螺纹钢轧件热分析及轧件温度变化

螺纹钢轧件热分析及轧件温度变化

在螺旋钢圈生产过程中，每个圈的变形条件变化范围非常小，但单元的温度分布和变化非常大，这对产品的组织性能、尺寸精度和扰动过程的力能参数有很大影响。轧件温度是制定轧制工艺的基础,也是轧钢生产的主要控制参数。针对某典型螺纹钢生产线,采用中心差分方法,预测高铬和钼HRB400螺纹钢轧制过程中轧件温度分布及变化规律,并与实测值比较验证,以期为加热制度优化和穿水冷却参数确定提供理论基础和技术指导。1机组组合布置某厂典型螺纹钢生产线布置示意为图1,该生产线有17架轧机,其中粗轧机组7架、中轧机组4架、精轧机组6架,粗轧机组、中轧机组机架水平布置,精轧机组第13,15,17架为平立可转换布置,第12,14,16架为水平布置。关于孔型系统,V1为箱型,其余架次为椭圆—圆孔型交替布置。1.1u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000u3000定(1)轧件温度控制方程轧制过程中,螺纹钢长度尺寸远大于横断面尺寸,因此可忽略其轴向导热,考虑到该生产线孔型系统的特点,轧件传热可简化为二维问题。(2)轧辊温度控制方程轧辊高速运转,可忽略轧辊周向传热,故轧辊的热传导方程可简化为二维问题,见图2。轧辊与轧件在孔槽表面接触,且轧辊与轧件接触时间短暂,从轧件传入轧辊的热量在非接触期被轧辊冷却水带走,从轧件传入轧辊的热量在轧辊内传播距离远小于轧辊半径,因此假设轧辊半径处(DEF边)为绝热,研究单个轧槽,忽略其余轧槽的影响。式中:λg为轧辊导热系数,W×m-1×K-1;ρg为轧辊密度,kg×m-3;cg为轧辊比热,J×kg-1×K-1。1.2u3000讨论(2)轧件边界条件1)接触表面主要考虑轧件与轧辊之间的传热和摩擦热,轧件与轧辊接触面的传热非常复杂,影响因素很多,如轧件的温度、材质、表面氧化铁皮厚度等,是螺纹钢轧制过程中影响轧件表面温度变化的关键性边界问题。对于孔型轧制,轧辊与轧件是逐渐接触的,边界上同时存在轧件—轧辊换热和轧件—空气换热,为简化问题,忽略轧件—空气换热,轧件表面热流密度为:式中:q1为轧件表面热流密度,W×m-2;qm为摩擦功,W×m-2;Tg为轧辊表面温度;Tb为轧件表面温度;h1为轧件与轧辊之间的等效传热系数,W×m-2×K-1。2)h1的确定用手持式远红外线测温仪,测得现场轧件表面温度和轧辊表面温度,依据式(10)计算出摩擦功后,联立方程(1)和(2)求解,计算出轧件表面热流密度。通过对传热反问题的研究,反算求出h1值,并利用轧件延伸系数μ拟合,得到:3)自由表面主要考虑轧件与周围环境间的辐射换热,根据Stefan-Boltzmann定律有:式中:ε为轧件辐射率;σ0为Stefan-Boltzmann常数,W×m-2×K-4;T¥为环境温度,根据现场测量值选取。4)对称表面假设几何对称面上温度分布对称,故边界热流为:q1=0(8)(3)轧辊边界条件轧制期轧辊边界情况见图2,ABC面为接触面,主要考虑接触传热与摩擦热;CD面为自由表面,忽略轧辊与空气的对流换热;FA面为对称边;DEF面距离孔槽较远,轧辊与轧件接触时间短暂,从轧件传入轧辊的热量在轧辊内传播距离远小于轧辊半径,可作绝热处理,因此轧制期轧辊边界热流为:式中:qg为轧辊边界热流密度,W×m-2;rj为轧槽半径,m;εg为轧辊辐射率;φbg为轧件对轧辊的辐射角系数,R为轧辊半径,m。(4)摩擦功与变形功的计算变形热是在克服变形抗力时才产生,因此与材料的剪切抗力、剪切变速强度、变形区域的大小有关,变形功为:式中:K为剪切抗力,,MPa;H为剪切变速强度,s-1;为平均单位轧制压力,,MPa;σc为变形抗力,MPa;V为变形区体积,m3。2成品制冷速度坯料为165mm´165mm´16m,Φ22mm螺纹钢成品轧制速度为14.2m/s。考虑到对称性,取轧件横断面的1/4为研究对象,数值网格如图3,利用VB编程,耦合求解轧件与轧辊接触面传热,得到与轧件有关的温度分布。2.1u3000中轧机组的温降分析图4为沿轧线方向的轧件表面平均温度、横断面平均温度、心部温度的数值模拟结果,同时标明了现场实测的轧件表面温度。由图4可见,轧件表面温度测量值与计算值在粗轧机组和中轧机组段吻合较好;在中轧机组和精轧机组之间的空过段及精轧机组,少数测量值与计算值偏差较大,但最大相对误差小于5%。轧件在经过粗轧机组时,表面温降较大。因为上述架次轧制速度小,轧件与轧辊接触时间长,轧件散热量较多。随后架次的轧制速度越来越快,轧件与轧辊接触时间减短,轧件散热量减少,轧件表面温降减缓,甚至不明显。由于塑性变形功与剪切抗力、剪切变速强度塑性变形热的产生和传递,经过中轧机组后,轧件的表面温度、断面平均温度和心部温度均上跃。成品平均温度与钢坯出炉温度接近,而心部温度高于钢坯出炉温度,可见钢坯出炉温度对终轧温度影响显著。此外,利用Φ25mm螺纹钢测量数据,拟合的式(6)可供其它规格的螺纹钢温度场模拟使用。2.2轧件表层温度波动为进一步分析轧件内部温度分布,给出了精轧机组的第15,16和17道次后的轧件横断面温度分布,如图5。由图5可算出,第15,16,17道次后轧件表面平均温度和心部温度的差值分别为101,100,91℃。随轧制过程进行,轧件表面和心部温差在减小,但由于塑性变形功的影响,轧件断面平均温差仍然较大。另外由图6可看出第15和17道次轧件表层温度波动比第16道次的轧件表层温度波动小,可见椭圆轧件经过圆孔轧制后,轧件表面温度均匀性较好;而圆轧件经过椭圆孔轧制后,轧件表面层温度均匀性较差。3轧件温度分布建立了适合螺纹钢轧制过程二维导热数学模型,经过研究轧件与轧辊之间的传热,得到轧件与轧辊之间的等效传热系数公式。通过耦合求解轧件与轧辊接触面传热,得到轧件温度分布,研究表明:(1)塑性变形对小型型材轧件温度场的影响不能忽略。(2)椭圆轧件经过圆孔轧制后表面温度均匀性提高,而圆轧件经过椭圆孔轧制后的表层温度均匀性下降。式中:q为轧件内热源强度,W×m-3;主要为塑性变形热,在待轧期q=0;λ为轧件导热系数,W×m-1×K-1;ρ为轧件密度,kg×m-3;c为轧件比热,J×kg-1×K-1。(1)初始条件式中:T0为τ=0时刻轧件温度分布,其余轧制阶段初始条件为上一阶段结束时轧件温度分布;Tg0为轧辊与轧件刚接触时刻的温度分布,假设