槽钢控制冷却过程的数值模拟分析

全震，于晓光

（1.辽宁科技大学工程训练中心，辽宁鞍山114051；2.辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山114051）

槽钢控制冷却过程的数值模拟分析

全震1，于晓光2

（1.辽宁科技大学工程训练中心，辽宁鞍山114051；2.辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山114051）

为了制定更为合理的控冷工艺，本文以热轧Q235槽钢为研究对象，使用有限元软件对槽钢轧后控制冷却过程进行数值模拟分析，分别得到槽钢在三种不同冷却强度下的瞬态温度场、应力场及其相应的时间历程曲线分布。对比分析表明，空冷5 s、水冷6 s、回火7 s的B方案最好，合理的控冷参数能有效提高槽钢的综合力学性能。

槽钢；控制冷却；数值模拟；有限元分析

槽钢是现代钢材产品中应用较为广泛的产品，其截面形状较为复杂，轧制冷却后，内部存在有热应力及相变应力，造成了其综合性能无法达到要求。已有的研究表明，控轧控冷技术是改善槽钢综合力学性能的有效手段［1］。控制冷却技术推进了现代钢铁业的发展。20世纪60年代第一套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思432 mm窄带钢热轧机上，标志着传统控制冷却技术的兴起。随着技术的不断改进，到20世纪80年代，快速冷却技术的应用展现了现代控冷技术的发展成果。1980年，日本NKK福山制铁所首次将快速在线冷却技术应用于厚板生产线上。20世纪90年代中期，随着世界各国相继开始对超级钢的研究，超快速冷却技术开始应用，如比利时CRM钢铁厂就在其轧制线上配置了超快速冷却装置［2］。21世纪初，王国栋提出了以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术，即NG-TMCP技术，该技术实现了减量化、再循环、再利用、再制造［3］。

近年来，对于型钢控制冷却过程的研究大多是以单一控冷参数下进行，而不同控制冷却参数对槽钢性能的影响还未见诸文献。因此，本文以此为切入点，选择多种控制冷却参数，多角度地进行模拟分析，以期制定更为合理的控冷工艺。

1 控冷方案

1.1 建模

以20号Q235槽钢为模拟对象，尺寸为200 mm×75 mm×9 mm。选取建模长度为200 mm。采用SOLID5热—应力耦合单元划分网络模型，如图1所示。

图1 三维模型网络划分图Fig.13 D mesh of model

1.2 冷却方案

槽钢在空冷及回火阶段，与空气发生热传递，参考有关文献［4］，空气对流换热系数为

式中：TW为钢材温度，K；TC为环境温度，K；h为对流换热系数，W/m2·℃。

在水冷阶段，考虑外在因素［5］并参考文献［6］，得出对流换热系数为

式中：TS为钢材表面温度，℃；W为水流密度，L/m2·s；h为对流换热系数，W/m2·℃。

在数值模拟中，采用循环加载的方式对不同区域施加不同的对流换热系数。水冷阶段，采用分区式施加不同的水流密度，详见图2。本文共设定了三种冷却方案，如表1所示。根据槽钢生产中的实际情况，将模型所用的环境温度设定为25℃，槽钢轧后温度为900℃。

图2 控制冷却分区模型Fig.2 Controlled cooling partition mode

表1 冷却方案Tab.1 Cooling schemes

2 模拟结果与分析

如图3所示为A方案的温度场分布图。槽钢冷却后的整体温度分布均匀，腰腿连接部内侧的温度为689℃，是最高温度。为了达到温度均匀的效果，在腰腿连接处施加较大水流密度，而腰腿连接处外侧拐角位置的截面和厚度较小、冷却速度较快，所以最低温度发生在此处，为642℃。进入回火阶段，截面的温度随中心热量的传递而回升，内部温度分布趋于均匀，温差为47℃。回火后温度基本控制在640～700℃的合理范围内。

如图4所示为槽钢表面各节点温度随时间变化曲线。空冷5 s后，由于空冷的冷却速度较慢，槽钢各部分的温度变化几乎一样，均缓慢下降；水冷6 s后，由于不同位置采用了不同的水流密度，各节点的冷却速度不同，温度变化也就不同。经历回火7 s阶段后，各点温度逐渐趋于平稳，且各部分的之间存在小幅的温度差。

图5为A方案的等效应力场分布图。最大的应力发生在腰腿连接处外侧拐角。最小应力主要分布在两个脚部角端。最小应力为0.15 MPa，最大应力为74.3 MPa，应力分布均匀且小于Q235槽钢的屈服极限，分析结果满足要求。

图3 A方案的温度场分布图，℃Fig.3 Temperature contours of Aschem，℃

图4 A方案的温度场时间历程曲线Fig.4 Time course curve of temperature field

图5 A方案等效应力场分布图，MPaFig.5 Equivalent stress contours of Aschem,MPa

图6所示为B方案槽钢控制冷却结束后的温度场分布图。与A方案类似，冷却结束后，整体温度分布均匀，最高温度发生在腰腿连接处内侧，为697℃。最低温度发生在腰腿连接处外侧拐角，为653℃，温差为44℃。冷却18 s后槽钢的整体的温度趋于均匀。回火之后温度控制在640～700℃的合理范围内。

图6 B方案的温度场分布图，℃Fig.6 Temperature contours of B schem，℃

图7为B方案槽钢表面个节点温度场随时间变化曲线。节点的选取与A方案相同，由于腰腿连接处内侧的水流密度变小，该节点的温度变化曲线比A方案的变化幅度较小。各部分的最终温度较A方案的温度有小幅的升高。

图7 B方案的温度场时间历程曲线Fig.7 Time course curve of temperature field

图8为B方案的等效应力场分布图。最大的应力发生在腰腿连接处外侧拐角。最小应力主要分布在两个脚部角端。最小应力为0.48 MPa，最大应力为71.9 MPa，各部分应力均小于Q235槽钢的屈服极限，分析结果满足要求。

图8 B方案等效应力场分布图，MPaFig.8 Equivalent stress contours of B schem，MPa

如图9所示的C方案的槽钢温度场分布图。该方案中水冷时间增加到7 s，由于水冷时间加大，冷却速度加快，导致槽钢的冷却效果明显。最高温度仍然在腰腿连接部内侧稍微靠近腿部的位置，为587℃，最低温度仍为腰腿连接处外部拐角处，为540℃。因为二者都超出了Q235型钢力学性能较好的640～700℃温度范围，所以不符合实际要求。

图9 C方案的温度场分布图，℃Fig.9 Temperature contours of C schem,℃

图10为槽钢表面各节点的温度随时间变化曲线图。与方案A、B温度变化趋势基本一致。图11为C方案的等效应力场分布图，最大应力出现腰腿连接处外部拐角。最小应力主要分布在槽钢的两个脚部角端。最大应力为75.2 MPa，最小应力为0.05 MPa。

图10 C方案的温度场时间历程曲线Fig.10 Time course curve of temperature field

图11 C方案等效应力场分布图，MPaFig.11 Equivalent stress contours of C schem，MPa

3 三种方案的比较分析

图12为冷却终了三种方案的温度对比图。C方案的冷却效果最好，但其冷却后的温度不在Q235型钢较理想综合力学性能的温度范围640℃～700℃之内，所以C方案不符合要求。A、B方案的温度基本满足要求，A方案的冷却效果更好一些，但A方案的最大温差为47℃，高于B方案的最大温差44℃，且B方案的平均水流密度也小于A方案，耗水量较小。根据图13所示的三种方案间的最大等效应力对比图可知，B方案的最大应力均小于A、C方案，且远远小于Q235钢材的屈服强度值，应力分布也比较均匀，综合以上两种的分析比较，认为B方案为比较合理的方案。

图12 三种方案的温度比较图Fig.12 Temperature comparison diagram

图13 三种方案的应力比较图Fig.13 Stress comparison diagram

4 结论

本文设置了三种控制冷却方案，运用有限元软件ANSYS对三种方案下的热轧槽钢控制冷却过程进行数值模拟，分别得到瞬态温度场、应力场及其相应的时间历程曲线图。通过对比分析，得出三种方案中的B方案比较合理，说明了控制冷却过程中，水冷时间应控制在6 s、回火时间控制在7 s较好，槽钢不同部位施加不同的水流密度进行冷却，各节点的水流密度为Wa=1.1，Wb=2.8，Wc=3.8，Wd=4.8，We=5，Wf=Wg=Wb=2.8，控冷后的槽钢的力学性能较优。

［1］徐旭东，王秉新，刘相华，等.H型钢控制冷却的有限元模拟［J］.钢铁研究学报，2005，17（2）：30-33.

［2］袁国，王昭东，王国栋，等.控制冷却在板带材开发生产中的应用［J］.钢铁研究学报，2006，18（1）：1-5.

［3］王国栋.以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术［J］.上海金属，2008，30（2）：1-5.

［4］高守义，高颖.淬火冷却过程中的瞬态温度分布及组织分布的数学模拟［J］.大连理工大学学报，1989，29（2）：183-190.

［5］NAGASAKA Y，BRIMACOMBE J K，HAWBOLT E B.Mathematical model of phase transformations and elastoplastic stress in the water spray quenching of steel bars［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1993，24（4）：795-808.

Numerical simulation of control cooling process of channel steel

QUAN Zhen1，YU Xiaoguang2
（1.Engineering Training Center，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.School of Mechanical Engineering and Automation，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

In order to determine the optimum cotrolled cooling processes，the transient temperature field，stress field and its corresponding time history curve of Q235 channel steel under three different cooling was studied by using the finite element software.The process parameters of air cooling 5 s，water-cooled 6 s，temper 7 s was the optimum process in this study.

channel steel；controlled cooling；numerical simulation；finite element analysis

December 20，2016）

TG156

A

1674-1048（2017）02-0102-05

10.13988/j.ustl.2017.02.005

2016-12-20。

全震（1988—），男，辽宁鞍山人。