基于有限元分析的重轨终轧温度场数值模拟分析

郭喜平，崔立刚

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

重轨轧制后在冷床上终冷时所产生的弯曲度是影响重轨矫直后平直度的重要因素。在相同的变形条件时，矫直前所产生的弯曲度越大，矫直后就会出现越差的平直度。而且矫前弯曲度过大，需要较大的反弯变形量，同时需要的矫直力也就越大，耗能越大，与此同时重轨断面尺寸产生的畸变程度也就越大，此外，矫前弯曲度波动范围较大，还直接影响着矫直时工况的稳定性[1]。因此，要对终冷时产生的弯曲度以及残余应力进行研究，首先要对钢轨在轧制后冷却过程中的温度场进行研究。本文根据冷却的实际条件，考虑到重轨传导、辐射、对流等因素，采用ANSYS Workbench对钢轨在轧制后自然冷却过程中所产生的温度场进行数值模拟研究。

1 温度场分析

冷床上的空冷过程属于三维瞬态传热过程，三维瞬态温度场具体表达式如下：

第一类边界条件：

T=(x,y,z,t)=T0.

第二类边界条件：

q=h(Tw-T∞).

其中：ρ为重轨密度；c为重轨比热容；T0为重轨初始温度；T为重轨温度；t为时间；kx、ky、kz分别为重轨x、y、z方向的导热率；q为综合热流密度；h为综合换热系数；Tw为重轨的表面温度；T∞为流体的温度。

1.1 模型的建立

考虑到现场实际的情况，选取型号为U75V、60 kg/m的重轨进行模拟分析。选取重轨长度为2 000 mm，采用SolidWorks三维建模软件建立模型，划分网格后的有限元模型见图1。

图1 重轨有限元模型

1.2 重轨材料的热物理参数

重轨的材料为U75V，密度为7 850 kg/m3，是一种高碳微钒合金轨。重轨热物理参数[2-3]见表1。……