带肋钢筋穿水冷却温度场数值模拟及应用

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带肋钢筋穿水冷却温度场数值模拟及应用

郏启友，徐立寰，潘时升

(马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂棒材分厂，安徽马鞍山 243000)

摘要：基于传热学的基本理论，以文氏管控冷设备为研究对象，建立了实体模型并确定了边界条件；结合生产现场，模拟了冷却水压力、温度和流量对轧件温度场的影响。并以模型指导生产，取得了可观的经济效益。

关键词：带肋钢筋；控制冷却；温度场；数值模拟

中图分类号：TG335．64 文献标识码：A 文章编号：1003—9996(2009)01—0036—03

1 前言

在带肋钢筋生产中，为了节约合金材料、简化工序、提高钢材强度、改善钢材的韧性和塑性等，常采用轧后穿水控制冷却工艺。控制冷却的关键在于对冷却参数(始冷温度、冷却水量、冷却水压等)的控制[1]。为了使该工艺的优势得到充分发挥，需对生产中的相关参数进行不断地探索和改进。图1示出国内某厂带肋钢筋生产线的布置概况。

2 数学模型的建立

2．1热传导方程

带肋钢筋穿水冷却时的温度场可简化为具有初始等温场的圆断面上温度分布的瞬态问题，且材料的热传导系数为常数，热传导方程为：

式中，λ为材料的导热系数，W／(m·K)；p为材料密度，kg／m3；c为材料比热，J／(kg·℃)。

2．2初始条件和边界条件

钢筋1／4断面示意图见图2。

式中，T0为带肋钢筋的初始温度，℃；Tf为冷却水温度，℃；R为带肋钢筋半径，m；r为带肋钢筋中心到表面的任意位置，m；h为等效热交换系数，W／(m2·K)。

3 数值模拟结果及验证

为缩短计算时间，取钢筋1／4截面进行分析，利用编制的程序进行数值计算，网格划分如图3所示。

3．1轧件温度场分布

本文所研究的生产线，现场使用了如图4所示的文氏管冷却器，其共有5段，每段长5m，在生产Ф22mm带肋钢筋时投入了第1段和第2段。

利用编制的程序，对Ф22mm带肋钢筋的穿水冷却过程进行计算，得到了各阶段的轧件断面温度场。为直观反应带肋钢筋在穿水冷却全过程中温度场的变化规律，分别给出带肋钢筋表面、芯部和1／2R处的温度变化曲线，见图5。

从图5可看出，Ф22mm带肋钢筋在穿水过程中，表面温度迅速下降，穿水后，表面温度迅速回升，芯部温度迅速下降，当钢筋上冷床时表面和芯部温度接近。

3．2冷却水的压力、温度和流量对轧件温度场的影响

为了解冷却水的压力、温度和流量对轧件温度的影响，模拟了冷却段轧件温度随冷却水的压力、温度和流量的变化情况，见图6。

从图6可知，冷却水温度对轧件穿水后的表面温度影响不大，而冷却水的压力(P)对轧件穿水温度的影响较大。因高温的带肋钢筋穿水时，其表面瞬间形成的蒸汽膜阻碍换热过程，借助冷却水的压力，使表层蒸汽膜不断打碎，从而改善钢筋表面与冷却水问的热交换条件，见图7。

从图7可看出，在钢筋穿水期间，冷却水流量增加时轧件表面温度下降速率增大。在冷却器确定的情况下，增加冷却水流量，冷却水压力随之增加，从而进一步改善膜态沸腾期轧件与冷却水间的热交换条件；而流量增加，导致冷却器中水流速度增加，利于改善核态沸腾期轧件与冷却水间的热交换条件。

3．3 模型验证

根据生产过程中冷却水参数的变化，计算了多组轧件上冷床的温度，并与测量值进行了比较，见图8。结果表明，计算值与测量值基本吻合，验证了模型的准确性。经本模型对现场冷却参数调整提供的技术指导，利用HRB335B钢种生产的G460带肋钢筋，其力学性能达到马钢内控标准，符合出口材要求，每吨钢可降低成本300元左右。