熱軋帶鋼層流冷卻寬度方向溫度分布的研究

肖湖福 葛國軍 李 軍

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京201900）

1 前言

層流冷卻裝置是熱軋廠布置在精軋和卷取之間的控冷設備，主要由上噴裝置、下噴裝置、側噴裝置和控制閥組等組成，目的是保證帶鋼的性能，為了實現這一目的其關鍵在于使鋼板長度、厚度和寬度方向溫度分布均勻。目前，國內外對層流冷卻長度、厚度方向的溫度分布進行了大量的工作，得到了各種冷卻模型［1－3］。但這些模型通常都假設寬度方向溫度分布均勻，在實際應用過程中存在誤差。

通過有限元分析，著重研究層流冷卻過程中帶鋼寬度方向的溫度分布，探討層流冷卻工藝對溫度分布的影響；針對寬度方向溫度分布不均勻問題，采取邊部遮擋措施，并提出了合理的邊部遮擋工藝，最大限度地提高帶鋼溫度分布的均勻性。

2 層流冷卻過程的有限元模擬

2.1 初始條件

為了得到準確的結果，本文以某熱軋廠10mm×1500mmX80管線鋼為研究對象，通過實驗測定該鋼種的物性參數（包括換熱系數、熱導率和比熱等），見圖1、圖2和圖3。統計分析精軋后不同終軋溫度鋼板寬度方向的初始溫度分布數據如圖4所示。層流冷卻段分為強冷段、緩冷段和精冷段，強冷段有3組，集管的開啟方式分別定義為110、011、101（其中1表示打開，0表示關閉）；緩冷段有10組，根據需要可以開啟多組，精冷段有2組，用來精確調整卷取溫度。

圖1 X80鋼的熱傳導系數

圖2 X80鋼的比熱

圖3 X80鋼表面綜合換熱系數

圖4 10mm×1500mmX80管線鋼寬度方向不同初始溫度的分布

圖5 模型的網格劃分（圖中數字代表節點）

以上工作完成后，利用Marc有限元仿真軟件進行X80管線鋼層流冷卻過程的模擬，模擬過程中采用了不同的終軋溫度分布，不同的集管開啟方式；同時為了精確研究帶鋼寬度方向的溫度分布特性，取帶鋼的半寬進行運算，且網格劃分時采用中間疏邊部致密的方法［4］，如圖5所示。把模擬的結果通過Marc強大的后處理程序提取出來。

2.2 有限元模擬結果

不同的初始溫度經過相同的冷卻工藝冷卻后得到的結果是不同的，如圖6 所示為10mm×1500mmX80鋼在不同的初始溫度下，采用集管的開啟方式為110－1111110000－1313，經有限元模擬后取鋼板表面的點進行歷史溫度的分析結果。

圖6 不同的初始溫度下經相同的冷卻工藝的溫度曲線

圖7 冷卻過程中所取點溫度隨時間變化圖

圖8 中間點1與端部19點溫差

由圖6可知，不同終軋溫度層流冷卻過程溫度變化規律大致相同，出精軋到層冷設備之間有一段空冷距離，溫度變化不大；進入層流冷卻2組強冷段后，溫度迅速下降，此時的冷卻速度達到最大，隨后經過一組空冷，溫度略有回升；進入6 組緩冷段后，冷卻速度有所下降，緊接著經過4組空冷，溫度產生回升；最后通過精冷段的調溫，溫度維持在一個相對穩定的范圍。

對終軋溫度為890℃的帶鋼取寬度方向中心到邊部的節點進行數據分析，如圖7所示，帶鋼中心到邊部節點1、節點9和節點14的溫度差不大，控制在5℃以內，但邊部節點19與中心的溫差較大，且隨著冷卻時間的增長，溫差變化無明顯規律。圖8為中心節點1與邊部節點19的溫差圖，即溫度最高點與最低點間溫差隨時間的變化曲線。

對比圖7和圖8，可以看出二者基本成反比例關系，最大溫差出現在緩冷回復階段，且隨著層流冷卻后空冷時間的增大，溫差在逐漸減小，但溫差值由冷卻前的35℃上升至70℃。這種溫差既會影響到冷卻過程中的心部和邊部的組織均勻性，又會影響帶鋼表面的平整度，使帶鋼產生彎曲、邊浪等缺陷。雖然通過增加空冷時間有利于消除溫差，但這樣會增加設備的長度，降低生產效率。最好的方法是在緩冷段采用邊部遮擋措施，以最小的投入來改善帶鋼寬度方向的溫度均勻性。

3 邊部遮擋工藝

3.1 邊部遮擋有限元模型的建立

由以上結論可知，為了改善帶鋼寬度方向的溫度均勻性，可采取在緩冷段加邊部遮擋的措施。對邊部遮擋的模型處理的關鍵是遮擋區對流換熱系數h 的描述，本文根據帶鋼終軋后寬度方向的溫度分布規律把帶鋼沿鋼板寬度方向分成兩個區域，在0～85%半寬度區域內設定對流換熱系數h為恒值，85%～100%半寬度區域設定遮擋，在遮擋區域內對流換熱系數h 按照二次函數的規律遞減，如圖9所示。通過Marc二次開發對換熱系數進行加載。

圖9 遮擋后換熱系數的變化

3.2 邊部遮擋處理后的結果分析

圖10和圖11分別是某種工藝下采用了遮擋和未采用遮擋帶鋼經過層流冷卻后寬度方向上的溫度分布?？梢钥闯鑫丛黾诱趽鯐r最大溫差為60℃，而增加遮擋后最大溫差僅為30℃；且增加遮擋后其溫降的范圍在減小，由初始的120mm 下降為50mm 左右。因此遮擋是非常有效果的，能夠有效地降低溫差的大小及其影響范圍。

3.3 邊部遮擋量的確定

圖10 邊部遮擋后溫度分布

圖11 未遮擋溫度分布

通過對比多組仿真結果，發現當單邊遮擋量為帶鋼半寬度的10%～15%范圍內時，其效果較好。而如果擴大或者減小遮擋量時，會影響層流冷卻的效果。

把不同板厚和不同板寬加遮擋和未加遮擋的模擬結果進行數據分析，得到了板寬和板厚與遮擋量之間的關系圖，如圖12和圖13所示。

圖12 遮擋量與板厚的關系

圖13 遮擋量與板寬的關系

由圖可知，隨著板厚的增加遮擋量呈直線減小，與此相反，隨著板寬的增加，遮擋量也隨之增加。假設遮擋量與板厚和板寬呈線性關系，通過對兩曲線進行回歸，可以得到遮擋量與板厚和板寬的經驗公式：

式中 B—遮擋量，mm；

H—板厚，mm；

W—半板寬，mm。

此公式為經驗公式，為了確保其準確性，需要現場的大量冷卻數據進行校準。

4 結論

通過Marc有限元的分析方法，研究了X80管線鋼的層流冷卻過程和寬度方向的溫度分布規律，得到了以下結論：

層流冷卻過程中X80管線鋼寬度方向上的最大溫差出現在緩冷段，可以通過在緩冷段加邊部遮擋措施來改善帶鋼寬度方向的溫度分布。

增加邊部遮擋與未加邊部遮擋比較，不僅使層流冷卻后寬度方向的溫差減小，而且寬度方向的溫降范圍也大大減小。

邊部遮擋量與板厚和板寬有關，與板厚成反比，與板寬成正比；通過分析大量有限元數據，得到了遮擋量與板厚和板寬的經驗公式，可以應用于工程實踐。

［1］彭良貴，于明，王昭東，劉相華.熱軋帶鋼層流冷卻數學模型概述［J］.軋鋼，2003，Vol.20（6）：25－29.

［2］管克智，趙海石，劉萍.熱連軋層流冷卻的數學模型［J］.北京科技大學學報，1994，Vol.16（S）：23－27.

［3］謝海波，余廣夫，劉相華，王國棟.熱軋帶鋼層流冷卻設定模型的開發與實現［J］.東北大學學報，2004，Vol.25（10）：961－964.

［4］孔詳謙.有限元法在傳熱學中的運用［M］.北京：科學出版社，1996.