冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律

D01:10.133741.isml00103x.2009.07.27 第31卷第7期 北京科技大学学报 Vol.31 No.7 2009年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul 2009 冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 张少军邵鸿丽王令宝 杨春彦 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要利用有限元耦合场数值模拟计算方法，对大直径棒材穿水冷却过程进行了三维非稳态数值模拟，研究了冷却水流量 对冷却效果的影响规律，并分析了决定冷却水流量的两个因素一冷却器入口截面积及冷却水流流速对冷却效果的影响程 度.模拟结果表明：当流量相对较小时，流量的改变对冷却效果的影响较大：当流量增大到一定值后，随着流量的继续增大，对 冷却效果的影响逐渐减小：冷却水流流速对冷却效果的影响程度大于冷却器入口截面积. 关键词棒材：控冷：数值模拟：影响因素：冷却水流量 分类号TG335.6+2:TG162.8 Influential rule of cooling water flow on the cooling effect of big bars ZHANG Shao-jun.SHAO Hong-li.WANG Ling-bao.Y ANG Chun-yan School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT A numerical calculation me thod of finite element coupling field w as used to simulate the cooling process of big bars.The influential rule of cooling water flow on the cooling effect w as obtained by analy zing the numerical result.Moreover.the influence de- grees of two factors,the sectional area of the cooler's inlet port and the velocity of oooling water.were compared.The results show that when the cooling w ater flow is relative small.its change has significantly influence on cooling effect:but when the cooling w ater flow is relative large.the difference in cooling effect isinappreciable.In addition,the cooling water velocity has a larger influence on cooling effect than the sectional area of the cooler's inlet port. KEY WORDS bars controlled cooling:numerical simulation;influential factors cooling water flow 控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数（开冷 1模型的建立及其数值模拟 温度、终冷温度和冷却速度)进行合理控制，为钢材 相变做好组织准备，并通过控制相变过程的冷却速 1.1物理模型的建立 度，达到控制钢材组织状态、各种组织的组成比以及 在目前所应用的小直径棒材的控冷设备中，带 碳氮化合物析出等，从而提高和改善钢材的综合力 有凹槽的冷却器对棒材的冷却效果最好，故在研究 学性能与使用性能②.控冷技术在板材、带材、线 中采用带有凹槽的冷却器结构).图1为冷却器 材及小直径(60mm以下)棒材生产中的应用已逐渐 及被冷却棒材的物理模型图. 趋于成熟：而在大直径棒材的生产中，目前国 图1中各尺寸为：冷却管道内壁直径D=350 内、外对此研究甚少，技术应用还处于空白.如果参 mm,八个凹槽均匀分布；凹槽槽底与槽顶半径之比 照小直径棒材，对大直径棒材也采用穿水冷却的方 R':R=1L.3:冷却器长L=2000mm;入水口环形 式进行控冷，则由冷却水流流速和冷却水流截面积 槽外径d1=207.4mm,环形槽内径d2=180mm,槽 所决定的冷却水流量对棒材的冷却效果有着直接的 深h1=50mm:两出水口为直径d3=100mm、深 影响.因此，在对大直径棒材的穿水控冷过程中，首 h2=50mm的圆柱形，水平方向对称布置：棒材直径 先要掌握冷却水流量对冷却效果的影响规律. d=160mm,开冷温度1000℃，均匀分布. 收稿日期：200809-25 作者简介：张少军(1957-)，男，教报，E-maik sjzhang2004@yahm.cmm.cm

冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 张少军 邵鸿丽 王令宝 杨春彦 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 利用有限元耦合场数值模拟计算方法, 对大直径棒材穿水冷却过程进行了三维非稳态数值模拟, 研究了冷却水流量 对冷却效果的影响规律, 并分析了决定冷却水流量的两个因素———冷却器入口截面积及冷却水流流速对冷却效果的影响程 度.模拟结果表明:当流量相对较小时, 流量的改变对冷却效果的影响较大;当流量增大到一定值后, 随着流量的继续增大, 对 冷却效果的影响逐渐减小;冷却水流流速对冷却效果的影响程度大于冷却器入口截面积. 关键词 棒材;控冷;数值模拟;影响因素;冷却水流量 分类号 TG335.6 +2 ;TG 162.8 Influential rule of cooling water flow on the cooling effect of big bars ZHANG Shao-jun, S HAO Hong-li, WANG Ling-bao, Y ANG Chun-yan S chool of Mechanical Engineering, University of S cience and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT A numerical calculatio n me thod of finite element coupling field w as used to simulate the cooling process of big bars.The influential rule of cooling water flow on the cooling effect w as obtained by analy zing the numerical result .Moreov er, the influence de￾g rees of two factors, the sectio nal area of the cooler' s inlet port and the velocity of cooling water, were compared .The results show that when the cooling w ater flow is relative small, its change has significantly influence on coo ling effect ;but when the cooling w ater flow is rela tive large, the difference in cooling effect isinappreciable.In addition, the cooling w ater velocity has a larger influence on cooling effect than the sectional area of the cooler' s inlet port . KEY WORDS bars;controlled cooling;numerical simulation ;influential factors;cooling water flow 收稿日期:2008-09-25 作者简介:张少军( 1957—) , 男, 教授, E-mail:sjzhang2004@yahoo .com .cn 控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数( 开冷 温度、终冷温度和冷却速度) 进行合理控制, 为钢材 相变做好组织准备, 并通过控制相变过程的冷却速 度, 达到控制钢材组织状态、各种组织的组成比以及 碳氮化合物析出等, 从而提高和改善钢材的综合力 学性能与使用性能[ 1-2] .控冷技术在板材 、带材 、线 材及小直径( 60 mm 以下) 棒材生产中的应用已逐渐 趋于成熟 [ 3-5] ;而在大直径棒材的生产中, 目前国 内、外对此研究甚少, 技术应用还处于空白.如果参 照小直径棒材, 对大直径棒材也采用穿水冷却的方 式进行控冷, 则由冷却水流流速和冷却水流截面积 所决定的冷却水流量对棒材的冷却效果有着直接的 影响.因此, 在对大直径棒材的穿水控冷过程中, 首 先要掌握冷却水流量对冷却效果的影响规律 . 1 模型的建立及其数值模拟 1.1 物理模型的建立 在目前所应用的小直径棒材的控冷设备中, 带 有凹槽的冷却器对棒材的冷却效果最好, 故在研究 中采用带有凹槽的冷却器结构[ 6-7] .图 1 为冷却器 及被冷却棒材的物理模型图 . 图 1 中各尺寸为 :冷却管道内壁直径 D =350 mm, 八个凹槽均匀分布 ;凹槽槽底与槽顶半径之比 R′∶R =1∶1.3 ;冷却器长 L =2 000 mm ;入水口环形 槽外径 d1 =207.4mm, 环形槽内径 d2 =180 mm, 槽 深 h1 =50 mm ;两出水口为直径 d3 =100 mm 、深 h2 =50 mm 的圆柱形, 水平方向对称布置 ;棒材直径 d =160 mm, 开冷温度 1 000 ℃, 均匀分布 . 第 31 卷 第 7 期 2009 年 7 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.7 Jul.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.07.027

第7期 张少军等：冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 ·913。 86 冷却器内壁 入水环形槽 出水口 出水口 入水环形槽 图1冷却器及被冷却棒材的物理模型 Fig.I Physical model of a cooer and a cooled bar 棒材材料为20MnSi,其热物性参数参照表19. ,子w 表1棒材材料20MnSi的热物性参数 -+{登+梦+周+斤w Table 1 Thermophysical parameters of 20MnSi bars 式中，P为流体的密度，p为管内流体的压力，“为 温度℃导热系数/(W·m-℃-)比热容/（小kg-.℃-） 流体的动力黏度.Fx、F,和F:分别为微元体上的 27 41.0 434 体力.若体力只有重力，且y轴竖直向上，则Fx= 127 422 487 0,F=-Pg,Fz=0. 327 39.7 559 (3)能量守恒方程： 527 35.0 685 aeT)eut)evT)ewT) dx dz 727 27.6 1090 1000 220 536 。+。别++s 12控制方程 式中，c?为比热容，T为温度，ST为流体的内热源 流体流动要受物理守恒定律的支配.基本的守 及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分， 恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守 1.3边界条件 恒定律.控制方程是这些守恒定律的数学描述.在 在棒材冷却的数值模拟过程中，冷却模型所要 棒材的冷却过程中，流体为非定常不可压流体流动， 定义的边界主要包括流体进口、出口及壁面边界条 满足质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方 程g 件.这里入口边界条件设定为流体速度入口，在流 动出口边界处采用流体自由出口边界条件，同时在 (1)质量守恒方程（也称连续性方程）： 固体壁面采用无滑移的壁面边界条件. ++=0 (1) 2数值模拟结果与分析 式中，、v和w为流体质点x、y和z方向的速度分 量. 冷却水流量主要由冷却器入口面积S及冷却 (2)动量守恒方程（也称运动方程）： 水流流速y决定.所以，首先分析水流量对棒材冷 却的影响规律，然后再研究比较冷却水流流速ⅴ、入 口截面积S对冷却效果的影响程度. +到 +Fx(2) 在分析中，从入水侧到出水侧定义三个截面，即 p∂x2 截面1、截面2和截面3，将棒材均分为四段，如图2 所示.对每个截面，在半径方向上取距芯部分别为 dx +w az 0,10,20,30,40,50,60,70和78mm的九个半径值 o ax +F, (3) (注：实际为在同一截面相同半径上的不同点处取 点，且确保所取点在棒材网格上.由大量计算结果 u3x+v,+w2一 知，虽然在同一半径上的不同点处其冷却温度不尽

图 1 冷却器及被冷却棒材的物理模型 Fig.1 Physical model of a cooler and a cooled bar 棒材材料为 20MnSi, 其热物性参数参照表 1 [ 8] . 表1 棒材材料 20MnSi 的热物性参数 Table 1 Thermophysical parameters of 20MnSi bars 温度/ ℃ 导热系数/ ( W·m -1·℃-1 ) 比热容/ ( J·kg -1·℃-1 ) 27 41.0 434 127 42.2 487 327 39.7 559 527 35.0 685 727 27.6 1 090 1 000 22.0 536 1.2 控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配, 基本的守 恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守 恒定律 .控制方程是这些守恒定律的数学描述 .在 棒材的冷却过程中, 流体为非定常不可压流体流动, 满足质量守恒方程 、动量守恒方程以及能量守恒方 程 [ 9-10] . ( 1) 质量守恒方程( 也称连续性方程) : u x + v y + w z =0 ( 1) 式中, u 、v 和 w 为流体质点 x 、y 和z 方向的速度分 量. ( 2) 动量守恒方程(也称运动方程) : u u x +v u y +w u z = - 1 ρ p x + μ ρ 2 u x 2 + 2 u y 2 + 2 u z 2 +F x ( 2) u v x +v v y +w v z = - 1 ρ p y + μ ρ 2 v x 2 + 2 v y 2 + 2 v z 2 +Fy ( 3) u w x +v w y +w w z = - 1 ρ p z + μ ρ 2 w x 2 + 2 w y 2 + 2 w z 2 +Fz ( 4) 式中, ρ为流体的密度, p 为管内流体的压力, μ为 流体的动力黏度.F x 、Fy 和 Fz 分别为微元体上的 体力.若体力只有重力, 且 y 轴竖直向上, 则 Fx = 0, Fy =-ρg, Fz =0 . ( 3) 能量守恒方程: ( ρT) t + ( ρuT) x + ( ρvT) y + ( ρw T) z = x k cp T x + y k cp T y + z k cp T z +S T ( 5) 式中, cp 为比热容, T 为温度, S T 为流体的内热源 及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分 . 1.3 边界条件 在棒材冷却的数值模拟过程中, 冷却模型所要 定义的边界主要包括流体进口、出口及壁面边界条 件 .这里入口边界条件设定为流体速度入口, 在流 动出口边界处采用流体自由出口边界条件, 同时在 固体壁面采用无滑移的壁面边界条件 . 2 数值模拟结果与分析 冷却水流量主要由冷却器入口面积 S 及冷却 水流流速 v 决定 .所以, 首先分析水流量对棒材冷 却的影响规律, 然后再研究比较冷却水流流速 v 、入 口截面积 S 对冷却效果的影响程度 . 在分析中, 从入水侧到出水侧定义三个截面, 即 截面 1 、截面 2 和截面 3, 将棒材均分为四段, 如图 2 所示 .对每个截面, 在半径方向上取距芯部分别为 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 和 78 mm 的九个半径值 (注 :实际为在同一截面相同半径上的不同点处取 点,且确保所取点在棒材网格上.由大量计算结果 知, 虽然在同一半径上的不同点处其冷却温度不尽 第 7 期 张少军等:冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 · 913 ·

。914 北京科技大学学报 第31卷 相同，但差别不大.所以用各半径上一个点的冷却 1000 温度代表同一半径上的冷却温度). 900 水流量(m3.h) 。300。-600合9001277 800 截面1、 ,截面2 截面3 1629·2443+3257 人水口 出水口 700 网 400 300 图2棒材三个截面所取位置 20003050709010130150170190210230 Fig.2 Positioning of cmosssections on abar 时间/s 21冷却水流量对冷却效果的影响规律 图3棒材截面2上半径40mm处不同水流量对应的温度曲线 取冷却水流量分别为g=300,600,900,1277, Fig.3 Temperature curves of the 40mmrradus point on Cross-sec- 1629,2443.3257m3h1(各流量对应的冷却水速 tion 2 under different cooling w ater flows 度及冷却器入口截面积不尽相同)，冷却水温T= 0mm、40mm及78mm处各流量对应的温度.比较 30℃冷却时间1=240s. 表中纵向数据可以看出，在三个截面处，流量越大冷 图3所示为不同水流量对应的棒材截面2上半 却效果越好，但随着流量的增大，其对冷却效果的影 径40mm处的温度曲线.比较图3中各曲线可以看 响程度逐渐减小.比较表中横向数据可以看出，截 出，在冷却前20s内，各流量值对应的温度差别较 面1与截面2的温度差别较大，而截面2与截面3 小，随着冷却时间的延长，温度差别趋于明显：在整 的温度差别细微.综合比较可见，冷却水流量对截面 个冷却过程中，当g≥900m3h-1时，流量的增大对 1的冷却效果较截面2、截面3处显著，这主要是由于 棒材的冷却效果影响不大， 在热交换过程中棒材表面沸腾膜的产生以及冷却水 表2仅列出冷却200s时，棒材三个截面上半径 温的升高，使水的流动过程中换热效率降低所致. 表2冷却200s时棒材三个截面上三个半径值处不同水流量对应的温度值 Table 2 Temperature at three points on different cross-sections under different cooling water flows when the cooling time wa 200s ℃ 流量/ 截面1 截面2 截面3 (m3h-) 0mm 40 mm 78mm 0mm 40mm 78 mm 0mm 40mm 78mm 300 608 363 65 635 391 79 635 397 83 600 575 341 53 590 357 59 589 361 62 900 563 333 49 573 345 52 571 348 55 1277 575 340 52 567 341 50 563 342 52 1629 568 336 50 559 336 48 556 337 60 2443 559 330 公 551 330 45 547 332 47 3257 554 326 46 547 327 44 543 329 46 22冷却水流流速对冷却效果的影响规律 1000 取冷却水流流速分别为v=5,10,15,20,30 850 ◆5ms1 10 m.s ms1,对应的水流量分别为g=150,300,450, +15m+s1*20m-81 600,900m3h1,冷却水温T=30℃，冷却时间t= 2700 240s. 用550 图4所示为棒材截面2上半径40mm处不同水 400 斋李斋青含斋亲亲亲亲 ◆-30m.s1 流流速对应的温度曲线.由图4中曲线可以看出， 2501030507090110130150170190210230 在冷却过程中，五个水流流速度值对应的温度值都 H时同s 有明显的差别，且流量越小，温度差别越显著， 图4棒材截面2半径40mm处不同水流流速对应的温度曲线 表3仅列出冷却200s时，棒材三个截面上半径 Fig.4 Temperature curves of the 40mmr madus point on Cross-sec- 0mm、40mm及78mm处不同水流流速对应的温度 tion 2 under different cooling w ater speeds 值.同样，从纵向、横向及整体三个方向对表中数据 进行分析比较可以看出，水流流速对棒材冷却的影

相同, 但差别不大 .所以用各半径上一个点的冷却 温度代表同一半径上的冷却温度) . 图 2 棒材三个截面所取位置 Fig.2 Positi oning of cross-sections on a bar 2.1 冷却水流量对冷却效果的影响规律 取冷却水流量分别为 q =300, 600, 900, 1 277, 1 629, 2 443, 3 257 m 3·h -1 ( 各流量对应的冷却水速 度及冷却器入口截面积不尽相同), 冷却水温 T = 30 ℃, 冷却时间 t =240 s . 图 3 所示为不同水流量对应的棒材截面 2 上半 径 40 mm 处的温度曲线 .比较图 3 中各曲线可以看 出, 在冷却前 20 s 内, 各流量值对应的温度差别较 小, 随着冷却时间的延长, 温度差别趋于明显;在整 个冷却过程中, 当 q ≥900 m 3·h -1时, 流量的增大对 棒材的冷却效果影响不大 . 表 2 仅列出冷却 200 s 时, 棒材三个截面上半径 图 3 棒材截面 2 上半径 40 mm 处不同水流量对应的温度曲线 Fig.3 Temperature curves of the 40 mm-radius point on Cross-sec￾ti on 2 under diff erent cooling w at er flows 0 mm 、40 mm 及 78 mm 处各流量对应的温度.比较 表中纵向数据可以看出, 在三个截面处, 流量越大冷 却效果越好, 但随着流量的增大, 其对冷却效果的影 响程度逐渐减小 .比较表中横向数据可以看出, 截 面 1 与截面 2 的温度差别较大, 而截面 2 与截面 3 的温度差别细微.综合比较可见, 冷却水流量对截面 1 的冷却效果较截面 2 、截面 3 处显著, 这主要是由于 在热交换过程中棒材表面沸腾膜的产生以及冷却水 温的升高, 使水的流动过程中换热效率降低所致. 表 2 冷却 200 s 时棒材三个截面上三个半径值处不同水流量对应的温度值 Table 2 Temperature at three points on diff eren t cross-sections under different cooling water flow s w hen the cooling time w as 200 s ℃ 流量/ ( m 3·h -1 ) 截面 1 截面 2 截面 3 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 300 608 363 65 635 391 79 635 397 83 600 575 341 53 590 357 59 589 361 62 900 563 333 49 573 345 52 571 348 55 1 277 575 340 52 567 341 50 563 342 52 1 629 568 336 50 559 336 48 556 337 60 2 443 559 330 47 551 330 45 547 332 47 3 257 554 326 46 547 327 44 543 329 46 2.2 冷却水流流速对冷却效果的影响规律 取冷却水流流速分别为 v =5, 10, 15, 20, 30 m·s -1 , 对应的水流量分别为 q =150, 300, 450, 600, 900 m 3 ·h -1 , 冷却水温 T =30 ℃, 冷却时间 t = 240 s . 图4 所示为棒材截面2 上半径 40mm 处不同水 流流速对应的温度曲线.由图 4 中曲线可以看出, 在冷却过程中, 五个水流流速度值对应的温度值都 有明显的差别, 且流量越小, 温度差别越显著 . 表 3 仅列出冷却 200 s 时, 棒材三个截面上半径 0mm 、40 mm 及 78mm 处不同水流流速对应的温度 值.同样, 从纵向、横向及整体三个方向对表中数据 图 4 棒材截面 2 半径 40 mm 处不同水流流速对应的温度曲线 Fig.4 Temperature curves of the 40 mm-radius point on Cross-sec￾ti on 2 under diff erent cooling w at er speeds 进行分析比较可以看出, 水流流速对棒材冷却的影 · 914 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第7期 张少军等：冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 915。 响规律与流量相同，且水流流速越小，各影响规律越 显著. 表3冷却200：时棒材三个截面上三个半径值处不同水流流速对应的温度值 Table 3 Temperature at three points on different cross-sections under different cooling water speeds when the cooling time was 200s 速度/ 截面1 截面2 截面3 (m's-) 0mm 40 mm 78mm 0mm 40mm 78 mm 0mm 40mm 78mm 661 406 91 700 453 121 700 460 126 10 608 363 65 635 391 79 635 397 83 15 587 348 57 607 369 66 606 373 69 20 575 341 53 590 357 59 589 361 62 30 563 333 49 573 345 52 571 348 55 2.3冷却器入口截面积对冷却效果的影响规律 1000 设冷却器入口截面积分别为S1=0.00833m2、 +SS2S 850 S2=0.02346m2和S3=0.04524m2,对应的水流量 700 分别为q=300,850,1630m3h-1,冷却水温T=30 ℃，冷却水流流速v=10ms,冷却时间1=240s. 则550 图5为棒材截面2上半径40mm处不同冷却器 400 裙 入口截面积对应的温度曲线，表4为冷却200s时棒 25003050709010130150170190210230 材三个截面上半径0mm、40mm及78mm处不同冷 时间s 却器入口截面积对应的温度值. 图5棒材截面2半径40mm处不同入口截面积对应的温度曲线 从图5及表4中可以看出，入口截面积对棒材 Fig.5 Temperature curves of the 40mmmdus point on Cross-sec- 冷却效果的影响规律与流量相同. tion 2 under different sectional areas of the cooler's inet port 表4冷却200：时棒材三个截面上三个半径值处不同冷却器入口截面积对应的温度值 Table 4 Temperature at three points on different cmossections with different sectional areas of the cooler's inet port when the cooing time was 200s ℃ 冷却器入口 截面1 截面2 截面3 截面面积 0mm 40 mm 78mm 0mm 40mm 78 mm 0mm 40mm 78mm S1 608 363 65 635 391 79 635 397 83 S2 591 350 58 582 351 56 579 353 57 S3 568 336 吃 559 336 48 556 337 50 24冷却器入口截面积与水流流速对棒材冷却影 响程度的比较 3结论 为了比较冷却器入口截面积S与水流流速ⅴ (1)冷却水流量越大，冷却效果越好.但当流 对棒材冷却效果的影响程度，选取冷却时间为200 量增大到一定值后，流量的继续增大对冷却效果的 s冷却水温T=30℃流量g1=300m3h1及q2= 影响逐步减小. 900m3h-1时的模拟结果数据进行对比，其相关数 (2)决定流量的两因素一入口截面积及水流 据如表5所示.分析两组差值不难看出，在冷却水 流速对冷却效果的影响规律与流量相同，但水流流 流流速和冷却器入口截面积这两个决定冷却水流量 速对冷却效果的影响程度大于入口截面积. 的因素中，冷却水流流速ⅴ对冷却效果的影响程度 (3)在棒材长度方向上，越靠近冷却水入口，冷 要高于冷却器入口截面积S,且越靠近入水口差别 却温度越低，即冷却效果越好.离冷却水入口越远 越明显. 冷却温度越高，且温度变化越小

响规律与流量相同, 且水流流速越小, 各影响规律越 显著. 表 3 冷却 200 s 时棒材三个截面上三个半径值处不同水流流速对应的温度值 Table 3 Temperature at three points on diff eren t cross-sections under different cooling water speeds w hen the cooling time w as 200 s ℃ 速度/ ( m·s -1 ) 截面 1 截面 2 截面 3 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 5 661 406 91 700 453 121 700 460 126 10 608 363 65 635 391 79 635 397 83 15 587 348 57 607 369 66 606 373 69 20 575 341 53 590 357 59 589 361 62 30 563 333 49 573 345 52 571 348 55 2.3 冷却器入口截面积对冷却效果的影响规律 设冷却器入口截面积分别为 S1 =0.008 33 m 2 、 S 2 =0.023 46m 2 和 S 3 =0.04524 m 2 , 对应的水流量 分别为 q =300, 850, 1 630 m 3·h -1 , 冷却水温 T =30 ℃, 冷却水流流速 v =10m·s -1 , 冷却时间 t =240 s . 图5 为棒材截面2 上半径 40mm 处不同冷却器 入口截面积对应的温度曲线, 表 4 为冷却200 s 时棒 材三个截面上半径 0mm 、40 mm 及78mm 处不同冷 却器入口截面积对应的温度值 . 从图 5 及表 4 中可以看出, 入口截面积对棒材 冷却效果的影响规律与流量相同. 图 5 棒材截面2 半径40 mm 处不同入口截面积对应的温度曲线 Fig.5 Temperature curves of the 40 mm-radius point on Cross-sec￾ti on 2 under diff erent sectional areas of the cooler' s inlet port 表 4 冷却 200 s 时棒材三个截面上三个半径值处不同冷却器入口截面积对应的温度值 Table 4 Temperature at th ree points on diff erent cross-sections with different secti onal areas of the cooler' s inlet port w hen the cooling time was 200 s ℃ 冷却器入口 截面面积 截面 1 截面 2 截面 3 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm S 1 608 363 65 635 391 79 635 397 83 S 2 591 350 58 582 351 56 579 353 57 S 3 568 336 50 559 336 48 556 337 50 2.4 冷却器入口截面积与水流流速对棒材冷却影 响程度的比较 为了比较冷却器入口截面积 S 与水流流速 v 对棒材冷却效果的影响程度, 选取冷却时间为 200 s, 冷却水温 T =30 ℃, 流量 q1 =300m 3·h -1及 q2 = 900 m 3·h -1时的模拟结果数据进行对比, 其相关数 据如表 5 所示.分析两组差值不难看出, 在冷却水 流流速和冷却器入口截面积这两个决定冷却水流量 的因素中, 冷却水流流速 v 对冷却效果的影响程度 要高于冷却器入口截面积 S , 且越靠近入水口差别 越明显. 3 结论 ( 1) 冷却水流量越大, 冷却效果越好 .但当流 量增大到一定值后, 流量的继续增大对冷却效果的 影响逐步减小. ( 2) 决定流量的两因素———入口截面积及水流 流速对冷却效果的影响规律与流量相同, 但水流流 速对冷却效果的影响程度大于入口截面积 . ( 3) 在棒材长度方向上, 越靠近冷却水入口, 冷 却温度越低, 即冷却效果越好.离冷却水入口越远, 冷却温度越高, 且温度变化越小 . 第 7 期 张少军等:冷却水流量对大直径棒材冷却效果的影响规律 · 915 ·

。916 北京科技大学学报 第31卷 表5冷却200，水温30℃，流量qg1=300m3·h-1及92=900m3h-1时水流流速与冷却器入口截面积冷却效果的比较 Table 5 Comparison of cooling effect betw een the cooling water speed and the sectional area of the cooler's inlet port when the oooing time was 200 s.the coling water temperature was 30C.the water flow was 300m3h-and 900m3-h respectively ℃ 截面1 截面2 截面3 参数 类别 0mm 40mm 78mm 0mm 40mm 78mm 0mm 40mm 78mm q1(=10ms1,S=000833m2608 363 白 635 391 79 635 397 83 92(=30ms-,S=000833m23) 563 333 49 573 345 52 571 348 55 差值 45 吃 16 62 46 27 64 49 32 91(=10ms-1S=000833m2) 608 363 65 635 391 79 635 397 83 92(v=10m's1,S=0025m2) 591 350 58 582 351 56 579 353 57 差值 17 13 7 53 40 23 56 44 26 参考文献 type of highly efficient passing water cooler to steel mlling lines. Ind Water Treat.2007.27(3):72 [1]Feng G C.Present state and development of contmolle molling and (肖拾根，谢斌，祝赛华.湍流式高效穿水冷却器在轧钢生产 controlled-cooling technology.Sicuan Metall,1996 (1):73 线上的应用.工业水处理2007,27(3到：72) (冯光纯.控轧控冷技术的现状与发展.四川治金，1996(1)： [7 Lu M.Zhu S H.Tang J.Influence of T hrough Water cooling 73) Technology Oil Microstructure and Property of Bar.Steel [2]Sun S H.Contmlled rolling and controlled cooling and their brief Rolling,2006.23(6:63 introduction on effect.Spec Steel Technol,2005 (4):24 (罗敏.祝赛华.，唐嘉.湍流式高效穿水冷却工艺对棒材组织 (孙慎宏.控轧控冷及其作用分析.特钢技术，2005(4)：24 性能的影响轧钢，2006,23(6)：63) 3 YuZ H.Research on Spray Controlled Cooling Unifor mity for 8Ha W.Temperature Field Simulation and Microstructure and High Tem perature Steel Plate Dissertation.Beijing:University Mechanical Properties Prediction of Controlled Coolingof of Science and Technology Beijng.2007:20 20MnSi[Dissertation.Beijing:Uriversity of Science and Tech- (喻振华.高温钢板雾化控冷均匀性研学位论文]·北京： nology Beijing.2006:30 北京科技大学.2007：20 (韩文.20MSi棒材轧后控冷过程温度常模拟与组织性能预 [4 Ren Y L.Stelme cooling control applied in w ire rod rolling.Mech 测学位论文.北京：北京科技大学，2006：30， Manage Dev.2004:30 9 Wang F J.Computational Fluid Dynamics-CFD Software (任亚丽.斯奏尔摩控制冷却法在线材轧钢中的应用。机械管 Principe and Application.Beijing:Tsinghua University Press, 理开发，2004：30) 2004 [5 Jia YP.Wu D.Guo J.Online contmolled cooling for hot rolled H- (王福军.计算流体动力学分析一CD软件原理与应用. beam.1ronS1eel,2006.41(7):45 北京：清华大学出版社.2004) (贾玉萍，吴迪，郭娟.热轧H型钢的在线控冷.钢铁，2006. [10 Zhang YY.Fluid Mechanics.Beijng:Higher Education Press. 41(7):45) 2002 [6 Xiao S G.Xie B.Zhu S H.Application of the turbulent rapids (张也影.流体力学.北京：高等教育出版社，2002)

表5 冷却 200 s, 水温 30 ℃, 流量 q1 =300 m 3·h -1及 q2 =900 m 3·h -1时水流流速与冷却器入口截面积冷却效果的比较 Table 5 Comparison of cooling eff ect betw een the cooling w at er speed and the sectional area of the cooler' s inlet port w hen the cooling time w as 200 s, the cooling w at er temperature w as 30 ℃, the w at er flow w as 300 m 3·h -1 and 900 m 3·h -1 respectively ℃ 参数 类别 截面 1 截面 2 截面3 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm 0 mm 40 mm 78 mm q1( v =10 m·s -1 , S =0.008 33 m 2 ) 608 363 65 635 391 79 635 397 83 v q2( v =30 m·s -1 , S =0.008 33 m 2 ) 563 333 49 573 345 52 571 348 55 差值 45 30 16 62 46 27 64 49 32 q1 ( v =10 m·s -1 , S =0.008 33 m2 ) 608 363 65 635 391 79 635 397 83 S q 2 ( v =10 m·s -1 , S =0.025 m2 ) 591 350 58 582 351 56 579 353 57 差值 17 13 7 53 40 23 56 44 26 参 考 文 献 [ 1] Feng G C .Present stat e and development of controlled-rolling and controlled-cooling technology .Si ch uan Metall, 1996 ( 1) :73 ( 冯光纯.控轧控冷技术的现状与发展.四川冶金, 1996 ( 1) : 73) [ 2] Sun S H .Controlled rolling and controlled cooling and their b rief introduction on eff ect .S pec S teel Technol, 2005 ( 4) :24 ( 孙慎宏.控轧控冷及其作用分析.特钢技术, 2005 ( 4) :24) [ 3] Yu Z H .Research on Spray Controlled Cooling Uniformity for High Tem peratu re St eel Plat e [ Dissertation] .Beijing :University of Science and Technology Beijing, 2007:20 ( 喻振华.高温钢板雾化控冷均匀性研究[ 学位论文] .北京: 北京科技大学, 2007:20) [ 4] Ren Y L .S telme cooling control applied in w ire rod rolling .Mech Manage Dev, 2004:30 ( 任亚丽.斯泰尔摩控制冷却法在线材轧钢中的应用.机械管 理开发, 2004:30) [ 5] Jia Y P, Wu D, Guo J.Online controlled cooling f or hot rolled H￾beam .Iron Steel, 2006, 41( 7) :45 ( 贾玉萍, 吴迪, 郭娟.热轧 H 型钢的在线控冷.钢铁, 2006, 41( 7) :45) [ 6] Xiao S G, Xie B, Zhu S H .Application of the turbulent rapids t ype of hi ghly efficient passing water cooler to steel rolling lines. Ind Wat er Treat, 2007, 27( 3) :72 ( 肖拾根, 谢斌, 祝赛华.湍流式高效穿水冷却器在轧钢生产 线上的应用.工业水处理, 2007, 27( 3) :72) [ 7] Luo M, Zhu S H, Tang J.Influence of T hrough Water cooling Technology Oil Microstructure and Property of Bar . Steel Rolling , 2006, 23( 6) :63 ( 罗敏, 祝赛华, 唐嘉.湍流式高效穿水冷却工艺对棒材组织 性能的影响.轧钢, 2006, 23( 6) :63) [ 8] Han W.Temperature Field Simu lation and Microstructure a nd Mechan ical Properties Prediction o f Controlled Cooling of 20 MnSi[ Dissertation] .Beijing :Uni versit y of Science and Tech￾nology Beijing, 2006:30 ( 韩文.20MnSi 棒材轧后控冷过程温度常模拟与组织性能预 测[ 学位论文] .北京:北京科技大学, 2006:30) [ 9] Wang F J.Comp utational Fluid Dynamics— CFD Sof tware Princip le and Appli cation .Beijing :Tsinghua University Press, 2004 (王福军.计算流体动力学分析———CFD 软件原理与应用. 北京:清华大学出版社, 2004) [ 10] Zhang Y Y .F luid Mechanics.Beijing :Higher Education Press, 2002 ( 张也影.流体力学.北京:高等教育出版社, 2002) · 916 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷