螺紋鋼空冷過程的溫度場模擬

賀宙彪 王曉燕

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

近年來，隨著計算機運行速度的不斷提高，有限元仿真技術在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的應用。如在熱軋鋼材軋后冷卻過程中，采用有限元法模擬中厚板控冷過程的二維溫度場［1］。

目前國內外對溫度場的仿真建模分析大都采用ANSYS有限元分析軟件，但是由于ANSYS中CFD的功能不夠好，所以一般采用流場軟件Fluent進行流體和固體的耦合傳熱分析。筆者利用Fluent軟件對螺紋鋼切分生產中，兩根螺紋鋼在冷床上空氣冷卻過程中的溫度場進行了模擬計算，得到了其在空氣冷卻過程中溫度場的變化規律，分析兩根螺紋鋼空冷產生翹曲現象的原因，并提出改進措施。

1 物理模型的建立

1.1 工況分析

冷床區是螺紋鋼棒材冷卻的主要場所，棒材在冷卻過程中的所有變形均發生在冷床上。小規格棒材切分生產中，在冷床的同一個齒槽內有兩根甚至兩根以上螺紋鋼棒材進行冷卻，因不同根螺紋鋼在齒條上位置不同，冷卻條件不一樣，冷卻速率不一致，收縮量不同，冷卻后的結果是多線螺紋鋼相互扭曲，一根棒材向另一根棒材上面爬行，嚴重的地方兩根棒材擰在了一起，成為了“麻花狀”，形成彎曲廢，制約了螺紋鋼切分生產的產品質量和生產效益的發揮。

冷床結構為步進梁齒條冷床，由摔直板、動齒條、靜齒條和對齊輥道等組成，長120 m，寬7.8 m，步進周期約為6 s，棒材在冷床上采用自然風冷卻方式。螺紋鋼兩切分生產中，兩根螺紋鋼進入冷床時會落在同一個齒槽內，通過現場測試，螺紋鋼在摔直板第一個齒槽內初冷時的溫度范圍為930℃ ～1080℃，平均約為1000℃。摔直板結構如圖1所示，摔直板的齒距為80 mm，齒形角為26°，厚度為17 mm，材料為鑄鐵。本體上設有通風孔如圖2所示。

由于同一棒材沿軸向溫度差別不大，因此建立兩線的橫截面冷卻模型，所仿真的溫度場結果就能達到精度要求。

圖1 摔直板結構剖面圖

圖2 摔直板通風孔分布圖

1.2 Gambit模型處理

以Φ16 mm螺紋鋼兩線切分生產冷卻時為例，用一個齒槽建立模型。為了模擬出通風孔的影響，在二維的模型中，在摔直板的板壁上，開設一系列的等效通風孔，孔徑從0到15 mm，目的是通過比較幾種等效通風孔下的溫度場結果，選取出最接近現場的溫度場作為結構分析的溫度數據。在為模型劃分網格時，棒材截面區域是我們關心的區域，其網格應劃分致密，以便于得出精確的結果。對于空氣區域，棒材附近的空氣對棒材的散熱有明顯的影響，棒材截面的對流換熱和熱輻射都受這一區域空氣的影響，所以棒材附近空氣區域的網格也應劃分的較為致密，至于其他空氣區域的溫度場不是本研究所關心的結果，所以在不影響計算精度的條件下應盡可能稀疏，以減少網格數目，提高運算速度，如圖3所示。網格劃分好后，可設置各邊界條件的類型。

圖3 Gambit模型網格圖

1.3 Fluent求解器選擇

本實驗中，只建立了螺紋鋼兩線的截面進行溫度場分析。由于對計算精度要求不是很高，可選擇二維的單精度求解器。

螺紋鋼的冷卻是熱傳導、熱對流、熱輻射三種散熱方式共同作用的結果。但本文中所研究的冷卻時段是螺紋鋼兩線剛進入冷床的摔直板區域的時候，平均溫度為1000℃。由于熱傳導與對流換熱量只與兩個物體熱力學溫度的一次方之差成正比，而輻射換熱量是與兩個物體熱力學溫度的四次方之差成正比，所以在溫差大時，輻射換熱量占有主要地位。因此在求解時必須加入輻射模型［2］。

在fluent熱傳導分析過程中主要用到的輻射模型有：Rosseland模型、P1模型、離散傳播輻射模型(DTRM)、離散坐標DO模型。

介質的光學厚度aL是選擇輻射模型的一個重要的參數。P-1模型最好用于光學厚度aL＞1的場合，在光學厚度aL＞3時，使用Rosseland模型。DTRM和DO模型對于任何的光學厚度均適用，但計算量大。當光學厚度aL＜1時，只能使用DTRM和DO模型［3］。

本研究中空氣的光學厚度aL=0.2，據此計算吸收系數a=2.5m-1，因此選用DTRM是最合適的。

2 仿真分析方案設計及計算

2.1 分析方案設計

在溫度場仿真分析中使用了四種物理模型模擬實際工況，分別為通風孔為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm，冷卻時間為30 s，采用 DTRM模型進行計算。為了弄清棒材在冷卻過程中是對流傳熱起主要作用還是輻射傳熱起主要作用，采用控制變量法，分別進行兩組模擬計算：

1)輻射條件不變(棒材的輻射率1 W/(sr·m2)且保持不變)，改變等效通風孔的大小，也就是改變對流傳熱的條件，進行仿真分析。

2)對流傳熱條件不變(等效通風孔固定為10 mm)，不斷改變棒材的輻射率，也就是改變輻射散熱的條件，進行仿真分析。

最后將所得的結果與現場測溫的結果相比較，選出吻合性好的結果，作為變形仿真的溫度場數據。

2.2 分析方案計算

將Gambit建立的網格模型輸出為*.msh文件，導入Fluent進行分析計算：

1)求解參數的設置。Solve→solution controls，設置Equations和Under-Relaxation Factors為默認值，Pressure為 Standard。

2)流場初始化。Solve→solution Initialization，設置compute form為inlet，溫度設置為300 K。

3)計算時，激活殘差曲線圖。Solve→Residual Monitors，設置 iterations為 1000，選擇 Plot，在計算時動態地顯示計算殘差。

4)開始迭代計算。Solve→Iterate，開始計算，設定迭代次數為100次，進行反復收斂。當求解器提示收斂以后，輸出結果。

3 仿真結果及其分析

3.1 定輻射率變通風孔仿真結果

輻射條件不變，改變等效通風孔的大小，選取了通風孔徑為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm四種情況進行分析，冷卻時間為30 s。結果如圖4所示。

圖4 不同通風孔徑下的冷卻情況

3.2 定通風孔變輻射率仿真結果

通風孔大小不變(選取的模型通風孔徑為10 mm)，選取了輻射率為 0.2、0.5、0.8、1 四種情況進行分析，冷卻時間為30 s。結果如圖5所示。

圖5 不同輻射率下的冷卻情況

3.3 數據統計

從仿真結果中提取溫度數據統計見表1，表2，模型冷卻時間均為30 s。

表1 定輻射率變通風孔模型溫度統計

表2 定通風孔變輻射率模型溫度統計

3.4 仿真結果分析

1)在輻射條件不變的情況下，增大通風孔，改善對流換熱的條件，對棒材的冷卻效果并沒有太大的影響，等效通風孔每增大5 mm，冷后棒材的最高溫度降低不超過6℃，而冷后棒材的最低溫度基本上不變，說明熱對流不是棒材主要的散熱方式。

2)在對流換熱條件不變的情況下，在仿真中人為地減小棒材的輻射率，發現對冷卻結果影響很大。冷后的最高溫度相差達到67℃。棒材輻射率的改變，嚴重地影響到最后的冷卻結果。

3)棒材在冷卻過程中，雖然存在熱對流與熱輻射兩種散熱方式，但是其主導作用的卻是熱輻射。

4)等效通風孔為10 mm，棒材輻射率取為1時所得的結果，冷后棒材最高溫度與最低溫度差為42℃，棒材的冷卻速率在3.7℃/s～5.1℃/s，與現場測溫所得溫差40℃和冷卻速率4.5℃/s吻合良好。

4 改進方案的提出

4.1 改進方案

從分析結果可以看出，在棒材的冷卻初期，熱輻射是主要的散熱方式。由于兩根棒材沿長度方向有接觸，因此在接觸地方形成一個局部高溫，使得棒材沿圓周方向，形成了不均勻的溫度場。

棒材截面溫度場分布不均，導致螺紋鋼在冷卻時不同部位的收縮程度不一樣，是螺紋鋼空冷翹曲的原因，同時兩根螺紋鋼表面橫肋間的相互咬合，會加劇棒材的翹曲。

因此，可以采用平底齒槽結構，通過改變兩棒材在空間的相對位置，一方面使兩棒材間的溫度場分布相似，另一方面是減小兩棒材接觸面上的法向壓力，減輕橫肋的咬合作用，從而降低棒材的翹曲現象。

4.2 模型分析

為驗證齒槽改成平底的效果，重新建立一個棒材模型，按照將齒槽底改成平底，距齒頂高為15 mm，其余計算參數不變，進行分析(如圖6所示)。

由圖6可以看出：①雖然溫度場沿棒材橫截面分布不均的現象依然存在，但是溫度場變化梯度降低，單根棒材上的最高溫與最低溫差，一根棒材為24.25℃，另一根為26.18℃;②兩根棒材上的溫度場分布情況相似，等溫線的分布基本上對稱。如果兩根棒材均向高溫側彎曲，則變形會相互受限制，兩根棒材相互制約，減小變形趨勢。

圖6 改進后的仿真模型及仿真結果

5 改進方案的實施及效果

5.1 方案實施

通過以上分析，將動靜齒條齒槽形都改成平底，可有效地解決螺紋鋼冷卻過程中產生的翹曲問題。但是由于棒材生產機組的產品規格還包括Φ14 mm～Φ28 mm圓鋼，單根圓鋼產品落在平底齒槽內，冷卻時沿齒長方向不受控制，不利于矯直。因此在實際生產中，只將動齒條改成平底齒槽。生產現場采用在動齒條側面貼平板的方法，來達到平底的效果。

5.2 效果驗證

改進方案實施后，有效地治理了螺紋鋼切分生產時的彎曲度超差問題。抽樣檢查10次，Φ16 mm螺紋鋼兩切分的成品棒材彎曲度結果見表3，改造后合格率由70%提高到100%。確保螺紋鋼的彎曲度在國家規定范圍內(按企業內部標準規定：每米彎曲度在≤4 mm，總彎曲度不超過鋼材總長度的0.4%)，提高了產品質量，提高了產品定尺率和成材率。

表3 改進前后棒材每米彎曲度對比 mm/m

6 結論

1)通過利用FLuent軟件對螺紋鋼空冷過程溫度場進行解析，DTRM輻射模型所得模擬結果能正確反映出螺紋鋼空冷時的冷卻規律。在棒材的冷卻初期，熱輻射是主要的散熱方式，對流散熱對棒材的冷卻影響較小。

2)螺紋鋼空冷翹曲是由橫截面上溫度場分布不均和螺紋鋼橫肋相互咬合共同作用的結果。

3)通過采用平底齒槽結構，改變了棒材的在空間的相對位置，可以使兩棒材間的溫度場分布相似，同時減小了棒材接觸面上的法向壓力，減輕橫肋的咬合作用，從而有效地降低了棒材的翹曲現象。

［1］ 王寶同，王邦文，賈愛紅，等.中厚板控冷過程三維溫度場的數值模擬［J］.冶金設備，2005(6)：10-13.

［2］ 曹林瑞.熱軋生產新工藝技術與生產設備操作實用手冊［M］.北京：中國科技文化出版社，2006：1290-1291.

［3］ 溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計算應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2009：80-85.