冷卻水流量對大直徑棒材冷卻效果的影響規(guī)律

1、第31卷第7期2009年7月北京科技大學學報JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingVol.31No.7Jul.2009冷卻水流量對大直徑棒材冷卻效果的影響規(guī)律張少軍邵鴻麗王令寶楊春彥北京科技大學機械工程學院,北京100083摘要利用有限元耦合場數(shù)值模擬計算方法,對大直徑棒材穿水冷卻過程進行了三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,研究了冷卻水流量對冷卻效果的影響規(guī)律,并分析了決定冷卻水流量的兩個因素度.模擬結(jié)果表明:當流量相對較小時,流量的改變對冷卻效果的影響較大;,對冷卻效果的影響逐漸減小;.關(guān)鍵詞棒材;控冷;數(shù)值模擬;影響因素;冷卻水流量分類號TG33

2、516+2;TG162.8InfluentialruleofthecoolingeffectofbigbarsZHANGShao2jun,2li,WANGLing2bao,YANGChun2yanSchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaABSTRACTAnumericalcalculationmethodoffiniteelementcouplingfieldwasusedtosimulatethecoolingprocessofbigbars.Theinf

3、luentialruleofcoolingwaterflowonthecoolingeffectwasobtainedbyanalyzingthenumericalresult.Moreover,theinfluencede2greesoftwofactors,thesectionalareaofthecoolersinletportandthevelocityofcoolingwater,werecompared.Theresultsshowthatwhenthecoolingwaterflowisrelativesmall,itschangehassignificantlyinfluenc

4、eoncoolingeffect;butwhenthecoolingwaterflowisrelativelarge,thedifferenceincoolingeffectisinappreciable.Inaddition,thecoolingwatervelocityhasalargerinfluenceoncoolingeffectthanthesectionalareaofthecoolersinletport.KEYWORDSbars;controlledcooling;numericalsimulation;influentialfactors;coolingwaterflow控

5、制冷卻是對軋后鋼材的冷卻工藝參數(shù)(開冷溫度、終冷溫度和冷卻速度)進行合理控制,為鋼材相變做好組織準備,并通過控制相變過程的冷卻速度,達到控制鋼材組織狀態(tài)、各種組織的組成比以及碳氮化合物析出等,從而提高和改善鋼材的綜合力學性能與使用性能1-2.控冷技術(shù)在板材、帶材、線材及小直徑(60mm以下)棒材生產(chǎn)中的應用已逐漸趨于成熟3-5;而在大直徑棒材的生產(chǎn)中,目前國內(nèi)、外對此研究甚少,技術(shù)應用還處于空白.如果參照小直徑棒材,對大直徑棒材也采用穿水冷卻的方式進行控冷,則由冷卻水流流速和冷卻水流截面積所決定的冷卻水流量對棒材的冷卻效果有著直接的影響.因此,在對大直徑棒材的穿水控冷過程中,首先要掌握冷卻水流

6、量對冷卻效果的影響規(guī)律.收稿日期:2008209225),男,教授,E2mail:sjzhang2004作者簡介:張少軍(19571模型的建立及其數(shù)值模擬111物理模型的建立在目前所應用的小直徑棒材的控冷設(shè)備中,帶有凹槽的冷卻器對棒材的冷卻效果最好,故在研究中采用帶有凹槽的冷卻器結(jié)構(gòu)6-7.圖1為冷卻器及被冷卻棒材的物理模型圖.圖1中各尺寸為:冷卻管道內(nèi)壁直徑D=350mm,八個凹槽均勻分布;凹槽槽底與槽頂半徑之比RR=1113;冷卻器長L=2000mm;入水口環(huán)形槽外徑d1=20714mm,環(huán)形槽內(nèi)徑d2=180mm,槽深h1=50mm;兩出水口為直徑d3=100mm、深h2=50mm的圓柱

7、形,水平方向?qū)ΨQ布置;棒材直徑d=160mm,開冷溫度1000,均勻分布.第7期張少軍等:冷卻水流量對大直徑棒材冷卻效果的影響規(guī)律913圖1Fig.1Physicalmodelofaabar棒材材料為20MnSi,其熱物性參數(shù)參照表18.表1棒材材料20MnSi的熱物性參數(shù)Table1Thermophysicalparametersof222(4)z+5x2+5y2+5z2+Fz,為流體的密度,p為管內(nèi)流體的壓力,為流體的動力黏度.Fx、Fy和Fz分別為微元體上的體力.若體力只有重力,且y軸豎直向上,則Fx=0,Fy=-g,Fz=0.(3)能量守恒方程:溫度/導熱系數(shù)/(Wm-12712732

8、752772710001423917351027162210/-1)4344875596851090536+=txyz+ST(5)xcpycpzcp式中,cp為比熱容,T為溫度,ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分.113邊界條件112控制方程流體流動要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律.控制方程是這些守恒定律的數(shù)學描述.在棒材的冷卻過程中,流體為非定常不可壓流體流動,滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程9-10.(1)質(zhì)量守恒方程(也稱連續(xù)性方程):(1)+=0xyz式中,u、v和w為流體質(zhì)點x、y和z方向的速度分

9、量.(2)動量守恒方程(也稱運動方程):u+v+w=xyz222(2)-5x+5x2+5y2+5z2+Fxu+v+w=xyz222(3)-y+5x2+5y2+5z2+Fyu+v+w=xyz在棒材冷卻的數(shù)值模擬過程中,冷卻模型所要定義的邊界主要包括流體進口、出口及壁面邊界條件.這里入口邊界條件設(shè)定為流體速度入口,在流動出口邊界處采用流體自由出口邊界條件,同時在固體壁面采用無滑移的壁面邊界條件.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析冷卻水流量主要由冷卻器入口面積S及冷卻水流流速v決定.所以,首先分析水流量對棒材冷卻的影響規(guī)律,然后再研究比較冷卻水流流速v、入口截面積S對冷卻效果的影響程度.在分析中,從入水側(cè)到出水側(cè)

10、定義三個截面,即截面1、截面2和截面3,將棒材均分為四段,如圖2所示.對每個截面,在半徑方向上取距芯部分別為0,10,20,30,40,50,60,70和78mm的九個半徑值(注:實際為在同一截面相同半徑上的不同點處取點,且確保所取點在棒材網(wǎng)格上.由大量計算結(jié)果知,雖然在同一半徑上的不同點處其冷卻溫度不盡914北京科技大學學報第31卷相同,但差別不大.所以用各半徑上一個點的冷卻溫度代表同一半徑上的冷卻溫度).圖2棒材三個截面所取位置Fig.2Positioningofcross2sectionsonabar211冷卻水流量對冷卻效果的影響規(guī)律圖3棒材截面2上半徑40mmFig.3Tempera

11、turecurvesof2pointonCross2sec2tion2under取冷卻水流量分別為q=300,600,900,1277,1629,2443,3257m3h-1(各流量對應的冷卻水速度及冷卻器入口截面積不盡相同),冷卻水溫T=30,冷卻時間t=240s.圖3所示為不同水流量對應的棒材截面2徑40mm處的溫度曲線.比較圖3出,在冷卻前20s內(nèi),小,;在整個冷卻過程中,當m3h-1時,流量的增大對0及78.比較,在三個截面處,流量越大冷,但隨著流量的增大,其對冷卻效果的影響程度逐漸減小.比較表中橫向數(shù)據(jù)可以看出,截面1與截面2的溫度差別較大,而截面2與截面3的溫度差別細微.綜合比較可

12、見,冷卻水流量對截面1的冷卻效果較截面2、截面3處顯著,這主要是由于在熱交換過程中棒材表面沸騰膜的產(chǎn)生以及冷卻水棒材的冷卻效果影響不大.表2僅列出冷卻200s時,棒材三個截面上半徑溫的升高,使水的流動過程中換熱效率降低所致.表2冷卻200s時棒材三個截面上三個半徑值處不同水流量對應的溫度值Table2Temperatureatthreepointsondifferentcross2sectionsunderdifferentcoolingwaterflowswhenthecoolingtimewas200s流量/(m3h-1)30060090012771629244332570mm608575

13、563575568559554截面140mm36334133334033633032678mm655349525047460mm635590573567559551547截面240mm39135734534133633032778mm795952504845440mm635589571563556547543截面340mm39736134834233733232978mm83625552604746212冷卻水流流速對冷卻效果的影響規(guī)律取冷卻水流流速分別為v=5,10,15,20,30ms-1,對應的水流量分別為q=150,300,450,600,900m3h-1,冷卻水溫T=30,冷卻時間t

14、=240s.圖4所示為棒材截面2上半徑40mm處不同水流流速對應的溫度曲線.由圖4中曲線可以看出,在冷卻過程中,五個水流流速度值對應的溫度值都有明顯的差別,且流量越小,溫度差別越顯著.表3僅列出冷卻200s時,棒材三個截面上半徑0mm、40mm及78mm處不同水流流速對應的溫度值.同樣,從縱向、橫向及整體三個方向?qū)Ρ碇袛?shù)據(jù)圖4棒材截面2半徑40mm處不同水流流速對應的溫度曲線Fig.4Temperaturecurvesofthe40mm2radiuspointonCross2sec2tion2underdifferentcoolingwaterspeeds進行分析比較可以看出,水流流速對棒材冷

15、卻的影第7期張少軍等:冷卻水流量對大直徑棒材冷卻效果的影響規(guī)律915響規(guī)律與流量相同,且水流流速越小,各影響規(guī)律越顯著.表3冷卻200s時棒材三個截面上三個半徑值處不同水流流速對應的溫度值Table3Temperatureatthreepointsondifferentcross2sectionsunderdifferentcoolingwaterspeedswhenthecoolingtimewas200s速度/(ms-1)5101520300mm661608587575563截面140mm40636334834133378mm91655753490mm700635607590573截面24

16、0mm45339136935734578mm121796659520mm700635606589571截面340mm46039737336134878mm12683696255213冷卻器入口截面積對冷卻效果的影響規(guī)律設(shè)冷卻器入口截面積分別為S1=0100833m2、S2=0102346m和S3=0104524m,22分別為q=300,850,1630m3h-1,T=,冷卻水流流速v=10ms-1,=圖5,200s時棒材三個截面上半徑、40mm及78mm處不同冷卻器入口截面積對應的溫度值.從圖5及表4中可以看出,入口截面積對棒材冷卻效果的影響規(guī)律與流量相同.圖5棒材截面2半徑40mm處不同入口

17、截面積對應的溫度曲線Fig.5Temperaturecurvesofthe40mm2radiuspointonCross2sec2tion2underdifferentsectionalareasofthecoolersinletport表4冷卻200s時棒材三個截面上三個半徑值處不同冷卻器入口截面積對應的溫度值Table4Temperatureatthreepointsondifferentcross2sectionswithdifferentsectionalareasofthecoolersinletportwhenthecoolingtimewas200s截面10mm608591568

18、40mm36335033678mm6558500mm635582559冷卻器入口截面面積S1S2S3截面240mm39135133678mm7956480mm635579556截面340mm39735333778mm835750214冷卻器入口截面積與水流流速對棒材冷卻影響程度的比較為了比較冷卻器入口截面積S與水流流速v對棒材冷卻效果的影響程度,選取冷卻時間為200s,冷卻水溫T=30,流量q1=300m3h-1及q2=900m3h-1時的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比,其相關(guān)數(shù)3結(jié)論(1)冷卻水流量越大,冷卻效果越好.但當流量增大到一定值后,流量的繼續(xù)增大對冷卻效果的影響逐步減小.(2)決定流量的兩因

19、素入口截面積及水流流速對冷卻效果的影響規(guī)律與流量相同,但水流流速對冷卻效果的影響程度大于入口截面積.(3)在棒材長度方向上,越靠近冷卻水入口,冷卻溫度越低,即冷卻效果越好.離冷卻水入口越遠,冷卻溫度越高,且溫度變化越小.據(jù)如表5所示.分析兩組差值不難看出,在冷卻水流流速和冷卻器入口截面積這兩個決定冷卻水流量的因素中,冷卻水流流速v對冷卻效果的影響程度要高于冷卻器入口截面積S,且越靠近入水口差別越明顯.916北京科技大學學報表5冷卻200s,水溫30,流量q1=300m3h-1及q2=900m3h-1時水流流速與冷卻器入口截面積冷卻效果的比較第31卷Table5Comparisonofcooli

20、ngeffectbetweenthecoolingwaterspeedandthesectionalareaofthecoolersinletportwhenthecoolingtimewas200s,thecoolingwatertemperaturewas30,thewaterflowwas300m3h-1and900m3h-1respectively截面378mm7952277956230mm6355716463557940mm397348493973534478mm835532835726參數(shù)類別0mmq1(v=10ms-1,S=0100833m2)截面140mm36333330363

21、3501378mm654916655870mm6355736263558253截面240mm39134546391351406085634560859117vq2(v=30ms-1,S=0100833m2)差值q1(v=10ms-1,S=0100833m2)Sq2(v=10ms-1,S=01025m2)差值參考文獻1FengGC.Presentstateanddevelopmentofcontrolled2rollingandcontrolled2coolingtechnology.SichuanMetall,1996(1):73(馮光純.控軋控冷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.(73)2SunSH.the

22、irbriefintroductiononSteel,2005(4):24(孫慎宏.特鋼技術(shù),2005(4):24)3YuZH.ResearchonSprayControlledCoolingUniformityforHighTemperatureSteelPlateDissertation.Beijing:Universitytypeoftosteelrollinglines.reat,27(3):72(,祝賽華.湍流式高效穿水冷卻器在軋鋼生產(chǎn).工業(yè)水處理,2007,27(3):72)LuoM,ZhuSH,TangJ.InfluenceofThroughWatercoolingTechnologyOilMicrostructureandPropertyofBar.Rolling,2006,23(6):63Steel(羅敏,祝賽華,唐嘉.湍流式高效穿水冷卻工藝對棒材組織性能的影響.軋鋼,2006,23(6):63)8HanW.TemperatureFieldSimulationandMicrostructureandMechanicalPrope