熱軋H型鋼空冷溫降模型研究及應(yīng)用

徐正彪，王延蘋，劉瑞剛，李現(xiàn)富，王福良，陳 闖

(日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司鋼軋項(xiàng)目組，山東 日照 276806)

熱軋H型鋼軋制完成后，與周圍環(huán)境存在較為復(fù)雜的換熱過(guò)程，溫度的降低過(guò)程也較為復(fù)雜。材料的溫度變化過(guò)程，對(duì)其顯微組織、性能、內(nèi)部應(yīng)力、外觀質(zhì)量均有重要的影響。因此，探究熱軋H型鋼在終軋后的溫度變化規(guī)律有重要意義。終軋后軋件溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，僅依靠理論推導(dǎo)，容易產(chǎn)生較大的偏差。本文通過(guò)將軋后溫度數(shù)據(jù)離散化，對(duì)溫降區(qū)間進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合理論熱輻射及空冷對(duì)流換熱系數(shù)及實(shí)際各規(guī)格測(cè)量數(shù)據(jù)，模擬出各規(guī)格的溫降曲線。改變換熱環(huán)境，可模擬各規(guī)格的溫降所需時(shí)間，據(jù)此可用來(lái)指導(dǎo)新產(chǎn)線冷床有關(guān)的工藝設(shè)計(jì)等。

1 冷床溫降模型的作用

熱軋H型鋼工藝溫度，須根據(jù)材料的成分、規(guī)格、矯直要求等合理設(shè)定。熱軋H型鋼終軋溫度一般在900 ℃左右，經(jīng)過(guò)冷床冷卻后，矯直入口溫度一般要求≤80 ℃。工藝上，冷床冷卻主要包括兩種方式，一種是采用前區(qū)自然空冷+后區(qū)風(fēng)冷的模式；第二種考慮廠房設(shè)計(jì)、冷床制造成本等經(jīng)濟(jì)因素，工藝上采用前區(qū)自然空冷+后區(qū)噴霧冷卻的模式。

空冷方式一般是軋件在終軋后，在冷床上自然冷卻或通過(guò)增加空氣對(duì)流加快冷卻的過(guò)程。噴霧冷卻一般在軋件低于亞共析相變溫度后，通過(guò)向軋件噴射水霧而達(dá)到快速降溫的冷卻方式。采取噴霧強(qiáng)制冷卻的模式，冷卻速度較快，可節(jié)省冷床及廠房寬度，但該技術(shù)路線也存在較大的不足：軋件冷速較快，導(dǎo)致材料的內(nèi)應(yīng)力較大，矯直困難；噴霧冷卻造成鋼材表面易于銹蝕；長(zhǎng)期噴霧也會(huì)造成冷床機(jī)械及電氣設(shè)備的損害加快。

基于產(chǎn)品質(zhì)量品牌及設(shè)備的長(zhǎng)期保護(hù)分析，采用空冷+風(fēng)冷的模式是較佳的選擇。新產(chǎn)線冷床寬度的設(shè)計(jì)需要綜合考慮產(chǎn)能、廠房寬度、機(jī)械、電氣成本等因素。如果設(shè)計(jì)過(guò)大將抬高成本，設(shè)計(jì)過(guò)小將限制產(chǎn)能發(fā)揮，綜合效益低，因此冷床寬度的設(shè)計(jì)需要充分考慮計(jì)劃生產(chǎn)的各規(guī)格的溫降和產(chǎn)能設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃。

目前對(duì)熱軋型鋼空冷溫降過(guò)程的研究較少，本文采用理論計(jì)算結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際數(shù)據(jù)的方式，對(duì)典型規(guī)格溫降曲線進(jìn)行擬合，模擬出在空冷條件下，軋件溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

設(shè)計(jì)新產(chǎn)線冷床時(shí)，可根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)格、終軋溫度、軋件間距、冷床步距等參數(shù)，可合理推斷出各規(guī)格產(chǎn)品在不限制軋制工序產(chǎn)能情況下，所需冷床最小寬度，或根據(jù)初步設(shè)計(jì)的冷床寬度判斷冷床工序產(chǎn)能受限的規(guī)格。同時(shí)所擬合出的軋件軋后溫降模型，對(duì)研究材料的軋后溫降速率，指導(dǎo)微合金化元素的添加等均具有重要意義。

2 冷床溫降模型的建立

軋件降溫的實(shí)質(zhì)是軋件向周圍環(huán)境散發(fā)熱量而內(nèi)能減少的過(guò)程，軋件與環(huán)境對(duì)外交換熱量主要通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種方式進(jìn)行。

與對(duì)流散熱及輻射散熱相比，軋件與空氣傳導(dǎo)散失的熱量相對(duì)較少，實(shí)踐中通過(guò)熱量散失修正系數(shù)的調(diào)整，將該部分熱量納入到輻射和對(duì)流散熱中。目前對(duì)帶鋼的溫降模型[1-2]研究較多，由于型鋼斷面復(fù)雜，翼緣、腹板厚度不同，且不同規(guī)格型鋼變化較大，按照此類計(jì)算公式推算型鋼溫降過(guò)程，偏差較大。因此，本文采用理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際測(cè)量的方式，對(duì)溫降過(guò)程進(jìn)行模擬。

2.1 材料換熱公式

軋件熱量散失過(guò)程的理論推導(dǎo)與實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大，實(shí)踐中將降溫區(qū)間離散化，將降溫過(guò)程分為每5 ℃一個(gè)溫度區(qū)間，選取1 m軋件為研究對(duì)象，由熱力學(xué)公式(1)可分析在工藝設(shè)計(jì)溫度區(qū)間，軋件需要放出的熱量：

Q=c×m×(T2-T1)

(1)

式中：Q為軋件放出的熱量；c為軋件材料的比熱容；m為軋件的質(zhì)量；T2-T1為軋件溫度變化量。

計(jì)算散失熱量所需的時(shí)間：

t=Q/q=Q/(α×q輻射+β×q對(duì)流)

(2)

式中：t為冷卻時(shí)間；Q為溫度降低所散失的熱量；軋件單位時(shí)間內(nèi)散失的熱量q，由軋件單位時(shí)間內(nèi)輻射散熱q輻射和對(duì)流換熱q對(duì)流組成。q輻射為輻射換熱系數(shù)，即單位時(shí)間、單位面積材料，在某一溫度輻射放出的熱量；q對(duì)流為對(duì)流換熱系數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)單位面積材料與空氣對(duì)流放出的熱量；α、β分別為T-t擬合值中，關(guān)于q輻射和q對(duì)流的修正系數(shù)，即通過(guò)調(diào)整α、β使擬合T-t曲線取值初始值及末尾值與實(shí)際情況相吻合。

2.2 輻射換熱系數(shù)

輻射換熱系數(shù)[3-4]：

q輻射=ε×Eb

(3)

式中：ε為不同溫度材料的熱輻射率；Eb為黑體在某溫度的輻射能力。

Eb采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律[3-4]確定：

Eb=σb×T4

(4)

式中：σb為黑體輻射常數(shù)；T為黑體的熱力學(xué)溫度。

2.3 對(duì)流換熱系數(shù)

對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]取值，通過(guò)最小二乘法可計(jì)算出其他各溫度點(diǎn)(950～80 ℃每5 ℃一個(gè)節(jié)點(diǎn))的對(duì)流換熱系數(shù)，見表1。

可擬合對(duì)流換熱系數(shù)方程為：

表1 空氣對(duì)流換熱系數(shù)

y=13.597e0.0024x

(5)

式中：x為溫度，y為空氣對(duì)流換熱系數(shù)。以此可計(jì)算目標(biāo)區(qū)間(80～950 ℃)內(nèi)所有溫度的換熱系數(shù)。

2.4 模型建立及修正系數(shù)

根據(jù)軋件的斷面尺寸數(shù)據(jù)，計(jì)算出軋件的理論散熱面積。通過(guò)實(shí)際測(cè)量冷床入口溫度、空冷出口溫度，矯直入口溫度，輸入到所建立的模型中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整輻射及對(duì)流的修正系數(shù)α、β，可方便的將所擬合的數(shù)據(jù)與實(shí)際軋件在三個(gè)關(guān)鍵位置的溫度點(diǎn)隨時(shí)間的變化相同。從而得到大量的擬合數(shù)據(jù)，可方便的分析軋件在不同時(shí)間、不同位置的溫度。

2.4.1自然空冷

由于軋件從終軋后高溫區(qū)降至室溫的過(guò)程中，主導(dǎo)散熱的方式在發(fā)生變化，為使模擬溫降時(shí)間與時(shí)間一致，采用分段擬合的方式。以Q235B材質(zhì)I18規(guī)格為例，將溫降分別以950～300 ℃、300～80 ℃為區(qū)間，分段擬合，使擬合溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律趨于一致，見圖1。根據(jù)擬合的多項(xiàng)式公式，可計(jì)算軋件溫度隨時(shí)間的變化數(shù)值。

圖1 I18規(guī)格Q235B材質(zhì)模擬T-t曲線

2.4.2自然空冷結(jié)合風(fēng)冷空冷

軋件終軋冷卻至室溫過(guò)程，如果全部采用自然冷卻方式，所需時(shí)間較長(zhǎng)，不利于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及產(chǎn)能的提高。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，可在自然冷卻段后，添加風(fēng)機(jī)以增加換熱效率。由于軋件在空冷區(qū)和風(fēng)冷空冷區(qū)的對(duì)流強(qiáng)度不同，材料在高溫區(qū)和低溫區(qū)的輻射系數(shù)不同，可根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行修訂。以Q235B材質(zhì)H298×149規(guī)格為例，模擬數(shù)據(jù)見表2，模擬T-t曲線見圖2。風(fēng)冷及換熱系數(shù)增大，冷卻速率隨即加快。由于冷卻條件發(fā)生變化，因此在數(shù)據(jù)分析時(shí)，需要分段進(jìn)行。

Q235B材質(zhì)H298×149規(guī)格從950 ℃冷卻至80 ℃用時(shí)50.8 min。如果根據(jù)設(shè)計(jì)要改變終軋溫度，在模型輸入相應(yīng)終軋溫度，即可得到軋件降至80 ℃所需的時(shí)間。從各規(guī)格的溫度-時(shí)間冷卻曲線，也可讀出終軋后軋件溫度隨時(shí)間變化的瞬時(shí)值，從而幫助理解微合金化鋼組織、性能的特點(diǎn)。

圖2 H298×149規(guī)格Q235B材質(zhì)模擬T-t曲線

表2 Q235B材質(zhì)H298×149規(guī)格模擬數(shù)據(jù)

3 冷床溫降冷床的設(shè)計(jì)及其合金元素作用

3.1 新產(chǎn)線冷床設(shè)計(jì)

依據(jù)冷床的初步設(shè)計(jì)寬度、計(jì)劃生產(chǎn)的規(guī)格、各規(guī)格在冷床上的間距、步距等參數(shù)，可確定各規(guī)格正常生產(chǎn)時(shí)，在冷床上的可存放支數(shù)。正常生產(chǎn)時(shí)，軋制工序的生產(chǎn)節(jié)奏以及軋件在冷床的可存放支數(shù)，可確定在整個(gè)冷床冷卻過(guò)程中，各規(guī)格的工藝?yán)鋮s時(shí)間。根據(jù)建立各規(guī)格軋件溫度隨時(shí)間的變化模型，即可計(jì)算出各規(guī)格在冷床的工藝?yán)鋮s時(shí)間內(nèi)，軋件下冷床時(shí)可降至的溫度，進(jìn)而判斷冷床工序是否為限制產(chǎn)能環(huán)節(jié)。綜合各規(guī)格在軋制、矯直、冷鋸等工序的產(chǎn)能及節(jié)奏，工藝溫度設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步優(yōu)化冷床的寬度、冷床的空冷區(qū)域及風(fēng)冷區(qū)域的寬度等。

一般新型鋼產(chǎn)線產(chǎn)品規(guī)格可達(dá)上百個(gè)，此處僅選取部分規(guī)格作為示例。表3為某產(chǎn)線初步冷床設(shè)計(jì)寬度為28 m，部分規(guī)格型鋼模擬溫降時(shí)間，當(dāng)軋件冷卻工藝用時(shí)超過(guò)在冷床時(shí)間時(shí)，冷床產(chǎn)能受限，最終要根據(jù)新產(chǎn)線各規(guī)格產(chǎn)能分布，合理設(shè)計(jì)冷床寬度及布局，減少產(chǎn)能占比較高規(guī)格的受限因素，以達(dá)到成本、產(chǎn)能最優(yōu)的目的。

表3 某產(chǎn)線冷床設(shè)計(jì)

3.2 研究微合金化元素的作用

研究軋后溫降T-t曲線，對(duì)材料添加合金強(qiáng)化元素具有一定的指導(dǎo)意義。為改善材料機(jī)械性能，部分鋼種涉及添加V、Ti等微合金化元素，V、Ti元素的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，一般該類元素的析出強(qiáng)化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于固溶強(qiáng)化的作用。充分發(fā)揮微合金化元素析出強(qiáng)化的作用，需要設(shè)計(jì)合理的工藝溫度[7-8]，否則將達(dá)不到強(qiáng)度的設(shè)計(jì)目的。因此加V、Ti等微合金化元素的鋼種，可以根據(jù)軋后溫降規(guī)律，適當(dāng)調(diào)整工藝使材料在較高溫度停留更長(zhǎng)的時(shí)間，促進(jìn)析出強(qiáng)化。

4 結(jié)論

1)將熱軋H型鋼終軋后空冷溫度降低區(qū)間離散化，結(jié)合傳熱理論與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，模擬終軋至矯直環(huán)節(jié)的溫度-時(shí)間變化曲線，采用本方法可較為準(zhǔn)確的預(yù)估軋件在精軋后，溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2)終軋后降溫曲線，對(duì)研究材料中微合金化元素的強(qiáng)化機(jī)制、改善材料內(nèi)部組織應(yīng)力與熱應(yīng)力，尤其在新生產(chǎn)線冷床寬度設(shè)計(jì)和既有生產(chǎn)線產(chǎn)能提升方面有一定的指導(dǎo)意義。