D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.04.007 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2013 基于ANSYS有限元法的热卷箱内中间坯温度场 分析 王晓晨，杨荃1)区，刘瑞军2)，孟洁)，郭德福)，孙友昭) 1)北京科技大学国家板带工程中心，北京1000832)北京科技大学治冶金工程研究院.北京100083 区通信作者，E-mail:yangquand@nercar.ustb.edu.cn 摘要应用有限元分析软件ANSYS,根据国内某厂2250热连轧生产线上的热卷箱工作情况，采用ANSYS生死单元 和重启动技术模拟中间坯的卷取、保温和开卷时的生产节奏.在仿真计算的基础上，确定中间坯在各种热交换条件下的 界面换热系数，分析热卷箱内各工艺参数和环境因素对中间坯温度的影响，并根据建立的中间坯在热卷箱内的三维温度 场的数学模型，最终计算得出中间坯在热卷箱出口的温度数值，为热轧现场的温度控制提供可行性建议. 关键词热轧：温度分布；有限元法：数学模型 分类号TG335.11 Temperature field analysis of intermediate slabs in the hot coil box based on ANSYS finite element method WANG Xiao-chen),YANG Quan),LIU Rui-jun2),MENG Jie2),GUO De-fu2),SUN You-zhao) 1)National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083. China 2)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangquan@nercar.ustb.edu.cn ABSTRACT According to the working conditions of the hot coil box in a domestic steel 2250 hot rolling production line,the birth-death element and re-start technology of the finite element analysis software ANSYS was adopted to simulate the production rhythm of coiling,insulation and uncoiling of intermediate slabs.The interface heat transfer coefficients of intermediate slabs were determined in different heat transfer conditions.The effects of process parameters and environmental factors on the temperature of intermediate slabs in the hot coil box were analyzed on the basis of simulation data.A mathematical model of three-dimensional temperature fields was established for intermediate slabs in the hot coil box.Finally,the outlet temperature of intermediate slabs in the hot coil box was calculated,which can provide us with some feasible suggestions for hot rolling temperature control. KEY WORDS hot rolling;temperature distribution;finite element method;mathematical models 热卷箱具有保持中间坯温度均匀性、降低精轧布和变化的整个过程2.在对热卷箱内中间坯温度 机组能耗、改善产品质量等特点，被广泛应用于热 场分布的有限元模拟研究中，由于二维模型只能控 轧生产线上，因此系统研究中间坯在热卷箱内温度制有限元模型中整圈单元的生死状态，无法以逐步 变化的规律对合理地优化热卷箱工艺参数有重要意激活少量单元的方式更加细致地模拟动态的卷取和 义川相比直接测量中间坯温度的方法，有限元模 开卷过程，而且简化的二维模型不能在中间坯卷最 拟不仅可以得到中间坯表面的温度值，还可以得到 内层建立完整的辐射矩阵以模拟卷眼真实的辐射换 中间坯内部的温度，而且能够了解中间坯温度场分 热情况，势必导致计算结果误差较大，所以有必要 收稿日期：2011-12-14
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 基于 有限元法的热卷箱内中间坯温度场 分析 王晓晨‘杨 荃‘困刘瑞军 孟 洁 郭德福 孙友昭‘ 北京科技大学国家板带工程中心北京 北京科技大学冶金工程研究院北京 皿 通信作者 一 明 ￡ 摘 要 应用有 限元分析软件 根据 国内某厂 热连轧生产线上的热卷箱工作情况 采用 生死单元 和重启动技术模拟中间坯的卷取 、保温和开卷时的生产节奏 在仿真计算的基础上确定中间坯在各种热交换条件下的 界面换热系数分析热卷箱 内各工艺参数和环境因素对中间坯温度的影响并根据建立的中间坯在热卷箱 内的三维温度 场的数学模型最终计算得出中间坯在热卷箱出口的温度数值 为热轧现场的温度控制提供可行性建议 关键词 热轧 温度分布 有限元法 数学模型 分类号 洲 万‘ 一。人。‘以 万‘ ‘困石了‘尺。口二 几百刀‘五。 ‘百。刀。咖 哪 物。一人。‘ 区 一 沮 ￡ 一 一 价 飞 卜 一 多 热卷箱具有保持 中间坯温度均匀性 、降低精轧 机组能耗 、改善产 品质量等特点 被广泛应用于热 轧生产线上 因此系统研究中间坯在热卷箱 内温度 变化的规律对合理地优化热卷箱工艺参数有重要意 义 相 比直接测量 中间坯温度 的方法 有 限元模 拟不仅可 以得到中间坯表面 的温度值 还可 以得到 中间坯 内部的温度 而且能够 了解 中间坯温度场分 布和变化的整个过程侧 在对热卷箱 内中间坯温度 场分布的有限元模拟研究中由于二维模型只能控 制有 限元模型中整圈单元 的生死状态 无法 以逐步 激活少量单元的方式更加细致地模拟动态的卷取和 开卷过程 而且简化的二维模型不能在 中间坯卷最 内层建立完整的辐射矩阵以模拟卷眼真实的辐射换 热情况 势必导致计算结果误差较大 所 以有必要 收稿 日期 一 一 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．04．007
第4期 王晓晨等：基于ANSYS有限元法的热卷箱内中间坯温度场分析 455 采用三维有限元模型对中间坯的温度场分布进行模 流换热，在传热学中统称为第三类边界条件10-1川， 拟分析. 用公式表示为 在以往的研究中，热卷箱内各种工况下中间坯 q=e·o·(T-T)+h(T-Tx), (2) 的温度场分布缺少系统的分析，而且受到计算机设 备和应用软件的限制，模型过度的简化，得到的 h=1.32 (T-Ts D (3) 温度结果和真实情况误差较大.北京科技大学苏岚 等3]建立了有限元模型对热卷箱内中间坯温度变 式中：q为热流密度：e为黑度，本文e=0.8;0为 化进行研究，但使用的是二维模型：杨轶博4利用 黑体辐射常数，g=5.667×10-8:h为中间坯表面对 Iarc有限元软件建立了三维模型分析热卷箱内中 流换热系数；T为中间坯表面温度；Tx为环境温 间坯温度分布，然而所建立的同心圆柱体几何模型 度；D为中间坯卷直径. 和螺旋卷取的中间坯实体有所差别，而且在其文中 2.3有限元模型 对于边界条件的处理运用了利用对流代替全部辐射 本文中选取长度为62m,宽度为1000mm,厚 的方法，与实际情况存在差异；焦景民、杨宴宾、胡 度为30mm的中间坯作为计算的几何体，卷取后 建平等5-]只是在其文中粗略地提到热卷箱头尾温 钢卷为16层，由于需要计算中间坯成卷后最内层 差，没有具体地、系统地计算分析中间坯纵向各部 的辐射矩阵，建模时建立了完整的几何模型.单元 分之间以及表面和内部的温度差. 类型选取实体单元solid70,并且在最外层solid70 本文所建立的三维有限元模型，可以利用生死 表面覆盖shel152表面效果单元以便加载对流边界 单元技术逐步激活或者杀死任意数量的单元，并且 条件.划分网格时，在厚度上划分为三层.在宽度方 在中间坯卷的卷眼表面采用辐射矩阵的方法施加辐 向上分为40份，圆周方向等分为80份.单元长度 射边界条件，在钢卷的最外层表面利用壳单元施加 方向最大值为7.5mm.制作好的有限元模型如图1 辐射和对流边界条件，在中间坯端面直接施加对流 所示.在对卷取过程的求解中，从内层到外层逐层 和辐射边界条件. 计算，首先运用ANSYS的重启动技术读入上一载 1 数学模型 荷步的计算结果作为此载荷步的初始条件，再利用 ANSYS的生死单元技术激活在此载荷步中卷取层 中间坯卷取及其冷却过程中的导热主要是瞬 的单元，然后修改模型的边界条件，并且根据各层 态方式进行).导热的基本定律是傅里叶定律，其 卷取节奏的不同设定不同的加载时间，直到得到最 导热数学模型为圆柱坐标系下的无内热源非稳态导 外层的计算结果.开卷的计算过程和卷取时相反 热方程9，见下式. 8T18[、8T1 ELEMENTS SEP202011 \r入rrJ 15:5503 PCP OTTOT a[、ar1,1a「g8T1 OTA 02+r0r加] 十一 (1) 式中：T为材料的温度，℃：p为材料密度， kgm-3;cp为材料比热容.kJ-(kgK)-1:T为时 间，s:r和日分别为柱坐标系下轧件的径向和周 向坐标：入、入g和入z分别为径向导热系数、周向 图1有限元模型 导热系数和轴向导热系数，W(mK)-1. Fig.1 Finite element model 2有限元模型 2.1初始条件 3计算结果和分析 根据现场实测数据，本模型中假定中间坯头部 3.1中间还在各阶段的温度分布 在热卷箱入口的温度为1100℃，中间坯尾部在热 根据现场生产节奏，热卷箱内中间坯的卷取阶 卷箱入口的温度为1025℃，中间温度分布简化为 段用时为29s,保温时间为14s,开卷时间为67s. 以等差数列分布，环境温度为30℃. 图2表示各层钢卷截面在热卷箱中不同时间段的温 2.2边界条件 度分布，图2(a~(d)分别为热卷箱入口处、卷取后、 本文中间坯与外界热传递主要是热辐射和对 保温后及热卷箱出口处的温度分布.由图2可以看
第 期 王晓晨等 基于 有限元法的热卷箱内中间坯温度场分析 采用三维有限元模型对中间坯的温度场分布进行模 拟分析 在 以往 的研究中热卷箱 内各种工况下中间坯 的温度场分布缺少系统的分析 而且受到计算机设 备和应用软件 的限制 模型过度 的简化 得到 的 温度结果和真实情况误差较大 北京科技大学苏岚 等 建立 了有 限元模型对热卷箱 内中间坯温度变 化进行研究 但使用的是二维模型 杨轶博叫 利用 有 限元软件建立 了三维模型分析热卷箱 内中 间坯温度分布 然而所建立的同心圆柱体几何模型 和螺旋卷取 的中间坯实体有所差别而且在其文中 对于边界条件的处理运用 了利用对流代替全部辐射 的方法 与实际情况存在差异 焦景 民、杨宴宾 、胡 建平等 一 只是在其文 中粗略地提到热卷箱头尾温 差 没有具体地 、系统地计算分析 中间坯纵 向各部 分之 间以及表面和 内部的温度差 本文所建立的三维有 限元模型 可 以利用生死 单元技术逐步激活或者杀死任意数量的单元 并且 在中间坯卷 的卷眼表面采用辐射矩阵的方法施加辐 射边界条件 在钢卷 的最外层表面利用壳单元施加 辐射和对流边界条件 在中间坯端面直接施加对流 和辐射边界条件 流换热 在传热学中统称为第三类边界条件 。一“ 用公式表示为 数学模型 中间坯卷取及其冷却过程 中的导热主要 是瞬 态方式进行 导热的基本定律是傅里叶定律 其 导热数学模型为圆柱坐标系下的无 内热源非稳态导 热方程网见下式 · 州 一嗽 一几 入一一‘·又为一几上立夕、‘ · 式 中 为热流密度 为黑度 本文 为 黑体辐射常数 一” 为中间坯表面对 流换热系数 为中间坯表面温度 几 为环境温 度 为中间坯卷直径 有限元模型 本文中选取长度为 宽度为 厚 度 为 的中间坯作为计算 的几何体 卷取后 钢卷为 层 由于需要计算 中间坯成卷后最 内层 的辐射矩阵建模时建立 了完整的几何模型 单元 类型选取实体单元 并且在最外层 表面覆盖 表面效果单元以便加载对流边界 条件 划分网格时在厚度上划分为三层 在宽度方 向上分为 份 圆周方向等分为 份 单元长度 方 向最大值为 制作好的有 限元模型如 图 所示 在对卷取过程的求解中从 内层到外层逐层 计算 首先运用 的重启动技术读入上一载 荷步的计算结果作为此载荷步的初始条件 再利用 的生死单元技术激活在此载荷步 中卷取层 的单元 然后修改模型的边界条件 并且根据各层 卷取节奏的不 同设定不 同的加载时间直到得到最 外层的计算结果 开卷 的计算过程和卷取时相反 祭一条卜嵘」 暴卜·刹 刹乎刽 入 了、上、 式 中 为材料 的温度 · 一 间 和 为材料 比热容 ℃ 为材 料密度 · 一‘ 为时 导 向 热 坐 系 标 数 入 和 二、 轴 入 向 。 分 导 和 别 热 入 为 二 系 柱 分 数 坐 别 标 为 系 径 · 下 向 · 轧 导 一 件 热 ‘ 的 系 径 数 向 、 和 周 周 向 图 有限元模型 ‘二 有限元模型 初始条件 根据现场实测数据 本模型中假定中间坯头部 在热卷箱入 口的温度 为 ℃中间坯尾部在热 卷箱入 口的温度 为 ℃中间温度 分布简化为 以等差数列分布 环境温度为 ℃ 边界条件 本文 中间坯 与外界热传递主要是热辐射和对 计算结果和分析 中间坯在各阶段的温度分布 根据现场生产节奏 热卷箱 内中间坯的卷取阶 段用 时为 保温 时间为 开卷 时间为 图 表示各层钢卷截面在热卷箱 中不 同时间段 的温 度分布 图 〕分别为热卷箱入 口处 、卷取后 、 保温后及热卷箱 出口处的温度分布 由图 可 以看
北京科技大学学报 第35卷 .456 出，在热卷箱入口时中间坯各层的初始温度梯度比 越来越严重：由图2(d)可以看出，虽然中间坯各 较大，经过热卷箱卷取、保温后中间坯各层温度梯 层的温度差减小，但是坯子各层的表面温度相对于 度逐渐变小，在热卷箱出口时中间坯各层的温度趋 其内部温度都有所下降，由于最内层的内表面和最 于均匀 外层的外表面直接与环境接触并进行辐射和对流换 本文假设初始时边部温度没有降低（如图2(a) 热，所以这两个表面的温度下降最为严重.在出热 所示)，即中间坯在进入热卷箱时沿宽度方向上的温 卷箱时，最外层的外表面相对于最外层内部温度下 度均匀分布.当卷取完成时（如图2(b)所示），中间 降了31℃，最内层的内表面相对于其内部温度下 坯边部已经有明显温度降低：随着中间坯在热卷箱 降了21℃. 中滞留时间的增加（如图2(c)所示），边部温度降低 NODAL SOLUTION ANSYS NODAL SOLUTION STEP=15 ANSYS SUB1 TEMP (AVG SUB=3 RSYS=0 TTME=29.03 SN=1025 TEMP (AVG SMX=1100 RSYS=0 SMN=1009 S1MX=1093 102510331042105005810671075108310921100 10091019102s1037104610561065107410831093 NODAL SOLUTION STEP=17 ANSYS NODAL SOLUTION STEP=32 ANSYS SUB=3 SUB=3 TIME=43 TIME=110 TEMP (AVG TEMP (AVG RSYS=0 RSYS-0 SMIN=965.7 SMN=956.0 SMX=1089 SX=1069 965例69BT01840s1D62050g 9569hs6I2303.sT061019082D41057060 图2中间坯在各阶段的温度（℃）分布.(a)热卷箱入口处：(b)卷取后：(c)保温后：()热卷箱出口处 Fig.2 Temperature (C)distribution of intermediate slabs at various stages:(a)box entry;(b)after coiling;(c)after insulation; (d)box exit 3.2中间坯均温效果和温降分析 中间坯经过热卷箱后整体温度有所下降，最外层和 成卷后的中间坯各层相互接触，各层之间发生 最内层的温度下降较大，和初始温度相比，最外层 径向热传递，从而使钢卷内部温度趋于均匀：同时 温度下降44℃，最内层温度下降49℃，中间各层 由于钢卷的内外表面和端面与周围环境进行辐射和 温度下降为2145℃. 对流的热交换，导致中间坯的最内层和最外层以及 3.3头尾温差分析 整体长度上的边部温度值比较低.图3表示中间坯 减小头尾温差是使用热卷箱的主要目的之一 各层沿宽度方向中间点在热卷箱入口处的初始温度 在热卷箱中，卷取和开卷过程中使中间坯的头尾部 值和在热卷箱出口处的温度值.图中各层在热卷箱 互换，上下表面互换.下文中所述头、尾部皆指中 出口的温度曲线斜率明显小于初始温度曲线斜率， 间坯在热卷箱出口处开卷时的头、尾部，即中间坯 说明经过热卷箱后钢卷内部温度趋于均匀.此外， 成卷后的整个最外层和整个最内层.图4为中间
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 出在热卷箱入 口时中间坯各层的初始温度梯度 比 较大 经过热卷箱卷取 、保温后 中间坯各层温度梯 度逐渐变小 在热卷箱 出口时中间坯各层的温度趋 于均匀 本文假设初始时边部温度没有降低 如图 所示 即中间坯在进入热卷箱时沿宽度方向上的温 度均匀分布 当卷取完成时 如图 所示 中间 坯边部 已经有 明显温度降低 随着中间坯在热卷箱 中滞留时间的增加 如图 所示 边部温度降低 越来越严重 由图 可 以看 出虽然中间坯各 层的温度差减小但是坯子各层的表面温度相对于 其 内部温度都有所下降由于最 内层的内表面和最 外层的外表面直接与环境接触并进行辐射和对流换 热 所 以这两个表面的温度下降最为严重 在 出热 卷箱时最外层的外表面相对于最外层内部温度下 降了 ℃最内层的内表面相对于其 内部温度下 降了 ℃ 图 中间坯在各阶段的温度 ℃ 分布 热卷箱入 口处 卷取后 保温后 热卷箱出口处 肠 ℃ 。 中间坯均温效果和温降分析 成卷后 的中间坯各层相互接触 各层之间发生 径 向热传递 从而使钢卷 内部温度趋于均匀 同时 由于钢卷 的内外表面和端面与周围环境进行辐射和 对流的热交换 导致 中间坯的最 内层和最外层 以及 整体长度上的边部温度值 比较低 图 表示中间坯 各层沿宽度方 向中间点在热卷箱入 口处的初始温度 值和在热卷箱 出口处的温度值 图中各层在热卷箱 出 口的温度 曲线斜率明显小于初始温度 曲线斜率 说 明经过热卷箱后钢卷 内部温度趋于均匀 此外 中间坯经过热卷箱后整体温度有所下 降最外层和 最 内层 的温度下降较大 和初始温度相 比最外层 温度下降 ℃最 内层温度下 降 ℃中间各层 温度下降为 、 ℃ 头尾温差分析 减小头尾温差是使用热卷箱 的主要 目的之一 在热卷箱 中卷取和开卷过程 中使中间坯的头尾部 互换 上下表面互换 下文 中所述 头 、尾部 皆指 中 间坯在热卷箱 出口处开卷时的头 、尾部 即中间坯 成卷后 的整个最外层和整个最 内层 图 为 中间
第4期 王晓晨等：基于ANSYS有限元法的热卷箱内中间还温度场分析 ·457· 坯头、尾部在热卷箱出口处的横向温度分布.由图 围环境进行的辐射和对流换热随之减少，使成卷后 4可知，中间坯边部的温度值比较小且温度迅速下 的中间坯温度下降变缓，这样就可以为编排轧制工 降，但是温降剧烈的区域分布比较窄，如果不考虑 艺流程和抢修轧线的生产事故争取到更多的时间 边部温降，中间坯开卷时头部上表面在热卷箱出口 下文所述层数皆指从最外层开始数起.图5为保 处的温度值是1008℃，尾部上表面在热卷箱出口 温时间对中间坯上不同位置温度的影响.由图中可 处的温度最大值是1051℃，最小值是1013℃，头 知，第2层外表面的温度值随保温时间的延长变 尾上表面温度差为5~43℃；头部内部温度数值是 化缓慢，而中间坯各层的边部以及最外层的外表面 1020℃，尾部内部温度最大值是1071℃，最小值 的温度下降迅速，其主要原因是由于端面和表面直 是1049℃，头尾内部温度差为29~51℃：头部下表 接与周围环境进行热交换，并且最外层的初始温度 面温度数值是981℃，尾部下表面温度数值是1046 最低所致.从图中还可以看出：保温时间小于15s ℃，头尾下表面温度差为65℃ 时，最长的保温时间主要受到最内层的边部温度的 层数 限制；保温时间为15s到32s时，最长的保温时间 12345678910111213141516 主要受到最外层的外表面的温度限制；保温时间大 1095 于32s时，最长的保温时间主要受到最外层的边部 1075 温度的限制.假定精轧入口要求最低温度为950℃， 1055 最长保温时间为45s. 1035 /1m0n301702i02102s10i010ag0ag0as10104o76010a1 保温时间/s 3.42611.07219.56728.06336.55845.05351 1015 1040 995 ·一各层在热卷箱入口温度 一各层在热卷箱出口温度 1020 975l 91000 图3中间坯各层在热卷箱入口与出口时温度对比 980 Fig.3 Temperature comparison of each layer at the entry and 960 exit of the coil box 最外层边部一 最外层外表 宽度/m 940 最内层边部“一最内房内表面 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 第2层团部· ·第2层外表面 1080F 920 1060 图5保温时间对中间坯不同位置温度的影响 1040 1020 Fig.5 Influence of insulation time on the temperature at dif- 1000 ferent locations of intermediate slabs 980 9609 3.5边部温降分析 头部下表面 940 。一实部内部 ·尾部丙部 由于本文所研究的热卷箱没有边部保温措施， 920 所以中间坯边部温度降低比较严重.图6表示中间 图4中间坯头尾不同部位在热卷箱出口处横向温度分布 坯不同位置在热卷箱出口处横向温度分布.从图中 Fig.4 Transverse temperature distribution at different loca- 可以看出，最外层边部温度下降20℃，第8层边 tions of the head and end area at the box exit 部温度下降52℃，第15层边部温度下降82℃，在 如前文2.1所述，中间坯头部在热卷箱入口的 最内层边部温度下降93℃，边部温度下降呈现从 温度为1100℃，尾部在热卷箱入口的温度为1025 外层到内层逐渐变大的特点.主要原因是中间坯的 ℃，中间坯在热卷箱入口处的头尾温差为75℃，如 内层相比外层在热卷箱中停留更长的时间，导致端 果中间坯不通过热卷箱直接进入精轧机，其尾部将 面在周围环境中有更大的热损失.可见如果增加保 在辊道上停留更长时间，那么中间坯在精轧机入口 温措施，应该首先考虑最内层端面的保温. 处的头尾温差一定会大于75℃.由此可见中间坯 4结论 头尾温差变小，热卷箱对中间坯的头尾温差有明显 改善作用 (1)通过ANSYS有限元仿真计算软件，本文建 3.4最长保温时间分析 立了中间坯有限元模型，利用生死单元技术模拟中 经过热卷箱卷取后，中间坯表面积减少，与周 间坯动态的卷取、保温和开卷过程，并且以辐射矩
第 期 王晓晨等 基于 有限元法的热卷箱内中间坯温度场分析 坯头 、尾部在热卷箱 出口处的横 向温度分布 由图 可知 中间坯边部 的温度值 比较小且温度迅速下 降但是温 降剧烈的区域分布 比较窄 如果不考虑 边部温 降中间坯开卷时头部上表面在热卷箱 出口 处 的温度值是 ℃ 尾部上表面在热卷箱 出 口 处的温度最大值是 ℃最小值是 ℃头 尾上表面温度差为 ℃ 头部 内部温度数值是 ℃ 尾部 内部温度最大值是 ℃最小值 是 ℃头尾 内部温度差为 、 ℃ 头部下表 面温度数值是 ℃尾部下表面温度数值是 ℃ 头尾下表面温度差为 ℃ 围环境进行 的辐射和对流换热随之减少 使成卷后 的中间坯温度下降变缓 这样就可 以为编排轧制工 艺流程和抢修轧线 的生产事故争取到更多的时间 下文所述层数 皆指从最外层开始数起 图 为保 温 时间对 中间坯上不同位置温度 的影响 由图中可 知 第 层外表面 的温度值随保温 时间的延长变 化缓慢 而中间坯各层的边部以及最外层的外表面 的温度下降迅速 其主要原因是 由于端面和表面直 接与周围环境进行热交换 并且最外层的初始温度 最低所致 从 图中还可 以看 出 保温时间小于 时最长 的保温 时间主要受到最 内层 的边部温度 的 限制 保温时间为 到 时最长的保温时间 主要受到最外层 的外表面的温度 限制 保温时间大 于 时最长的保温时间主要受到最外层 的边部 温度 的限制 假定精轧入 口要求最低温度为 ℃ 最长保温时间为 保温时间 石 刀 刀 日︺口八曰︸凸叹一曰︵ 侧。理 肠腮姗 刨。袋 图 中间坯各层在热卷箱入 口与出口时温度对 比 叮 宽度 卫 石 舒 二 一价寿井二二二二不二二 二件二 … 斗做 联” ” ’…’…’…’劣 一犷’立获衷暮三言 卜毓 一碘 三星郭离羲置二颤痣简 … 卜 一 州 卜 一 司 卜 一 叫 卜 一 叫 尸 一 一 一 ‘ 一 一 刁卜 州睁 图 一靠保温时间对沐中间坯不同位置温度的影响 仁 掀 图 · 中间坯头尾不同部位在热卷箱 出口处横 向温度分布 于 工 如前文 所述 中间坯头部在热卷箱入 口的 温度为 ℃尾部在热卷箱入 口的温度为 ℃中间坯在热卷箱入 口处的头尾温差为 ℃如 果中间坯不通过热卷箱直接进入精轧机 其尾部将 在辊道上停留更长时间那么中间坯在精轧机入 口 处的头尾温差一定会大于 ℃ 由此可见中间坯 头尾温差变小 热卷箱对 中间坯的头尾温差有明显 改善作用 最长保温时间分析 经过热卷箱卷取后 中间坯表面积减少 与周 边部温降分析 由于本文所研 究的热卷箱没有边部保温措施 所 以中间坯边部温度降低 比较严重 图 表示中间 坯不 同位置在热卷箱 出口处横 向温度分布 从图中 可 以看 出最外层边部温度下降 ℃第 层边 部温度下降 ℃第 层边部温度下降 ℃在 最 内层边部温度下 降 ℃边部温度下降呈现从 外层到 内层逐渐变大的特 点 主要原因是中间坯的 内层相 比外层在热卷箱 中停留更长的时间导致端 面在周围环境中有更大的热损失 可见如果增加保 温措施 应该首先考虑最 内层端面 的保温 结论 通过 有 限元仿真计算软件 本文建 立 了中间坯有 限元模型 利用 生死单元技术模拟中 间坯动态 的卷取 、保温和 开卷过程 并且 以辐射矩 呼明
.458 北京科技大学学报 第35卷 阵的形式施加辐射边界条件，利用壳单元施加对流 [2]Feng W D.Simulation and Analysis in Coil Bor Based on 边界条件，从而能够比较真实地模拟了热卷箱的动 Finite Element Method [Dissertation].Shanghai:Shang- 态工作过程和中间坯表面实际换热情况的效果. hai University.2005 (冯伟东.热卷箱有限元模拟仿真与分析学位论文]，上海： 宽度/m 1090001020304050.60.7080.91 上海大学，2005) [3]Su L,Wang X J,Tang D.Simulation of temperature field 1070 of coiler furnace.J Univ Sci Technol Beijing,1999,21(5): 1050 468 1030 单海修。海卷香—都备得每每里 (苏岚，王先进，唐获.热卷箱式炉内板坯温度场模拟.北京 1010 科技大学学报，1999,21(5小：468) 990 4]Yang Y B.Research on Temperature Changing in Hot +头部温度·第8层温度 970 第15层温度-尾部温度 Strip Rolling and Temperature Field in Coilbor [Disser- tation].Beijing:University of Science and Technology 950 Beijing,2005 图6中间坯不同位置在热卷箱出口处的横向温度分布 (杨轶博，热卷箱有限元模拟仿真与分析[学位论文.北京： Fig.6 Transverse temperature distribution at different loca- 北京科技大学，2005) tions of intermediate slabs at the box exit (5]Jiao J M,Wang C J,Luo F H,et al.Technology and control of mandrelless transform coilbox in 1450 mm Hot (2)经过热卷箱后，中间坯的温度降低22~49 Strip Mill of Pangang.Metall Ind Autom,2006,30(5):62 ℃，头尾部比中部温度多下降627℃，中间坯整 (焦景民，王成军，罗富华，等.攀钢1450mm热连轧机无芯 体温度分布比进入热卷箱前更加均匀 移送式热卷箱技术及控制.冶金自动化，2006,30(5)：62) (3)热卷箱可以有效地减小中间坯头、尾部温 (6 Yang Y B,Hou B H,Wu J.Application of hot coil box 差达1070℃. in 1780 mm hot strip rolling line of Bao Iron and Steel Group Company//08'Annual Meeting of the Journal of (4)中间坯在保温阶段温度下降最严重的区域 Metallurgical Industry Automation.Yinchuan,2008:310 发生在最外层的边部、最内层的边部以及最外层的 (杨宴宾，侯宝辉，吴俊.热卷箱技术在宝钢1780热连轧中 外表面，经过没有保温措施的热卷箱后，最内层的 的应用/全国治金自动化信息网2008年会.银川.2008： 边部温降值达到了93℃.应该首先考虑增加这几 310) 部分的保温措施，例如增加侧挡板和隔热板，以延 [7]Hu J P,Zhang Z G.Integrated analysis on coil box's selec- 长保温时间，提高热卷箱的性能. tion for hot strip rolling mill.Steel Rolling,2007,24(4): 此外，在建模和分析过程中还存在以下困难和 45 不足：(1)由于时间和条件的限制，本文只针对中间 (胡建平，张志刚.带钢热连轧中热卷箱的选用.轧钢，2007， 24(4):45) 坯在热卷箱部分的温度场进行了研究，缺少中间坯 8]Yang S M.Heat Transfer.3rd Ed.Beijing:Higher Edu- 从加热炉到热卷箱入口的温度分布数据，因此模型 cation Press,2004 输入的初始条件并不十分精确，后续工作可以通过 (杨世铭.传热学.3版.北京：高等教育出版社，2004) 有限元方法或者直接测量的方法得到精确的初始条 [9)Cheng J F,Liu Z D,Dong H.et al.Study on thermal 件.(2)由于缺少实验仪器，没有现场验证模型的准 simulation of hot rolled coil during cooling.Iron Steel 确性.如条件允许，应该测量中间坯表面在热卷箱 2004,39(10):41 出口的温度，并以此温度为基准，通过修改径向等 (程杰锋，刘正东，董瀚，等。热轧带钢卷取及其冷却过程热 效导热系数的方法修正模型， 模拟研究.钢铁，2004,39(10小：41) [10]Xie CY,Zhang J M,Hu B,et al.Solidification simulation and shrinkage optimization of big flat ingots.J Univ Sci 参考文献 Technol Beijing,2011,33(1):11 (谢朝阳，张炯明，胡波，等。大扁锭凝固过程棋拟及缩孔优 [1]McKenney C,Oresti J.Coil box technology continues to 化.北京科技大学学报，2011,33(1)：11) extend application boundaries//Proceedings of the 10th [11]Sun J Q,Sun J H,Wu B,et al.Mathematical model International Conference on Steel Rolling.Beijing.2010: for temperature field of strip coil in cooling and heating process.J Iron Steel Res Int,2005,12(2):33
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 阵的形式施加辐射边界条件 利用壳单元施加对流 边界条件 从而能够 比较真实地模拟了热卷箱的动 态工作过程和 中间坯表面实际换热情况的效果 。了华竺华乌竺习毕 宽度 一 ‘ 名 刀 门︸以工卜一曰︸ 赵。明 图 中间坯不同位置在热卷箱出口处的横向温度分布 肠 价 爪 经过热卷箱后 中间坯的温度降低 ℃头尾部 比中部温度多下降 、 ℃中间坯整 体温度分布 比进入热卷箱前更加均匀 热卷箱可 以有效地减小中间坯头、尾部温 差达 中间坯在保温阶段温度下降最严重的区域 发生在最外层的边部 、最 内层 的边部 以及最外层的 外表面 经过没有保温措施的热卷箱后 最 内层 的 边部温 降值达到 了 ℃ 应该首先考虑增加这几 部分的保温措施 例如增加侧挡板和隔热板 以延 长保温 时间提高热卷箱的性能 此外 在建模和分析过程 中还存在 以下 困难和 不足 由于时间和条件的限制本文只针对中间 坯在热卷箱部分的温度场进行 了研究缺少中间坯 从加热炉到热卷箱入 口的温度分布数据 因此模型 输入 的初始条件并不十分精确 后续工作可以通过 有限元方法或者直接测量的方法得到精确 的初始条 件 由于缺少实验仪器 没有现场验证模型的准 确性 如条件允许 应该测量中间坯表面在热卷箱 出口的温度 并 以此温度为基准 通过修改径 向等 效导热系数 的方法修正模型 」 。二 二 夕 乞 。。 八。 。。。。艺 【 」 冯伟东 热卷箱有限元模拟仿真与分析 学【位论文 上海 上海大学 【 · 乞 砂。夕 苏岚王先进唐荻 热卷箱式炉内板坯温度场模拟 北京 科技大学学报 〕 吕 二 呷 、二 。夕‘夕 亡切 二夕 二 二 “。 二咫 凡。 乞 杨轶博 热卷箱有限元模拟仿真与分析 学【位论文 北京 北京科技大学 」 · “ 几 二 二 焦景民王成军罗富华等 攀钢 热连轧机无芯 移送式热卷箱技术及控制 冶金 自动化 【 ·· “ 〕 ’ 二二二 。夕 艺 二。 肠 爪 亡印 爪 云 几 杨宴宾侯宝辉吴俊 热卷箱技术在宝钢 热连轧中 的应用刀 全国冶金 自动化信息网 年会 银川 【」 。 、。 、 亡 。夕 胡建平张志刚 带钢热连轧中热卷箱的选用 轧钢 【」 乍 杨世铭 传热学 版 北京 高等教育出版社 〕 介℃几 【」 参 考 文 献 【 · 盯 。夕 〔 几 。二 乞 垂 。、 。夕 程杰锋刘正东董瀚等 热轧带钢卷取及其冷却过程热 模拟研究 钢铁 流 几 二 叮 夕 谢朝阳张炯 明胡波等 大扁锭凝 固过程模拟及缩孔优 化 北京科技大学学报 云 几艺
