热轧钢板层流冷却过程的实验研究与数值模拟

摘要

目前，全世界每年生产的钢材中约有30％需要经过热轧形成板材，而热轧板材的性能取决于热轧后的冷却过程，即冷却速率和钢板温度的均匀性。因此，轧后控冷技术是钢铁工业中最重要的流程之一。虽然上世纪80年代开始应用的轧后控冷技术，尤其是近10年来才大量应用的层流冷却技术，已经大大提高了生产效率、降低了能源消耗，但其冷却能力的适应性、钢板内外温度的均匀性以及卷曲温度的准确性都远未达到人们的预期，并在实际生产过程中经常出现钢板翘曲、应力不均等问题，尤其对于中厚钢板更为严重。改善轧后控冷技术的关键在于深入理解过程参数对冷却过程的影响，从而根据钢板材料和所要求的性能等，准确控制过程参数。然而，由于层流冷却过程中的瞬态冲击沸腾换热相当复杂，钢板表面温度变化速率高达2100°C/s，并且影响因素众多，对其开展深入而系统的研究显然具有一定难度。 本文针对轧后控冷中的层流冷却过程，设计并搭建了较为通用可行的实验台。要想准确获得高温（800°C）高冷却速率（1200°C/s）条件下的测点温度，首先需要对热电偶的选取和埋置方法进行详细研究。这里选用镍镉-镍硅热电偶，利用“通孔/沉孔/盖片”方式埋置热电偶，结合NI的高速数据采集系统及Labview平台获得冷却过程中钢板内部距离上表面0.8mm处的温度瞬变特性。针对多种关键影响因素，如冷却水流量、管嘴直径、管嘴数量以及管嘴距离钢板表面的距离等，进行了较详细的实验。之后，建立了导热反问题模型以及三维非稳态有内热源的导热正问题模型，采用Fortran语言编制了相应的计算代码。反问题的计算结果采用简化的理论解进行验证，反问题则采用给定对流换热系数的正问题计算所的温度作为输入，而反演得到的对流换热系数与前面给定的数值进行比较。验证结果表明本文所建理论模型和编制的计算程序具有一定的可信度。利用导热反问题程序结合实验测量结果反演测点所对应壁面点的温度瞬变特性、对流换热系数以及壁面点的热流密度。从而为分析所考察参数对冷却过程的影响提供了完整的技术路线和平台。进而，利用正问题程序结合反演的对流换热系数以及钢板表面的分区技术，获得钢板内部所有位置的温度瞬变特性。研究结果表明，钢板表面不同位置的温度瞬变特性差别很大；随着撞击速度和撞击区域的增大，钢板内部温降增快，但多股水流的交会区域以及撞击区内的对流换热系数变化不大。本文的计算路线和研究结果可以为实际生产中层流冷却过程控制提供参考依据。