寬厚板中間坯溫度變化規律有限元模擬分析

摘 要：利用有限元法模擬了中間坯在待溫冷卻過程中表面溫度和中心溫度的變化規律。計算結果表明，中間坯在冷卻過程中表面和中心存在較大溫差；實測鋼板表面溫度與計算鋼板表面溫度差值非常小。該計算結果可為正確制定TMCP工藝提供參考。

關鍵詞：寬厚板；中間坯；有限元；TMCP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.018

1 引言

寬厚板生產過程中，溫度是影響鋼板組織和性能的重要因素。現在高級別的寬厚板品種多數采用添加Nb微合金化設計，并結合TMCP工藝來提高鋼材的強度、韌性和焊接性能。由于含Nb鋼一般采用兩階段控軋方案，即再結晶控軋和非再結晶控軋。為了避免在非再結晶階段溫度設置不當，出現部分再結晶，所以搞清中間坯的溫度變化規律是非常重要的，這也是正確設計TMCP工藝的前提，本文以一般寬厚板大批量生產的Q345E鋼種為研究對象，采用有限元方法針對一定厚度的Q345E鋼種中間坯溫度變化規律進行了模擬分析。

2 有限元模型的建立分析

2.1 傳熱方程

對于二維平面問題，模擬分析中采用固體傳熱的基本控制方程[1]為：

式中，T為物體的瞬態溫度，K；t為過程進行的時間，s；x和y分別為寬度方向和高度方向距離，m；ρ為中間坯的密度，kg/m3；CP為中間坯的比熱容量，J/（kg·K）；K為中間坯的導熱系數。

2.2 有限單元網格劃分

由于鋼板較長，假設沿鋼板長度方向溫度分布均勻，即可按二維傳熱問題處理，利用鋼板的對稱性，假設冷卻方式對稱，可取1/4橫斷面進行網格單元劃分，模擬分析中采用4節點等分單元，所計算鋼板的幾何尺寸取現場實際生產中的中間坯尺寸：鋼板寬度為2600mm，厚度為90mm。

2.3 中間坯的物性參數

鋼鐵材料的密度、比熱、導熱系數等物性參數都會隨溫度的變化而變化。由于密度隨溫度變化的變化量較小，所以可以認為密度是常數，模擬分析中取密度為7850 Kg /m3。帶鋼的比熱CP、導熱系數K按照文獻[2]中圖表：導熱系數與溫度關系圖、鋼板比熱與溫度的關系查圖表取值。

2.4 初始條件和邊界條件處理

（1）初始條件：T（x ， y）| t=0=T0 ， T0為粗軋終軋溫度， 取現場平均值1100℃；

（2）邊界條件：由于中間坯在輥道上擺動時其冷卻屬于自然空冷過程，空冷過程中主要有對流和輻射兩種傳熱方式，輥道導熱不計，空冷時的綜合換熱系數可表示為[2， 3]：

式中，hw為空冷換熱系數，W/（m2·K）；ε為輻射率 ；S為Stefan-Boltzman常數， W/（m2·K4） ；Ts為鋼板表面溫度；T0為環境溫度，20℃。

3 中間坯的溫度場模擬計算結果與分析

圖1給出了中間坯表面溫度和心部溫度隨時間變化的關系；從圖1可以看出，在冷卻開始時，中間坯表面溫度急劇下降，而中心溫度過一定時間后才開始下降，并且中心和表面形成較大溫差；冷卻一定時間后，中間坯表面溫度和心部溫度的差值趨于一定，同時表面和心部溫度的下降速率越來越小。

實驗中對現場軋制板帶過程中間坯表面溫度通過測溫儀測量，與模擬分析結果比較，可以驗證分析結果的正確性。圖2給出了實際檢測的中間坯表面溫度與計算的中間坯表面溫度隨時間的變化關系，從圖2可以看出，實際檢測的中間坯表面溫度與計算的中間坯表面溫度隨時間的變化規律一致，同時二者差值非常小，實測值與計算值最大相差1.3%，說明本文所采用的計算模型是正確的、可靠的，模擬結果分析可用于現場指導。

4 結論

（1）用有限元模擬了中間坯在空冷時溫度隨時間的變化關系，對空冷時中間坯的溫度變化有一個直觀的了解，對現場生產有一定的指導作用。

（2）中間坯在空冷過程中，表面與中心會形成較大的溫差，對板坯的組織和性能有一定影響，所以在制定工藝時應考慮這個溫差。

（3）用該方法計算的中間坯表面溫度與實際檢測的表面溫度基本一樣，證明可以用該方法計算板坯或鋼板冷卻過程中的溫度變化。

參考文獻：

[1]孔祥謙.有限單元法在傳熱學中的應用[M].北京：科學出版社，1998：1-2.

[2]王國棟，吳國良，畢玉偉等譯.日本鋼鐵協會.板帶軋制理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，1990：195-196.

[3]Hatta N，Oskabe H. Numerical modeling for cooling process of a moving hot plate by a laminar water curtain[J].ISIJ International，1989（29）：919.

作者簡介：朱燕玉（1974-），女，湖南人，碩士研究生，高級工程師，教師，主要研究方向：材料加工工藝的研究。endprint