連軋工字鋼溫度場的數(shù)值模擬

回士旭,劉戰(zhàn)英,王郁倩,回士敏

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北省冶金技術(shù)重點實驗室,河北 唐山063009;2.首鋼遷鋼公司)

0 引 言

對于工字鋼的軋制來說,由于產(chǎn)品的斷面形狀與坯料有明顯區(qū)別,所以軋制工字鋼時,它的斷面變形時不均勻的。同樣,工字鋼斷面溫度的變化也不均勻,它的腿部溫降快,腰部溫降慢。

1 初始條件的選取

熱傳導(dǎo)溫度場的計算中,常用的初始條件為:

其中:T0(x,y,z)表示在t=0時的溫度分布狀態(tài)。

把軋件初始溫度場視為均勻溫度場,初始溫度選取為1150℃,中軋溫度為1070℃,終軋溫度為960℃,空氣溫度設(shè)為20℃。以軋件的1/4建立有限元模型,軋件材質(zhì)為Q235,采用Quad 4node55單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

對流邊界條件的選取根據(jù)傳熱學(xué)理論及相關(guān)文獻(xiàn)中經(jīng)驗公式[1],結(jié)合現(xiàn)場溫度,試件與環(huán)境的對流換熱系數(shù)取0.02N/(mm?s?℃);由于金屬變形和接觸面的摩擦使得軋件產(chǎn)生溫升,其熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9;輻射率ε=0.8;一般情況下軋件與軋輥之間的接觸熱傳導(dǎo)還是用接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)來簡化處理[2],導(dǎo)熱系數(shù)取30W/(m2?℃)。

Q235鋼種標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分和模擬試樣的化學(xué)成分如表1所示:

表1 Q235的化學(xué)成分(%)

2 模擬結(jié)果及分析

圖1 第一道次軋件的溫度場云圖和等值線圖

實體建模時,考慮到與軸向傳熱相比,長度方向傳熱很小,故將問題簡化為二維問題來求解。因此我們可以在軋件的縱向上選取一界面作為軋件的代表界面,依此來研究軋件在軋制過程中溫度的變化。因此我們可以用斷面溫度場(二維)的變化來研究工字鋼連軋過程中溫度場的變化情況。

上圖為工字鋼第一,六,十三道次的溫度場云圖和等值線圖。從圖中可以看出,軋件表面節(jié)點的溫度變化很大,熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在軋件與軋輥接觸的區(qū)域,冷的軋輥與熱的軋件相接觸,熱量很快傳到軋輥上,熱量在軋輥內(nèi)部傳遞;由于軋輥總是在旋轉(zhuǎn)著,當(dāng)軋輥與軋件不接觸的時候,軋件與空氣發(fā)生對流、輻射換熱,再次與軋件接觸時,又與軋件進(jìn)行熱交換。這樣的循環(huán)過程使軋件表面溫度下降很快。

從軋件表面看,軋件內(nèi)部溫度高于表面溫度,熱傳導(dǎo)只是發(fā)生在變形區(qū)中的接觸瞬間,由于變形速度快,接觸時間短,這種溫度急劇下降的情況在軋件出變形區(qū)后,由于受到軋件心部高溫區(qū)的熱傳導(dǎo)作用,軋件表面溫度就會回升。

在前幾道次箱形孔軋制過程中,端部溫降最快,兩邊次之,中心最慢如圖1;在后幾道次異形孔軋制過程中,端部溫降最快,腿部和腰部次之如圖2,腿腰結(jié)合處最慢如圖3。

從圖1中可以看出,前幾道次軋件心部與邊部溫降大約相差50℃左右;從圖3中可以看出后幾道次軋件心部與腿部溫降大約相差70℃左右。

綜上所述,熱傳導(dǎo)是影響軋件溫度的主要因素,對流、輻射換熱對軋件的溫度的影響很小;因此,在模擬的過程中,傳熱系數(shù)的選取非常重要,它直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性;總體上軋件端部溫降最快,心部較慢。

3 結(jié) 論

(1)用ANSYS有限元軟件分析溫度場的變化過程,能正確反映連軋工字鋼軋制過程中溫度的變化規(guī)律

(2)軋輥與軋件的熱傳導(dǎo)對溫度影響很大,軋件的對流、輻射換熱對溫度的影響很小。

(3)軋件的邊部溫降較快,腰和腿部較慢,尤其腿腰結(jié)合處,溫降最慢。

[1] 閻軍,鹿守理.角鋼蝶式限制寬展的三維有限元分析[J].塑性工程學(xué)報,2000,17:12～15.

[2] H型鋼萬能軋制變形分析.重型機(jī)械[J].2005(1):23～25.