D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.01.00B 第32卷第1期 北京科技大学学报 Vol 32 No 1 2010年1月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Jan 2010 基于Fuet的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 张少军)胡树山)刘国勇)朱冬梅)杨春彦1)刘荣娥) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)防化指挥工程学院，北京1022053)北京科技大学天津学院，天津301830 摘要为获得轴向均匀的温度场，利用F1m有限元仿真软件，对无缝钢管控冷设备中喷嘴布置情况进行了三维建模及数 值模拟，研究了喷嘴直径、喷嘴个数、喷嘴排数、喷嘴入口速度和入口方向等参数对钢管外壁冷却均匀性的影响·结果表明，喷 嘴直径和布置情况、以及喷嘴入口方向对钢管外表面冷却均匀性影响较大：喷嘴入口速度仅影响冷却速率，对钢管外表面冷 却均匀性影响不大， 关键词无缝钢管：控制冷却：喷嘴：数值模拟 分类号TG16284 Layout param eters of controlled coo ling nozzles for seam less pipes based on Flu- ent softw are ZHANG Shao-iun,HU Shu-shan,LIU Guo yong,ZHU Dong mei,YANG Chun yan,LIU Ronge) 1)School ofMechanical Engineering University of Science and Technology Beijing Beijng 100083 China 2)Institute of Chem ical Defense Beijing 102205 China 3)Tianjin College University of Science and Technology Beijing Tianjin 301830.China ABSTRACT 3diension modeling and numerical smulation for nozzle arrangement of a contmolled cooling equipmentwas carried out by the Flent fnite element siulation sofware to obtan a unifom axial temperature fiek The effects of some controlled cooling pa- rameters such as nozzle diameter nozzle number nozzle mows the inlet speed and direction of nozzles on the cooling unifom ity of the pipe wall were analyzed The results show hat the nozzle dimeter the layout and the inlet direction of nozzles have relatively great influence on the cooling unifom ity of the pipe wall but the inlet velocity of nozzles affects only the cooling rate and has little or no effect on the cooling unifom ity of the pipe wall KEY W ORDS sean less pipe controlled coolng nozzle numerical siultion 控制冷却技术是控制轧后钢材的冷却速度以改 在钢管制造过程中，对于具有重要用途的钢管 善钢材的组织和性能，细化铁素体晶粒，减少珠光体 产品，如油井管和锅炉管，为获得理想力学性能，大 片层间距，阻止碳化物在高温下析出，提高析出强化 部分均需要进行淬火处理。冷却作为淬火处理的关 效果而采用的工艺-).轧后快速冷却可使钢材强 键环节，对于钢管热处理的生产效率、最终的产品质 度提高而不减弱韧性，并因含碳量或合金元素的减 量以及经济效益都具有重要的影响，因此钢管淬火 少而改善可塑性和焊接性能、由于加速冷却对于晶 冷却技术的研究历来受到各钢管生产厂家和相关研 粒细化和组织强化的作用，对于一些钢材，控轧控冷 究单位的高度重视5).目前，钢管冷却主要采用钢 可以取消常规轧制工艺的轧后热处理工艺，从而简 管以一定速度旋转十外表面喷流内表面轴向喷射 化生产工艺，提高生产效率，并且可以节约能源和昂 的冷却方式)，因此，喷嘴布置方式得当与否直接 贵的合金元素，具有很大的社会效益和经济效 决定钢管冷却效果的好坏，本文主要研究喷嘴间距 益3 和喷嘴直径、入口方向、入口速度以及喷嘴排数对钢 收稿日期：2009-05-26 作者简介：张少军(1957一)男，教授，Email sjzhang200@yahoo can en
第 32卷 第 1期 2010年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．1 Ｊａｎ．2010 基于 Ｆｌｕｅｎｔ的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 张少军 1） 胡树山 1） 刘国勇 1） 朱冬梅 1） 杨春彦 12） 刘荣娥 3） 1）北京科技大学机械工程学院北京 100083 2）防化指挥工程学院北京 102205 3）北京科技大学天津学院天津 301830 摘 要 为获得轴向均匀的温度场利用 Ｆｌｕｅｎｔ有限元仿真软件对无缝钢管控冷设备中喷嘴布置情况进行了三维建模及数 值模拟研究了喷嘴直径、喷嘴个数、喷嘴排数、喷嘴入口速度和入口方向等参数对钢管外壁冷却均匀性的影响．结果表明喷 嘴直径和布置情况、以及喷嘴入口方向对钢管外表面冷却均匀性影响较大；喷嘴入口速度仅影响冷却速率对钢管外表面冷 却均匀性影响不大． 关键词 无缝钢管；控制冷却；喷嘴；数值模拟 分类号 ＴＧ162．84 ＬａｙｏｕｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｏｌｉｎｇｎｏｚｚｌｅｓｆｏｒｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅｓｂａｓｅｄｏｎＦｌｕ- ｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ ＺＨＡＮＧＳｈａｏ-ｊｕｎ 1）ＨＵＳｈｕ-ｓｈａｎ 1）ＬＩＵＧｕｏ-ｙｏｎｇ 1）ＺＨＵＤｏｎｇ-ｍｅｉ 1）ＹＡＮＧＣｈｕｎ-ｙａｎ 2）ＬＩＵＲｏｎｇ-ｅ 3） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＤｅｆｅｎｓｅＢｅｉｊｉｎｇ102205Ｃｈｉｎａ 3） ＴｉａｎｊｉｎＣｏｌｌｅｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＴｉａｎｊｉｎ301830Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ 3-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｎｏｚｚｌｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆａｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｏｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ ｂｙｔｈｅＦｌｕｅｎｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｏｂｔａｉｎａｕｎｉｆｏｒｍａｘｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｏｍｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｏｌｉｎｇｐａ- ｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｎｏｚｚｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｎｏｚｚｌｅｎｕｍｂｅｒｎｏｚｚｌｅｒｏｗｓｔｈｅｉｎｌｅｔｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｎｏｚｚｌｅｓｏｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆ ｔｈｅｐｉｐｅｗａｌｌｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｏｚｚｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｔｈｅｌａｙｏｕｔａｎｄｔｈｅｉｎｌｅｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｎｏｚｚｌｅｓｈａｖｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｐｅｗａｌｌｂｕｔｔｈｅｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｎｏｚｚｌｅｓａｆｆｅｃｔｓｏｎｌｙｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄｈａｓｌｉｔｔｌｅｏｒ ｎｏｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｐｅｗａｌｌ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｏｌｉｎｇ；ｎｏｚｚｌｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：2009--05--26 作者简介：张少军 （1957— ）男教授Ｅ-ｍａｉｌ：ｓｊｚｈａｎｇ2004＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ 控制冷却技术是控制轧后钢材的冷却速度以改 善钢材的组织和性能细化铁素体晶粒减少珠光体 片层间距阻止碳化物在高温下析出提高析出强化 效果而采用的工艺 ［1--2］．轧后快速冷却可使钢材强 度提高而不减弱韧性并因含碳量或合金元素的减 少而改善可塑性和焊接性能．由于加速冷却对于晶 粒细化和组织强化的作用对于一些钢材控轧控冷 可以取消常规轧制工艺的轧后热处理工艺从而简 化生产工艺提高生产效率并且可以节约能源和昂 贵的合金元素具有很大的社会效益和经济效 益 ［3--4］． 在钢管制造过程中对于具有重要用途的钢管 产品如油井管和锅炉管为获得理想力学性能大 部分均需要进行淬火处理．冷却作为淬火处理的关 键环节对于钢管热处理的生产效率、最终的产品质 量以及经济效益都具有重要的影响因此钢管淬火 冷却技术的研究历来受到各钢管生产厂家和相关研 究单位的高度重视 ［5--6］．目前钢管冷却主要采用钢 管以一定速度旋转 ＋外表面喷流 ＋内表面轴向喷射 的冷却方式 ［7］．因此喷嘴布置方式得当与否直接 决定钢管冷却效果的好坏．本文主要研究喷嘴间距 和喷嘴直径、入口方向、入口速度以及喷嘴排数对钢 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．01．003
,124 北京科技大学学报 第32卷 管外壁冷却均匀性的影响，为实际生产中钢管控冷 模拟，材料为29CMo44V,热导率和比热容见表1 设备的喷嘴布置提供参考和依据， 和表28] 表1不同温度下无缝管的热导率 1数值模拟 Tabl 1 Themal conductivity of the seam kess pipe at different tempera 1.1模型建立 仙es 0 136 900 本文依据无缝钢管控制冷却过程的真实情况， 温度心 310 借助Flent软件建立其三维仿真模型并进行了数值 热导率/(Wm1.℃-1) 42.7 38.5 19.726.4 表2不同温度下无缝管的比热容 Tabl 2 Specific heat of the sean less pipe at different temperatures 温度尤 50 120 170 210 240 290 350 650 比热容(kg1.℃-1) 468.8 493.9 640.5 996.3 203.7 1033.9 506.5 548.4 根据现有计算机计算能力，模型参数取为：钢管 外径159mm,壁厚B=24mm,长度L=500mm:模 型如图1所示， a (4) 能量守恒方程： 喷嘴 +2g+2四2 ++ (5) 可实现ke模型中k和e的输运方程： 钢管 a()+(ku)-a at Ox: 人 ak 十G一e 轴向喷射水 图1物理模型 Fig 1 Physicalmodel dt e2 1.2控制方程 P℃1EE一PC2 k十NE 本文研究的流体介质是水，其在流动过程中与 (6) 钢管之间进行对流换热.水在流动过程中，雷诺数 Re12000属于湍流流动状态.分析时忽略水的可 式中，o=1.0o.=1.2C2=1.9C=ma0.43 压缩性，即认为水的密度是常数.因此，流体的流动 7+5 =(2E,)告E=(2E,E,) 可视为非定常不可压缩黏性流体的湍流流动，流体 的流动应满足如下控制方程9-0) 1+ Ea-20x ax (7) 连续性方程： uv和w是速度矢量u在xy和z方向的分量；P是 +d+=0 ax ay dz (1) 密度；是时间；p是流体微元体上的压力；μ为流体 运动方程： 的动力黏度；为流体的运动黏度；Fx、F,和F,微元 ay十ux 十w 体上的体力，若体力只有重力，且y轴竖直向上，则 y F=0F,=一PgF=0G,是比热容；T为温度；S 为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为 (2) 热能的部分；k是湍动能；E是湍动耗散率；“，是湍 + 动黏度；G是平均速度梯度引起的湍动能k的产生 at 项；E是时均应变率；i广1,23 +州 1.3边界条件 a别 +F, (3) 本文主要涉及以下边界条件：喷嘴入口，钢管轴
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 管外壁冷却均匀性的影响为实际生产中钢管控冷 设备的喷嘴布置提供参考和依据． 1 数值模拟 1∙1 模型建立 本文依据无缝钢管控制冷却过程的真实情况 借助 Ｆｌｕｅｎｔ软件建立其三维仿真模型并进行了数值 模拟．材料为 29ＣｒＭｏ44Ｖ热导率和比热容见表 1 和表 2 ［8］． 表 1 不同温度下无缝管的热导率 Ｔａｂｌｅ1 Ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｓ 温度／℃ 0 136 310 900 热导率／（Ｗ·ｍ—1·℃ —1） 42∙7 38∙5 19∙7 26∙4 表 2 不同温度下无缝管的比热容 Ｔａｂｌｅ2 Ｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｏｆｔｈｅｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 温度／℃ 50 120 170 210 240 290 350 650 比热容／（Ｊ·ｋｇ—1·℃ —1） 468∙8 493∙9 640∙5 996∙3 203∙7 1033∙9 506∙5 548∙4 根据现有计算机计算能力模型参数取为：钢管 外径 159ｍｍ壁厚 Ｂ＝24ｍｍ长度 Ｌ＝500ｍｍ．模 型如图 1所示． 图 1 物理模型 Ｆｉｇ．1 Ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌ 1∙2 控制方程 本文研究的流体介质是水其在流动过程中与 钢管之间进行对流换热．水在流动过程中雷诺数 Ｒｅ＞12000属于湍流流动状态．分析时忽略水的可 压缩性即认为水的密度是常数．因此流体的流动 可视为非定常不可压缩黏性流体的湍流流动流体 的流动应满足如下控制方程 ［9--10］． 连续性方程： ∂ｕ ∂ｘ ＋ ∂ｖ ∂ｙ ＋ ∂ｗ ∂ｚ ＝0 （1） 运动方程： ρ ∂ｕ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｕ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｕ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｕ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｘ ＋μ ∂ 2ｕ ∂ｘ 2 ＋ ∂ 2ｕ ∂ｙ 2 ＋ ∂ 2ｕ ∂ｚ 2 ＋Ｆｘ （2） ρ ∂ｖ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｖ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｖ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｖ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｙ ＋μ ∂ 2ｖ ∂ｘ 2＋ ∂ 2ｖ ∂ｙ 2＋ ∂ 2ｖ ∂ｚ 2 ＋Ｆｙ （3） ρ ∂ｗ ∂ｔ ＋ｕ ∂ｗ ∂ｘ ＋ｖ ∂ｗ ∂ｙ ＋ｗ ∂ｗ ∂ｚ ＝ — ∂ｐ ∂ｚ ＋μ ∂ 2ｗ ∂ｘ 2 ＋ ∂ 2ｗ ∂ｙ 2 ＋ ∂ 2ｗ ∂ｚ 2 ＋Ｆｚ （4） 能量守恒方程： ρ ∂Ｔ ∂ｔ ＋ ∂（ｕＴ） ∂ｘ ＋ ∂（ｖＴ） ∂ｙ ＋ ∂（ｗＴ） ∂ｚ ＝ ＳＴ＋ ∂ ∂ｘ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｘ ＋ ∂ ∂ｙ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｙ ＋ ∂ ∂ｚ ｋ ｃｐ ∂Ｔ ∂ｚ （5） 可实现 ｋ--ε模型中 ｋ和 ε的输运方程： ∂（ρｋ） ∂ｔ ＋ ∂（ρｋｕｉ） ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｊ μ＋ μｔ σｋ ∂ｋ ∂ｘｊ ＋Ｇｋ—ρε ∂（ρε） ∂ｔ ＋ ∂（ρεｕｉ） ∂ｘｉ ＝ ∂ ∂ｘｊ μ＋ μｔ σε ∂ε ∂ｘｊ ＋ ρＣ1Ｅε—ρＣ2 ε 2 ｋ＋ νε （6） 式中σｋ＝1∙0σε ＝1∙2Ｃ2 ＝1∙9Ｃ1 ＝ｍａｘ 0∙43 η η＋5 η＝（2ＥｉｊＥｉｊ） 1／2ｋ ε Ｅ＝（2ＥｉｊＥｉｊ） 1／2 Ｅｉｊ＝ 1 2 ∂ｕｉ ∂ｘｊ ＋ ∂ｕｊ ∂ｘｉ （7） ｕ、ｖ和 ｗ是速度矢量 ｕ在 ｘ、ｙ和 ｚ方向的分量；ρ是 密度；ｔ是时间；ｐ是流体微元体上的压力；μ为流体 的动力黏度；ν为流体的运动黏度；Ｆｘ、Ｆｙ和 Ｆｚ微元 体上的体力若体力只有重力且 ｙ轴竖直向上则 Ｆｘ＝0Ｆｙ＝—ρｇＦｚ＝0；ｃｐ是比热容；Ｔ为温度；ＳＴ 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；ｋ是湍动能；ε是湍动耗散率；μｔ是湍 动黏度；Ｇｋ是平均速度梯度引起的湍动能 ｋ的产生 项；Ｅｉｊ是时均应变率；ｉｊ＝123． 1∙3 边界条件 本文主要涉及以下边界条件：喷嘴入口钢管轴 ·124·
第1期 张少军等：基于Fue的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 ,125. 向喷射入口，钢管外表面喷流出口，钢管轴向喷射出 偏差尽可能小，通过各条曲线上点的方差判断， 口和交界面 tes3喷嘴布置方式对钢管外壁冷却最均匀， 考虑到入口水流已充分发展，可以近似认为入 700 口流速均匀分布，所以取入口均为速度入口，出口 650 流速是未知的，但出口压力是已知的，所以出口均为 600 y 压力出口，即为一个标准大气压，钢管在旋转的同 550， 时进行冷却，为保证数据之间相互传递，在数值模 500 拟过程中须设置交界面， 45950 -100 -50 0 50 100 150 z/mm 2计算结果与分析 图3喷嘴水速为5m·s时各点温度曲线 2.1喷嘴直径和个数对钢管外表面冷却均匀性的 Fg3 Temperatue curves of points at a nozzle waer speed of 5ms 影响 2.2喷嘴入口速度对钢管外壁冷却均匀性的影响 在喷嘴截面积相等的情况下，保证其他参数不 在其他参数不变的情况下，取喷嘴入口速度分 变，变化喷嘴个数和喷嘴半径r考查其对钢管外 别为6m·s和7m·s.模拟计算得钢管外壁各点 表面冷却均匀性的影响，取多个喷嘴的总截面积S 温度情况如图4和图5所示. =324πmm2;水温300K:钢管转速60min;钢管 700 内空间轴向水速=15m·s;钢管开冷温度1173 K:喷嘴为单排，设置在钢管轴线的正上方，沿轴等 600 间距布置，根据S=nπ，取下面几组数据 testl:n=9 r-6mm; 500 es2,n=8-6.36mm: test4 400 test es3.n=16,r=4.5mm: 50-100-50050100150 :/mm tes4:n=20,r=4.03mm: 图4喷嘴水速为6m·时各点温度曲线 es6.n=25,r=3.6mm, Fig 4 Tenperature curves of points at a nozzle water speed of 6 取点位置：x=0mm,y=79mm,沿z向每隔10 m.s mm取一个点，如图2所示，考虑到建模过程中对实 际控冷情况的近似，仅取中间段一150~150mm 700 650 600 550 500 450 400 st4 test5 350 150 -100-50 0 50100150 3/mm 159 图5喷嘴水速为7m·s时各点温度曲线 Fig 5 Tamperature curves of points at a nozzle water speed of 7 图2钢管上点的位置（单位：mm) 综合图3~图5可看出，不同喷嘴入口速度下， Fig 2 Location of ponts on the steel pipe (unit mm) 各种喷嘴布置方式冷却曲线走势基本相同，总体来 取喷嘴入口速度为5m·s,模拟计算得钢管 说，喷嘴入口速度对钢管外壁冷却均匀性影响不大； 冷却3s后各点温度曲线如图3所示，从图中可以 相同喷嘴布置方式下，随着喷嘴入口速度增大，钢管 看出，喷嘴间距比较大时，各喷嘴之间互不干涉，温 外壁冷却速率增大，通过方差比较可知，在三种速 度图出现明显的波峰和波谷，喷嘴正下方出现波谷； 度下，es3喷嘴布置方式对钢管外壁冷却均匀性 喷嘴间距较小时，各喷嘴之间出现了干涉，当喷嘴 最好 直径较大时，各点平均温度较高，说明冷却水没有得 2.3喷嘴截面积对钢管外表面冷却均匀性的影响 到充分利用，要使钢管冷却均匀，就要求各点温度 在其他参数不变的情况下，取多个喷嘴的总截
第 1期 张少军等： 基于 Ｆｌｕｅｎｔ的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 向喷射入口钢管外表面喷流出口钢管轴向喷射出 口和交界面． 考虑到入口水流已充分发展可以近似认为入 口流速均匀分布所以取入口均为速度入口．出口 流速是未知的但出口压力是已知的所以出口均为 压力出口即为一个标准大气压．钢管在旋转的同 时进行冷却．为保证数据之间相互传递在数值模 拟过程中须设置交界面． 2 计算结果与分析 2∙1 喷嘴直径和个数对钢管外表面冷却均匀性的 影响 在喷嘴截面积相等的情况下保证其他参数不 变变化喷嘴个数 ｎ和喷嘴半径 ｒ考查其对钢管外 表面冷却均匀性的影响．取多个喷嘴的总截面积 Ｓ1 ＝324πｍｍ 2；水温 300Ｋ；钢管转速 60ｒ·ｍｉｎ —1；钢管 内空间轴向水速 Ｖ内 ＝15ｍ·ｓ —1；钢管开冷温度 1173 Ｋ；喷嘴为单排设置在钢管轴线的正上方沿 ｚ轴等 间距布置．根据 Ｓ＝ｎπｒ 2取下面几组数据． ｔｅｓｔ1：ｎ＝9ｒ＝6ｍｍ； ｔｅｓｔ2：ｎ＝8ｒ＝6∙36ｍｍ； ｔｅｓｔ3：ｎ＝16ｒ＝4∙5ｍｍ； ｔｅｓｔ4：ｎ＝20ｒ＝4∙03ｍｍ； ｔｅｓｔ5：ｎ＝25ｒ＝3∙6ｍｍ∙ 取点位置：ｘ＝0ｍｍｙ＝79ｍｍ沿 ｚ向每隔 10 ｍｍ取一个点如图 2所示．考虑到建模过程中对实 际控冷情况的近似仅取中间段 —150～150ｍｍ． 图 2 钢管上点的位置 （单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．2 Ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） 取喷嘴入口速度为 5ｍ·ｓ —1模拟计算得钢管 冷却 3ｓ后各点温度曲线如图 3所示．从图中可以 看出喷嘴间距比较大时各喷嘴之间互不干涉温 度图出现明显的波峰和波谷喷嘴正下方出现波谷； 喷嘴间距较小时各喷嘴之间出现了干涉．当喷嘴 直径较大时各点平均温度较高说明冷却水没有得 到充分利用．要使钢管冷却均匀就要求各点温度 偏差尽可能小．通过各条曲线上点的方差判断 ｔｅｓｔ3喷嘴布置方式对钢管外壁冷却最均匀． 图 3 喷嘴水速为 5ｍ·ｓ—1时各点温度曲线 Ｆｉｇ．3 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓａｔａｎｏｚｚｌｅｗａｔｅｒｓｐｅｅｄｏｆ5ｍ·ｓ—1 2∙2 喷嘴入口速度对钢管外壁冷却均匀性的影响 在其他参数不变的情况下取喷嘴入口速度分 别为 6ｍ·ｓ —1和 7ｍ·ｓ —1．模拟计算得钢管外壁各点 温度情况如图 4和图 5所示． 图 4 喷嘴水速为 6ｍ·ｓ—1时各点温度曲线 Ｆｉｇ．4 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓａｔａｎｏｚｚｌｅｗａｔｅｒｓｐｅｅｄｏｆ6 ｍ·ｓ—1 图 5 喷嘴水速为 7ｍ·ｓ—1时各点温度曲线 Ｆｉｇ．5 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓａｔａｎｏｚｚｌｅｗａｔｅｒｓｐｅｅｄｏｆ7 ｍ·ｓ—1 综合图 3～图 5可看出不同喷嘴入口速度下 各种喷嘴布置方式冷却曲线走势基本相同．总体来 说喷嘴入口速度对钢管外壁冷却均匀性影响不大； 相同喷嘴布置方式下随着喷嘴入口速度增大钢管 外壁冷却速率增大．通过方差比较可知在三种速 度下ｔｅｓｔ3喷嘴布置方式对钢管外壁冷却均匀性 最好． 2∙3 喷嘴截面积对钢管外表面冷却均匀性的影响 在其他参数不变的情况下取多个喷嘴的总截 ·125·
,126 北京科技大学学报 第32卷 面积S=576πmm2、S=900mmm2,喷嘴入口速度 一般应不小于50mm,因此，选取喷嘴截面积为S 为5m·s.当多个喷嘴总截面积为S时，取下面几 中es3喷嘴布置方式，采取两排间隔交错布置，如 组数据. 图8所示. testl:n=9 r=8mm: tes2:n=8=8.49mm: test:n=16.r-6mmi tes4:n=20=5.37mm: 16x⊙9 es5:n=25=4.8mm 当喷嘴截面积为S时，取下面几组数据 17.562 6x62 testln=9r-10mm: es2:n=8=10.6mm 500 tes8?n=16 r-7.5mm: test4:n=20=6.71mm; 图8两排喷韩布置示意图（单位：mm） Fig 8 Layout of wo mows of nozzes unit mm) tes5:n=25.r=6mm. 模拟计算得钢管冷却3s后各点温度曲线如图 取入口速度为5m·s,其他参数不变，改变喷 6图7所示.综合图3图6和图7可以看出，喷嘴 嘴入口方向，考查其对钢管外壁冷却均匀性的影响. 截面积对钢管外壁冷却均匀性影响较大，通过方差 方案1喷嘴入口方向竖直向下，方案2喷嘴 判断，喷嘴截面积为S2时，es4喷嘴布置方式对钢 入口方向指向钢管轴心.模拟计算得钢管冷却3s 管外壁冷却均匀性最好；喷嘴截面积为S时，es币” 后各点温度如图9所示.从图中可看出，方案1对 喷嘴布置方式对钢管外壁冷却均匀性最好，由此可 钢管外壁的冷却均匀性好， 知，随着喷嘴截面积的增大，喷嘴直径小、个数多的 1150 情况对钢管外壁冷却均匀性有利， 1050 方案1 950 700 650 850 方案2 600 750 550 650 500 50-100 -50050100150 450 :/mm 400 les14' test5 图9不同入口方向各点温度曲线 350 10m 50 50 100 150 Fig 9 Temnperature curves of points in different entrance directions :/mm 图6喷嘴截面积为S2时各点温度曲线 3结论 Fig6 curves of points for the nozzle cmss sectional ar ea S2 (1)在其他参数不变的情况下，随着喷嘴截面 积的增大，喷嘴直径小而个数多的情况对钢管外壁 550 冷却均匀性好 500 (2)在其他参数不变的情况下，随着入口速度 450 的增大，冷却速率逐渐增加，但对钢管外壁冷却均匀 性影响不大， 400H (3)在其他参数不变的情况下，喷嘴入口方向 350 150-100 -50050 100 150 竖直向下与指向轴心两种情况相比较，前者对钢管 :/mm 图7喷嘴截面积为S时各点温度曲线 外壁冷却均匀性更好， Fig 7 Temperature curves of points for the nozzle cmoss"sectional ar 参考文献 [1]W ang Y M.LiM Y.WeiG Controlled Rolling and Controlked 2.4喷嘴入口方向对钢管冷却均匀性的影响 Cooling of Steel Beijing Metallurgical Industry Press 1993 根据设备实际安装情况，两喷嘴最小安装间距 (任有铭，李曼云，韦光。钢材的控制轧制和控制冷却.北京：
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 面积 Ｓ2 ＝576πｍｍ 2、Ｓ3 ＝900πｍｍ 2喷嘴入口速度 为5ｍ·ｓ —1．当多个喷嘴总截面积为 Ｓ2时取下面几 组数据． ｔｅｓｔ1′：ｎ＝9ｒ＝8ｍｍ； ｔｅｓｔ2′：ｎ＝8ｒ＝8∙49ｍｍ； ｔｅｓｔ3′：ｎ＝16ｒ＝6ｍｍ； ｔｅｓｔ4′：ｎ＝20ｒ＝5∙37ｍｍ； ｔｅｓｔ5′：ｎ＝25ｒ＝4∙8ｍｍ． 当喷嘴截面积为 Ｓ3时取下面几组数据． ｔｅｓｔ1″：ｎ＝9ｒ＝10ｍｍ； ｔｅｓｔ2″：ｎ＝8ｒ＝10∙6ｍｍ； ｔｅｓｔ3″：ｎ＝16ｒ＝7∙5ｍｍ； ｔｅｓｔ4″：ｎ＝20ｒ＝6∙71ｍｍ； ｔｅｓｔ5″：ｎ＝25ｒ＝6ｍｍ． 模拟计算得钢管冷却 3ｓ后各点温度曲线如图 6、图 7所示．综合图 3、图 6和图 7可以看出喷嘴 截面积对钢管外壁冷却均匀性影响较大．通过方差 判断喷嘴截面积为 Ｓ2 时ｔｅｓｔ4′喷嘴布置方式对钢 管外壁冷却均匀性最好；喷嘴截面积为 Ｓ3 时ｔｅｓｔ5″ 喷嘴布置方式对钢管外壁冷却均匀性最好．由此可 知随着喷嘴截面积的增大喷嘴直径小、个数多的 情况对钢管外壁冷却均匀性有利． 图 6 喷嘴截面积为 Ｓ2时各点温度曲线 Ｆｉｇ．6 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓｆｏｒｔｈｅｎｏｚｚｌｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎａｌａｒ- ｅａＳ2 图 7 喷嘴截面积为 Ｓ3时各点温度曲线 Ｆｉｇ．7 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓｆｏｒｔｈｅｎｏｚｚｌｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎａｌａｒ- ｅａＳ3 2∙4 喷嘴入口方向对钢管冷却均匀性的影响 根据设备实际安装情况两喷嘴最小安装间距 一般应不小于 50ｍｍ．因此选取喷嘴截面积为 Ｓ1 中 ｔｅｓｔ3喷嘴布置方式采取两排间隔交错布置如 图 8所示． 图 8 两排喷嘴布置示意图 （单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．8 Ｌａｙｏｕｔｏｆｔｗｏｒｏｗｓｏｆｎｏｚｚｌｅｓ（ｕｎｉｔ：ｍｍ） 取入口速度为 5ｍ·ｓ —1其他参数不变改变喷 嘴入口方向考查其对钢管外壁冷却均匀性的影响． 方案 1：喷嘴入口方向竖直向下．方案 2：喷嘴 入口方向指向钢管轴心．模拟计算得钢管冷却 3ｓ 后各点温度如图 9所示．从图中可看出方案 1对 钢管外壁的冷却均匀性好． 图 9 不同入口方向各点温度曲线 Ｆｉｇ．9 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｏｉｎｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｔｒａｎｃｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ 3 结论 （1）在其他参数不变的情况下随着喷嘴截面 积的增大喷嘴直径小而个数多的情况对钢管外壁 冷却均匀性好． （2）在其他参数不变的情况下随着入口速度 的增大冷却速率逐渐增加但对钢管外壁冷却均匀 性影响不大． （3）在其他参数不变的情况下喷嘴入口方向 竖直向下与指向轴心两种情况相比较前者对钢管 外壁冷却均匀性更好． 参 考 文 献 ［1］ ＷａｎｇＹＭＬｉＭ ＹＷｅｉＧ．ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｏｌｌｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ＣｏｏｌｉｎｇｏｆＳｔｅｅｌ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ1993 （王有铭李曼云韦光．钢材的控制轧制和控制冷却．北京： ·126·
第1期 张少军等：基于Fue的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 ,127. 治金工业出版社，1993) pmduction lne in petmoleum steel pipes Heavy Plant 2002(4): [2]Zhang S J Xu X H.Yang C Y,etal Fhx unifom ity at the noz 12 zle pipe outlet of a fourbranch pipe contmolled cooling apparatus (张喜庆，卢明忠，徐能惠全自动石油钢管调质生产线.重型 for steel plates J Univ Sci Technol Beijing 2008 30(10):1154 机械，2002(4)：12) (张少车，许小花，杨春彦，等.四支管钢板控冷结构喷嘴管出 [7]Li B.Guo D.Q ian Q.et al Intemal motation quenchng technob- 口流量均匀性.北京科技大学学报，200830(10)：1154) gy for steel pipe HeatTreatMet 2008 33(7):77 [3]Sun JD.Ding X.Application of contmlled-cooling technolgy in (李彬，郭东，钱强，等.钢管内喷旋流淬火技术·金属热处理， medim plate pmduction Res Iron Steel 2005.33(2):48 200833(7):77) (孙决定，丁世学，控制冷却技术在中厚板生产中的应用，钢铁 [8]Wu BB W en D Y,LiL J et al Simulation of temperature fieH 研究，2005,33(2)：48) of quenching process of hot-molled high'"strength seam less pipe by [4]W ang L B A Study on the Bars'Coolng Equiment and the Cool FEM.J Tianjin Univ Technol 2006.22(6):28 ng Parameters [D issertation]Beijng University of Science and (武斌斌，温殿英，李连进，等，热轧高强度无缝钢管淬火工艺 Technolgy Beijing 2009,2 温度场有限元模拟.天津理工大学学报，200622(6)：28) (王令宝，棒材控冷设备结构及其参数研究[学位论文]北京： [9]W ang F J CamnputationalF luid Dynam ics CFD Software Prnciple 北京科技大学，2009.2) and Application Beijng Tsinghua University Press 2004 [5]Yn G H.Baoshan imn steel water quenching heat treament (王福军，计算流体动力学分析一CD软件原理与应用，北 system of oil well pipe HeatTmat 2003 18(3):10 京：清华大学出版社，2004) (殷光宏.宝钢股份油井管水淬热处理系统，热处理，200318 [10]Zhang YY.Fhid Mechanics Beijing Higher Education Press (3):10) 2002 [6]Zhang X Q.Lu M Z Xu N H.Autmatic quenching and tempering (张也影.流体力学.北京：高等教育出版社，2002)
第 1期 张少军等： 基于 Ｆｌｕｅｎｔ的无缝钢管控制冷却喷嘴布置参数 冶金工业出版社1993） ［2］ ＺｈａｎｇＳＪＸｕＸＨＹａｎｇＣＹｅｔａｌ．Ｆｌｕｘｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙａｔｔｈｅｎｏｚ- ｚｌｅｐｉｐｅｏｕｔｌｅｔｏｆａｆｏｕｒ-ｂｒａｎｃｈｐｉｐｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｏｌｉｎｇａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓ．ＪＵｎｉｖＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢｅｉｊｉｎｇ200830（10）：1154 （张少军许小花杨春彦等．四支管钢板控冷结构喷嘴管出 口流量均匀性．北京科技大学学报200830（10）：1154） ［3］ ＳｕｎＪＤＤｉｎｇＳＸ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ-ｃｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ ｍｅｄｉｕｍｐｌａｔｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＲｅｓＩｒｏｎＳｔｅｅｌ200533（2）：48 （孙决定丁世学．控制冷却技术在中厚板生产中的应用．钢铁 研究200533（2）：48） ［4］ ＷａｎｇＬＢ．ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＢａｒｓ’ＣｏｏｌｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅＣｏｏｌ- ｉｎｇＰａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ2009：2 （王令宝．棒材控冷设备结构及其参数研究 ［学位论文 ］．北京： 北京科技大学2009：2） ［5］ ＹｉｎＧＨ．Ｂａｏｓｈａｎｉｒｏｎ＆ ｓｔｅｅｌｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｏｆｏｉｌｗｅｌｌｐｉｐｅ．ＨｅａｔＴｒｅａｔ200318（3）：10 （殷光宏．宝钢股份油井管水淬热处理系统．热处理200318 （3）：10） ［6］ ＺｈａｎｇＸＱＬｕＭＺＸｕＮＨ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｉｎｐｅｔｒｏｌｅｕｍｓｔｅｅｌｐｉｐｅｓ．ＨｅａｖｙＰｌａｎｔ2002（4）： 12 （张喜庆卢明忠徐能惠．全自动石油钢管调质生产线．重型 机械2002（4）：12） ［7］ ＬｉＢＧｕｏＤＱｉａｎＱｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｒｎａｌｒｏｔａｔｉｏｎｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ- ｇｙｆｏｒｓｔｅｅｌｐｉｐｅ．ＨｅａｔＴｒｅａｔＭｅｔ200833（7）：77 （李彬郭东钱强等．钢管内喷旋流淬火技术．金属热处理 200833（7）：77） ［8］ ＷｕＢＢＷｅｎＤＹＬｉＬＪｅｔａｌ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ ｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｏｔ-ｒｏｌｌｅｄｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｅａｍｌｅｓｓｐｉｐｅｂｙ ＦＥＭ．ＪＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖＴｅｃｈｎｏｌ200622（6）：28 （武斌斌温殿英李连进等．热轧高强度无缝钢管淬火工艺 温度场有限元模拟．天津理工大学学报200622（6）：28） ［9］ ＷａｎｇＦＪ．ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ—ＣＦＤＳｏｆｔｗａｒｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ2004 （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］ ＺｈａｎｇＹＹ．ＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎＰｒｅｓｓ 2002 （张也影．流体力学．北京：高等教育出版社2002） ·127·
