中佳靈裝置的工作原理為:迫使風(fēng)道中的風(fēng)從其兩端通過(guò),達(dá)到加大盤(pán)條搭接點(diǎn)冷速的目的。佳靈裝置打開(kāi)的角度對(duì)截面的風(fēng)場(chǎng)有很大影響,風(fēng)冷鋼時(shí),減少中部非搭接點(diǎn)的風(fēng)量,增加兩邊搭接點(diǎn)位置的風(fēng)量,可使搭接點(diǎn)的冷速增大,非搭接點(diǎn)的冷速減小[9],從而使盤(pán)條的同圈均勻性更好。
利用Fluent軟件計(jì)算佳靈角度對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響,將佳靈角度分別調(diào)節(jié)到5°、10°、12°、15°、18°,其他計(jì)算條件與上述過(guò)程相同,結(jié)果如圖11所示。分別提取出風(fēng)口的風(fēng)速如圖12所示??梢钥闯?,隨著佳靈角度的增大直到完全閉合,兩邊的風(fēng)速會(huì)逐漸增大,中間的風(fēng)速會(huì)逐漸減小。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,可根據(jù)鋼材品種及規(guī)格的不同,以及輥道的傳輸速度來(lái)確定合適的佳靈角度,使同圈均勻性更好。
圖11 不同佳靈角度時(shí)的風(fēng)場(chǎng)Fig.11 Wind fields with different optitflex angle
圖12 不同佳靈角度時(shí)的出風(fēng)口風(fēng)速Fig.12 Wind speed at the air outlet with different optitflex angle
目前的豎直式風(fēng)機(jī)在縱向普遍存在中間風(fēng)量強(qiáng)、兩邊風(fēng)量弱的現(xiàn)象,如果在佳靈裝置下方放置擋板,可預(yù)先將冷卻風(fēng)分配到整個(gè)輥道的前、中、后部,再通過(guò)風(fēng)口均勻化,效果更好。利用Fluent軟件分別將風(fēng)道分割為3個(gè)、5個(gè)和7個(gè)區(qū)域,其他計(jì)算條件與上述過(guò)程相同,風(fēng)場(chǎng)模擬建模結(jié)果如圖13所示。
加設(shè)擋板后,風(fēng)道被分為3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)區(qū)域,風(fēng)場(chǎng)如圖14所示??梢钥闯觯?塊擋板使部分風(fēng)量被預(yù)先分配到了風(fēng)道中的不同區(qū)域,風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)有所改善。4塊擋板能更均勻地分配風(fēng)量,風(fēng)場(chǎng)比較平滑,有利于空氣的流動(dòng)。6塊擋板將風(fēng)量過(guò)多的分配到了兩端,而中間的風(fēng)量相對(duì)減少。
圖13 設(shè)置擋板風(fēng)道的建模Fig.13 Modeling of air duct with baffle
2.5.1 出風(fēng)口寬度對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響
根據(jù)2.4節(jié)的計(jì)算結(jié)果,采用4塊擋板的設(shè)計(jì),將風(fēng)道分為5個(gè)區(qū)域,更能平衡輥道前、中、后的風(fēng)量。但空氣為可壓縮介質(zhì),出風(fēng)口過(guò)小和過(guò)大都不利于冷卻效果。利用Fluent軟件計(jì)算了風(fēng)口寬度分別為20、30、40、50、60、70 mm時(shí)的風(fēng)場(chǎng),其中不同寬度出風(fēng)口豎直方向的風(fēng)速如圖15所示,風(fēng)場(chǎng)的最大、最小壓力如圖16所示。由于出風(fēng)口的總面積小于進(jìn)風(fēng)口的總面積,導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)外壓力不平衡[10]。雖然氣壓并不直接影響冷卻效果,但是過(guò)大的氣壓差會(huì)造成氣流的回旋和渦流,使得冷風(fēng)從下向上將熱量帶出輥道,進(jìn)入大氣,從而影響盤(pán)條的冷卻效果。
圖14 加設(shè)不同數(shù)量擋板的風(fēng)場(chǎng)Fig.14 Wind fields with different amount of baffles
圖15 不同寬度出風(fēng)口豎直方向的風(fēng)速Fig.15 Vertical wind speed at air outlet of different width
風(fēng)口寬度越小,風(fēng)速越高,但風(fēng)道內(nèi)外壓力差較大,易造成出風(fēng)口風(fēng)量不足,導(dǎo)致渦流或者反向風(fēng)流的產(chǎn)生,從而嚴(yán)重降低冷卻效果。對(duì)風(fēng)口豎直方向的風(fēng)速曲線進(jìn)行積分,得到冷卻風(fēng)的流量數(shù)據(jù),如圖17所示。可以看出,50 mm寬的出風(fēng)口通風(fēng)量最大,但風(fēng)速不夠,不足以穿過(guò)盤(pán)條的堆垛網(wǎng)格;30 mm寬的出風(fēng)口通風(fēng)量略低,但風(fēng)速較高,能滿足要求。
圖16 不同寬度出風(fēng)口的氣壓Fig.16 Air pressure at air outlet of different width
2.5.2 出風(fēng)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
目前很多風(fēng)冷線的風(fēng)口為豎直風(fēng)口或有一定角度的平行風(fēng)口,冷卻效果不佳,因此對(duì)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,如圖18所示??梢?jiàn),優(yōu)化后的風(fēng)口下大上小,對(duì)空氣有一定的壓縮和加速作用,并可避免在風(fēng)道內(nèi)形成過(guò)度的正負(fù)壓力差,影響離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率[11]。此外,為了不產(chǎn)生湍流,在兩個(gè)風(fēng)口之間設(shè)置了小風(fēng)口,這一結(jié)構(gòu)可分擔(dān)一部分冷卻風(fēng)的壓力,減小內(nèi)外壓差,還能起到冷卻傳送輥的效果。
圖17 不同寬度出風(fēng)口的總風(fēng)量Fig.17 Total air volume of air outlet of different width
圖18 優(yōu)化的出風(fēng)口Fig.18 Optimized air outlet
利用Fluent軟件建模并計(jì)算風(fēng)場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布,結(jié)果如圖19所示??梢钥闯觯瑑A斜風(fēng)口使輥道上方的風(fēng)向基本一致,沒(méi)有出現(xiàn)渦流等。由于右端更靠近底部進(jìn)風(fēng)口,所以靜壓力較大,左端遠(yuǎn)離所以靜壓力較小。靜壓力再疊加計(jì)算的動(dòng)態(tài)壓力,內(nèi)外壓力差不超過(guò)2 000 Pa,這一壓力差在可接受范圍內(nèi),不會(huì)過(guò)分影響風(fēng)速。風(fēng)速雖與風(fēng)機(jī)的流量有關(guān),但風(fēng)場(chǎng)分布與風(fēng)道結(jié)構(gòu)有關(guān),只有設(shè)計(jì)好風(fēng)口和風(fēng)道結(jié)構(gòu),才能最大限度地發(fā)揮風(fēng)機(jī)的冷卻能力。
圖19 風(fēng)場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布云圖Fig.19 Cloud maps of wind and pressure distribution
(1)通過(guò)CFD方法建立了針對(duì)斯太爾摩風(fēng)冷的風(fēng)場(chǎng)模型,并用模型研究了風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、輥道結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響,所建模型可以很好地掌握風(fēng)場(chǎng)規(guī)律,匹配好各項(xiàng)工藝參數(shù),從而提高控冷工藝水平。
(2)研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)、輥道長(zhǎng)度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、佳靈角度、出風(fēng)口結(jié)構(gòu)等對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響,建立了斯太爾摩風(fēng)冷線上各段工藝全部冷卻要素的控冷模型,從而可以整體掌控各段冷卻條件。
(3)通過(guò)采取優(yōu)化風(fēng)場(chǎng),減少渦流和風(fēng)道內(nèi)外壓差,在風(fēng)道內(nèi)加設(shè)擋板,改造出風(fēng)口結(jié)構(gòu)等措施,達(dá)到了提高風(fēng)冷控冷能力的目的。