D0I:10.13374/i.issnl001t03.2008.08.017 第30卷第8期 北京科技大学学报 Vol.30 No.8 2008年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug:2008 中厚板冷却过程中热残余应力的控制 朱冬梅刘国勇 李谋渭张少军 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要确定了中厚板ACC冷却系统的换热边界条件，建立了钢板温度场和应力场有限元计算模型.利用现场实测数据对 温度场计算结果进行验证，利用间接耦合方法对钢板的应力场进行计算.分析了不同集管开启方式、不同辊道速度和不同冷 却介质温度对钢板热残余应力的影响规律 关键词中厚板：控制冷却：热残余应力：工艺参数 分类号TG333.7+1 Heat residual stress control during steel plate controlled-cooling process ZHU Dongmei,LIU Guoyong.LI Mouwei.ZHANG Shaojun School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 ABSTRACT The exchange heat boundary conditions of an accelerated controlled-cooling system (ACC)were decided,and a finite element model of temperature and stress field was constructed.The calculated result of temperature field was proved by testing data. and the stress field of steel plates was computed by using the coupling method.Finally,the effects of parameters such as header com- bination,running speed and cooling medium temperature on the heat residual stress were analyzed. KEY WORDS middle-heavy steel plate:controlled cooling:heat residual stress:technical parameters 随着世界钢铁产业的发展，对钢板的性能要求 1计算模型的建立 也越来越高·尤其是在制造高精度组装部件时，由 切割和焊接输入热量而引起的钢板变形是不容忽视 1.1冷却装置简介 的，由此日本开发了热变形抑制钢板即残余应力控 ACC冷却装置是采用高密集管流对钢板进行 制钢板：经研究发现，造成对成品钢材进行切割或 热处理的大型装备，主要由上集管、下集管、侧吹装 焊接时变形的原因是输入热量及其波动、钢材轧后 置、前后水封和气封等基本设备组成，冷却区入口、 形状不良以及内部的残余应力等，特别是不均匀的 出口处分别装有热金属红外测温仪，其结构布置如 残余应力，故应设法降低钢板生产中每一环节的残 图1所示 余应力山，钢板轧后热处理是产生残余应力的一个 SI S2 S3 s15S16S17S18 重要环节，在钢板冷却过程中，由于钢板内部存在温 …间 的尚尚，返红度 开冷温度 终冷温度 度差，从而会使钢板产生热残余应力，所以合理选择 钢板”一 上集管 控冷工艺参数来保证钢板内部冷却均匀性变得尤为 11i10…0.1t世下集管 X11X12X2X22X31X32X1S1XI52X16X17X18 重要.对此，本文采用ANSYS有限元软件对钢板冷 却过程中的温度场、应力应变场进行了数值模拟计 图1冷却装置组成示意图 算，对不同工艺参数下钢板热残余应力进行对比分 Fig.I Sketch of a cooling equipment 析，从而为实际生产调试提供参考依据， 收稿日期：2007-07-03修回日期：2007-08-12 基金项目：国家“九五”科技攻关项目(N0.95528-03) 作者简介：朱冬梅(1978一)，女，博士研究生；李谋谓(1938一)，男，教授，博士生导师，E-mail:limow@me-ustb.edu-cn
中厚板冷却过程中热残余应力的控制 朱冬梅 刘国勇 李谋渭 张少军 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 确定了中厚板 ACC 冷却系统的换热边界条件建立了钢板温度场和应力场有限元计算模型．利用现场实测数据对 温度场计算结果进行验证利用间接耦合方法对钢板的应力场进行计算．分析了不同集管开启方式、不同辊道速度和不同冷 却介质温度对钢板热残余应力的影响规律． 关键词 中厚板；控制冷却；热残余应力；工艺参数 分类号 TG333∙7＋1 Heat residual stress control during steel plate controlled-cooling process ZHU DongmeiLIU GuoyongLI MouweiZHA NG Shaojun School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083 ABSTRACT T he exchange heat boundary conditions of an accelerated controlled-cooling system （ACC） were decidedand a finite element model of temperature and stress field was constructed．T he calculated result of temperature field was proved by testing data and the stress field of steel plates was computed by using the coupling method．Finallythe effects of parameters such as header combinationrunning speed and cooling medium temperature on the heat residual stress were analyzed． KEY WORDS middle-heavy steel plate；controlled cooling；heat residual stress；technical parameters 收稿日期：2007-07-03 修回日期：2007-08-12 基金项目：国家“九五”科技攻关项目（No．95－528－03） 作者简介：朱冬梅（1978－）女博士研究生；李谋渭（1938－）男教授博士生导师E-mail：limow＠me．ustb．edu．cn 随着世界钢铁产业的发展对钢板的性能要求 也越来越高．尤其是在制造高精度组装部件时由 切割和焊接输入热量而引起的钢板变形是不容忽视 的由此日本开发了热变形抑制钢板即残余应力控 制钢板．经研究发现造成对成品钢材进行切割或 焊接时变形的原因是输入热量及其波动、钢材轧后 形状不良以及内部的残余应力等特别是不均匀的 残余应力故应设法降低钢板生产中每一环节的残 余应力［1］．钢板轧后热处理是产生残余应力的一个 重要环节在钢板冷却过程中由于钢板内部存在温 度差从而会使钢板产生热残余应力所以合理选择 控冷工艺参数来保证钢板内部冷却均匀性变得尤为 重要．对此本文采用 ANSYS 有限元软件对钢板冷 却过程中的温度场、应力应变场进行了数值模拟计 算对不同工艺参数下钢板热残余应力进行对比分 析从而为实际生产调试提供参考依据． 1 计算模型的建立 1∙1 冷却装置简介 ACC 冷却装置是采用高密集管流对钢板进行 热处理的大型装备主要由上集管、下集管、侧吹装 置、前后水封和气封等基本设备组成冷却区入口、 出口处分别装有热金属红外测温仪．其结构布置如 图1所示． 图1 冷却装置组成示意图 Fig．1 Sketch of a cooling equipment 第30卷 第8期 2008年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．8 Aug．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．08．017
.948 北京科技大学学报 第30卷 1.2控冷过程换热边界的确定 钢板下表面对流换热边界的确定采用等效半径 中厚板层流冷却的传热过程主要包括喷水冷却 的概念，等效半径的计算公式为几π=S,其中 和空气冷却.由传热学原理知道，无内热源的三维 n为作用于面积S的射流个数，R:为等效半径，S 瞬态温度场的固体导热微分方程为) 为一组集管所负责的面积(S=lxcD),lxc为下集管 oT-kTTT 纵向间距，0为钢板宽度， ate,ax2Tay2Taz习 钢板进入水冷区前和出水冷区后，主要以高温 式中，T为温度（℃），t为时间(s),P为材料密度 辐射换热为主，伴之以与空气的自然对流换热 (kg/m3),c,为材料定压比热(Jkg1.℃-1)，k为 1.3有限元模型的建立 导温系数(m2s-1), 采用连续冷却时，上下集管的布置不完全对称， 求解瞬态温度场问题是求解在初始条件下，满 钢板上下表面受到冷却的时间有先有后，使得长度 足瞬态导热微分方程及边界条件的温度场函数，采 方向存在温度差，且上下表面温度也不相同，所以采 用高密集射流控冷方式时，钢板的冷却由位于其上、 用三维有限元模型（如图4所示），在数值模拟中提 下方沿二维方向分布的圆形冲击水射流来完成， 出以下假设： 图2为高密度冲击射流水在钢板上表面的流动，文 献[3]把上集管冲击射流在钢板上表面的换热区域 分为I区（冲击换热区）、Ⅱ区（混合换热区）和Ⅲ区 (横向流水换热区)，如图3所示， A5- 图4钢板三维有限元模型 Fig.4 Three-dimension finite element model for a steel plate (1)钢板板形平直性和温度均匀性假设，假设 图2射流水在钢板上表面的流动 钢板轧后在三维方向上都是平直的，且整个钢板的 Fig-2 Jet flow of the surface of a steel plate 初始温度是均匀分布的 (2)对称性假设.在宽度方向上，高密度集管 射流驻点 的布置是对称的，为减少计算量，取半板宽进行 计算. 导热微分方程描述的是固体内部导热的一般规 律，没有包括导热问题的具体条件，它的解不是唯一 的，在物体几何形状、尺寸和热物性已给定的情况 下，固体内部的温度分布及温度随时间的变化，决定 图3钢板上表面换热区域分布 于如下所述的初始条件和边界条件. Fig.3 Distribution of exchange heat regions of the upside surface 初始条件：t=0,T(x,y)为开冷温度 I区位于冲击射流驻点周围的一定区域，此区 边界条件： 域的换热形式为冲击射流对流换热，换热系数通过 A1面射流冲击或流水冷却， 对单股圆形冲击射流的数值模拟得到.Ⅱ区与I区 .∂T =(Tw一T): 相邻，兼有单股冲击射流壁面射流冷却和横向流水 一k an r, 冷却的换热特性，但在Ⅱ区横向流水的冷却作用占 A2面射流冲击或空冷， 次要地位，将圆形对称坐标中的壁面射流流速转化 ,司T -kn(T-T): 为直角坐标系混合换热区的壁面射流流速，然后利 A3面流水冷却， 用平行流动水层的换热特性得出换热边界条件，Ⅲ 区位于两个混合区之间，为流水冷却区域，此区的换 -(.-: 热系数通过对平行水层的数值模拟得到
1∙2 控冷过程换热边界的确定 中厚板层流冷却的传热过程主要包括喷水冷却 和空气冷却．由传热学原理知道无内热源的三维 瞬态温度场的固体导热微分方程为［2］： ∂T ∂t ＝ k ρcp ∂2T ∂x 2＋ ∂2T ∂y 2＋ ∂2T ∂z 2 式中T 为温度（℃）t 为时间（s）ρ为材料密度 （kg／m 3）cp 为材料定压比热（J·kg －1·℃－1）k 为 导温系数（m 2·s －1）． 求解瞬态温度场问题是求解在初始条件下满 足瞬态导热微分方程及边界条件的温度场函数．采 用高密集射流控冷方式时钢板的冷却由位于其上、 下方沿二维方向分布的圆形冲击水射流来完成． 图2为高密度冲击射流水在钢板上表面的流动．文 献［3］把上集管冲击射流在钢板上表面的换热区域 分为Ⅰ区（冲击换热区）、Ⅱ区（混合换热区）和Ⅲ区 （横向流水换热区）如图3所示． 图2 射流水在钢板上表面的流动 Fig．2 Jet flow of the surface of a steel plate 图3 钢板上表面换热区域分布 Fig．3 Distribution of exchange heat regions of the upside surface Ⅰ区位于冲击射流驻点周围的一定区域此区 域的换热形式为冲击射流对流换热换热系数通过 对单股圆形冲击射流的数值模拟得到．Ⅱ区与Ⅰ区 相邻兼有单股冲击射流壁面射流冷却和横向流水 冷却的换热特性但在Ⅱ区横向流水的冷却作用占 次要地位将圆形对称坐标中的壁面射流流速转化 为直角坐标系混合换热区的壁面射流流速然后利 用平行流动水层的换热特性得出换热边界条件．Ⅲ 区位于两个混合区之间为流水冷却区域此区的换 热系数通过对平行水层的数值模拟得到． 钢板下表面对流换热边界的确定采用等效半径 的概念．等效半径的计算公式为 nxπR 2 d＝ S其中 nx 为作用于面积 S 的射流个数Rd 为等效半径S 为一组集管所负责的面积（ S＝ lxcw ）lxc为下集管 纵向间距w 为钢板宽度． 钢板进入水冷区前和出水冷区后主要以高温 辐射换热为主伴之以与空气的自然对流换热． 1∙3 有限元模型的建立 采用连续冷却时上下集管的布置不完全对称 钢板上下表面受到冷却的时间有先有后使得长度 方向存在温度差且上下表面温度也不相同所以采 用三维有限元模型（如图4所示）．在数值模拟中提 出以下假设： 图4 钢板三维有限元模型 Fig．4 Three-dimension finite element model for a steel plate （1） 钢板板形平直性和温度均匀性假设．假设 钢板轧后在三维方向上都是平直的且整个钢板的 初始温度是均匀分布的． （2） 对称性假设．在宽度方向上高密度集管 的布置是对称的为减少计算量取半板宽进行 计算． 导热微分方程描述的是固体内部导热的一般规 律没有包括导热问题的具体条件它的解不是唯一 的．在物体几何形状、尺寸和热物性已给定的情况 下固体内部的温度分布及温度随时间的变化决定 于如下所述的初始条件和边界条件． 初始条件：t＝0T（ xy）为开冷温度． 边界条件： A1面射流冲击或流水冷却 －k ∂T ∂n Γ1 ＝α1（ T w－ Tf）； A2面射流冲击或空冷 －k ∂T ∂n Γ2 ＝α2（ T w－ Tf）； A3面流水冷却 －k ∂T ∂n Γ3 ＝α3（ T w－ Tf）； ·948· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第8期 朱冬梅等：中厚板冷却过程中热残余应力的控制 .949 A4面流水冷却， 过程中通过冷却区的速度分别计算不同冷却方式的 dT 一kan =4(Tw一T); 作用时间，采用分布循环加载的方法，钢板上表面 分步加载如图5所示，图中11、1Ⅱ和1Ⅲ分别表示上 A5面流水冷却 冲击射流的三个冷却区的长度，。为钢板运行 ,T 一kan n=(Tw一T) 速度， 式中，~为钢板表面换热系数，1~为求解 区域，Tw为钢板表面温度，T:为水温. 在水冷过程中，钢板温度变化很大，其热物性随 着温度变化明显，必须考虑热物性与温度的关系， 对于实验用钢Q345B,因其成分中C、Mn和Si元素 空冷阶段 水冷阶段 空冷阶段 的含量接近于16Mn钢，性能指标也接近，在进行有 图5钢板上表面分步加载示意图 限元温度场和应力应变场模拟时，取密度为 Fig.5 Load sketch of the upside surface 7840kgm-3,其物性参数参照16Mn的物性参 数] 在进行钢板应力应变分析中，采用热力间接耦 在网格划分时采用八节点六面体单元solid70, 合的方法，将前面得到的温度场作为体载荷加到模 且采用均匀映射网格划分，考虑到传热主要集中在 型节点上进行有限元数值模拟计算. 板厚方向上，所以板厚方向网格划分得较细. 2模拟结果分析 1.4有限元模型的计算 为了实时正确地模拟钢板动态温度场，必须施 2.1温度场实测与模拟结果 加动态的表面换热边界条件，它可以准确地反映出 利用美国雷泰(Raytek)公司的非接触式 在任何时刻钢板不同位置的温度分布，即可以达到 Raynger MX系列红外温度计对现场生产的钢板温 时空统一，同时也为三维变形模拟提供准确的初始 度进行实测，表1为三组实测数据，图6为有限元 条件， 模拟和实测数据对比曲线.从表1和图6可以看 考虑整个冷却过程经历空冷一水冷一空冷三个 出，利用有限元数值模拟得到的结果和实测数据相 阶段，定义模拟程序中的载荷步.根据钢板在冷却 对误差小于5%，可见有限元数值模拟方法得到的 表1ACC控冷系统实验数据 Table 1 Experimental data of an ACC cooling system 钢种 板厚/mm 辊速/(ms一) 集管开启编号 开冷温度/℃ 终冷温度/℃ 返红温度/℃ Q345B 32 1.0 s13-17 800 605 650 Q345B 36 1.0 s13-17 820 620 680 0345B 35 0.8 s13-16 770 600 630 680 结果与实测值基本相符 660 2.2不同工艺参数对热残余应力的影响 640 2.2.1不同集管组合开启的影响 620 600 在钢种(Q345B)、板厚(32mm)、水温(25℃)和 则580 辊速(1m·s1)相同的情况下，按上集管分别开启 一一终冷实测值 560 。终冷模拟值 s13-17(方案1)，S79、16、17(方案2)和s7、8、15 540 ▲一返温实测值 一返温模拟值 17(方案3)三种组合方式，并开启相对应的下集管， 520 500 通过计算得出钢板表面和芯部等效应力随时间的变 1(32) 2(36) 3(35) 编号（板厚mm) 化曲线如图7所示， 图6有限元模拟数据与实测数据对比 从图7可以看出，钢板表面由于受到集管间隔 Fig.6 Comparison of the results calculated by the finite element 冷却作用，应力随时间呈锯齿形状变化，而芯部主要 method with testing data 靠钢板内部的传热，变化比较平缓，按第三种冷却
A4面流水冷却 －k ∂T ∂n Γ4 ＝α4（ T w－ Tf）； A5面流水冷却 －k ∂T ∂n Γ5 ＝α5（ T w－ Tf）． 式中α1～α5 为钢板表面换热系数Γ1～Γ5 为求解 区域T w 为钢板表面温度Tf 为水温． 在水冷过程中钢板温度变化很大其热物性随 着温度变化明显必须考虑热物性与温度的关系． 对于实验用钢 Q345B因其成分中 C、Mn 和 Si 元素 的含量接近于16Mn 钢性能指标也接近在进行有 限元 温 度 场 和 应 力 应 变 场 模 拟 时取 密 度 为 7840kg·m －3其物性参数参照 16Mn 的 物 性 参 数［6－7］． 在网格划分时采用八节点六面体单元 solid70 且采用均匀映射网格划分．考虑到传热主要集中在 板厚方向上所以板厚方向网格划分得较细． 1∙4 有限元模型的计算 为了实时正确地模拟钢板动态温度场必须施 加动态的表面换热边界条件它可以准确地反映出 在任何时刻钢板不同位置的温度分布即可以达到 时空统一同时也为三维变形模拟提供准确的初始 条件． 考虑整个冷却过程经历空冷—水冷—空冷三个 阶段定义模拟程序中的载荷步．根据钢板在冷却 过程中通过冷却区的速度分别计算不同冷却方式的 作用时间采用分布循环加载的方法．钢板上表面 分步加载如图5所示图中 lⅠ、lⅡ和 lⅢ分别表示上 冲击射流的三个冷却区的长度v p 为钢板运行 速度． 图5 钢板上表面分步加载示意图 Fig．5 Load sketch of the upside surface 在进行钢板应力应变分析中采用热力间接耦 合的方法将前面得到的温度场作为体载荷加到模 型节点上进行有限元数值模拟计算． 2 模拟结果分析 2∙1 温度场实测与模拟结果 利用 美 国 雷 泰 （Raytek ） 公 司 的 非 接 触 式 Raynger MX系列红外温度计对现场生产的钢板温 度进行实测．表1为三组实测数据图6为有限元 模拟和实测数据对比曲线．从表1和图6可以看 出利用有限元数值模拟得到的结果和实测数据相 对误差小于5％可见有限元数值模拟方法得到的 表1 ACC 控冷系统实验数据 Table1 Experimental data of an ACC cooling system 钢种 板厚／mm 辊速／（m·s －1） 集管开启编号 开冷温度／℃ 终冷温度／℃ 返红温度／℃ Q345B 32 1∙0 S13－17 800 605 650 Q345B 36 1∙0 S13－17 820 620 680 Q345B 35 0∙8 S13－16 770 600 630 图6 有限元模拟数据与实测数据对比 Fig．6 Comparison of the results calculated by the finite element method with testing data 结果与实测值基本相符． 2∙2 不同工艺参数对热残余应力的影响 2∙2∙1 不同集管组合开启的影响 在钢种（Q345B）、板厚（32mm）、水温（25℃）和 辊速（1m·s －1）相同的情况下按上集管分别开启 S13－17（方案1）S7－9、16、17（方案2）和 S7、8、15－ 17（方案3）三种组合方式并开启相对应的下集管 通过计算得出钢板表面和芯部等效应力随时间的变 化曲线如图7所示． 从图7可以看出钢板表面由于受到集管间隔 冷却作用应力随时间呈锯齿形状变化而芯部主要 靠钢板内部的传热变化比较平缓．按第三种冷却 第8期 朱冬梅等： 中厚板冷却过程中热残余应力的控制 ·949·
.950 北京科技大学学报 第30卷 500 200 (a) 180 (b) 一方案1 一方案1 一--方案2 ---方案2 140 4方案3 方案3 150 2 100 40 50 20 0 0 50 -20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 时间s 时间s 图7不同集管开启下等效应力·(a)表面；(b)芯部 Fig-7 Equivalent stress under different header nozzles:(a)surface stress:(b)center stress 方式，钢板表面和芯部的最大应力值和热残余应力 启(S1317)相同的情况下，辊道速度分别取0.6， 值最小.而对于方案1和方案2来说，钢板表面的 0.8,1和1.2ms-1,通过计算得出钢板表面和芯 最大应力值和最后的热残余应力相差不大，说明方 部等效应力随时间的变化曲线如图8所示， 案2中集管间断开的方式对减小热残余应力作用比 从图8可以看出，随着辊道速度的增加，钢板表 较小. 面和中心的最大应力逐渐减小，且钢板冷却后的热 2.2.2辊道速度的影响 残余应力也相应减小，说明在满足工艺条件（冷却 辊道速度是钢板冷却过程的重要工艺参数.在 速度、终冷温度)下，增加辊道速度可以有效的减小 钢种(Q345B)、板厚(32mm)、水温(25℃)和集管开 钢板内热残余应力 500 220- (a) 200(b) 400 180 一u=12m:s1 一=12ms 160 ---:u=.0m-s 300 140 0=0.8ms …t=08ms1 --=0.6m5 120 =--u0.6m…s 200 100 40 60 80 20 40 60 80 100 时间s 时间s 图8不同辊速下等效应力图.(a)表面：(b)芯部 Fig.8 Equivalent stress under different rolling velocities:(a)surface stress:(b)center stress 2.2.3冷却介质温度的影响 同.但根据有关学者研究表明，水的温度和冷却能 在钢种(Q345B)、板厚(32mm)、辊速(1ms-1) 力之间有一定的关系，水温和冷却能力近似呈线性 和集管开启(S13-17)相同的情况下，水温度分别取 关系，水温越低，水的过冷度越大，水的冷却效率越 15,25,30,40和60℃，通过计算得出钢板表面和 高，钢板表面换热系数就越大10.然而，水温的 芯部热残余应力随水温的变化曲线如图9所示，从 降低会带来钢板冷后热残余应力的增加，所以在实 图9可以看出，随着水温的增加，钢板冷却后的热残 际生产中应综合考虑，在满足工艺条件（冷却速度、 余应力相应减小，有关学者研究了淬火介质温度对 终冷温度)的情况下，在一定范围内适当提高冷却介 铝合金热残余应力的影响，结果表明淬火残余应力 质的温度，可以减小钢板内热残余应力， 随着介质温度增加而减小8]，和本文所得结果相
图7 不同集管开启下等效应力．（a） 表面；（b） 芯部 Fig．7 Equivalent stress under different header nozzles：（a） surface stress；（b） center stress 方式钢板表面和芯部的最大应力值和热残余应力 值最小．而对于方案1和方案2来说钢板表面的 最大应力值和最后的热残余应力相差不大说明方 案2中集管间断开的方式对减小热残余应力作用比 较小． 2∙2∙2 辊道速度的影响 辊道速度是钢板冷却过程的重要工艺参数．在 钢种（Q345B）、板厚（32mm）、水温（25℃）和集管开 启（S13－17）相同的情况下辊道速度分别取0∙6 0∙81和1∙2m·s －1通过计算得出钢板表面和芯 部等效应力随时间的变化曲线如图8所示． 从图8可以看出随着辊道速度的增加钢板表 面和中心的最大应力逐渐减小且钢板冷却后的热 残余应力也相应减小．说明在满足工艺条件（冷却 速度、终冷温度）下增加辊道速度可以有效的减小 钢板内热残余应力． 图8 不同辊速下等效应力图．（a） 表面；（b） 芯部 Fig．8 Equivalent stress under different rolling velocities：（a） surface stress；（b） center stress 2∙2∙3 冷却介质温度的影响 在钢种（Q345B）、板厚（32mm）、辊速（1m·s －1） 和集管开启（S13－17）相同的情况下水温度分别取 15253040和60℃通过计算得出钢板表面和 芯部热残余应力随水温的变化曲线如图9所示．从 图9可以看出随着水温的增加钢板冷却后的热残 余应力相应减小．有关学者研究了淬火介质温度对 铝合金热残余应力的影响结果表明淬火残余应力 随着介质温度增加而减小［8－9］和本文所得结果相 同．但根据有关学者研究表明水的温度和冷却能 力之间有一定的关系水温和冷却能力近似呈线性 关系水温越低水的过冷度越大水的冷却效率越 高钢板表面换热系数就越大［10－11］．然而水温的 降低会带来钢板冷后热残余应力的增加．所以在实 际生产中应综合考虑在满足工艺条件（冷却速度、 终冷温度）的情况下在一定范围内适当提高冷却介 质的温度可以减小钢板内热残余应力． ·950· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第8期 朱冬梅等：中厚板冷却过程中热残余应力的控制 .951. 98 90 (a) (b) 94 70 60 只 86 香 50 82 40- 20 30 40 50 60 20 30 40 60 温度℃ 温度/℃ 图9不同水温下热残余应力.(a)表面：(b)芯部 Fig.9 Heat residual stress under different water temperatures:(a)surface stress:(b)center stress 发关键技术∥第九次全国热处理大会论文集.北京，2007) 3结论 [4]Wang F L.Study on Numerical Simulation of Controlled Cool- (1)通过对钢板温度场的计算结果和实验结果 ing Medium Steel Plate and its Cooling Model [Dissertation] Beijing:University of Science and Technology Beijing.2003 进行分析得到两者的相对误差小于5%，说明有限 (王峰丽，中厚板控冷过程的数值模拟及控冷模型的研究[学位 元数值模拟方法切实可行 论文]北京：北京科技大学，2003) (2)在不同集管组合开启方案下，第三种方案 [5]Wang B W,Li M W,Wu Z J,et al.Flow jet boiling cooling en- 得到的热残余应力最小. hancing mechanics.J Unie Sci Technol Beijing.2004.26(2): 169 (③)随着辊道速度的增加，钢板表面、芯部热残 (王邦文，李谋渭，吴宗健，等。流射沸腾冷却强化机理.北京 余应力逐渐减小 科技大学学报.2004,26(2)：169) (4)适当提高冷却介质的温度有利于钢板表 [6]TanZ.Engineering Alloy Thermophysical Properties.Beijing: 面、心部热残余应力的减小 Metallurgical Industry Press.1994 (5)在钢板控冷过程中，在满足工艺参数（冷却 (谭真·工程合金热物性.北京：治金工业出版社，1994) 速度、终冷温度)要求的前提下，对质量要求严格的 [7]Sun Z B.Alloy Manual.Beijing:Metallurgical Industry Press. 1992 钢板，应该对集管的开启组合进行合理的设计，并且 (孙真宝.合金钢手册.北京：冶金工业出版社，1992) 尽量增加辊道速度、增加冷却介质的温度、减小水量 [8]Lin G Y.Zhang H.Residual stresses in quenched 7075 aluminum 来降低钢板冷却后的热残余应力 alloy thick plates.Trans Nonferrous Met Soe China.2003.13: 641 参考文献 [9]Chen M X.Zhong H P.Liang X.et al.Effect of quenching [1]Liao J G.The development of thick steel plate controlled cooling medium factor on residual stress of 7075 aluminum alloy plate. technique in Japan.China Steel.2006(2):10 Alum Fabr.2003.5:1) (廖建国，日本厚钢板控制冷却技术的发展。中国钢铁业， (陈梦雄，钟华萍，梁轩，等.淬火介质因素对7075铝合金厚板 2006(2):20) 残余应力的影响.铝加工，2003,5：1) [2]Kong X Q.The Application of the Finite Element Method in [10]Cheng YL,Zhou M W.Direet quenching process for steel plate Heat Transfer Theory.2nd Ed.Beijing:Science Press,1998 after rolling.Angang Technol.1997.12:29) (孔祥谦。有限单元法在传热学中的应用。2版。北京：科学出 (成琦玲，周敏文·钢板轧制后直接淬火工艺研究·鞍钢技术， 版社，1998) 1997,12,29) [3]Li M W,Wang B W.Zhang S J.et al.The key technology of [11]Liu G Y.Study on Cooling and Deformation Mechanism of large steel plate quenching and controlled cooling equipment re- Quenching Steel Plate and Key Techniques [Dissertation]. search and development//The Collection of Essays of the Ninth Beijing:University of Science and Technology Beijing.2007 Heat Treatment Meeting of China-Beijing.2007 (刘国勇.中厚板淬火冷却与变形机理及关键技术研究[学位 (李谋渭，王邦文，张少军，等。大型中厚板淬火控冷装备的研 论文]，北京：北京科技大学，2007)
图9 不同水温下热残余应力．（a） 表面；（b） 芯部 Fig．9 Heat residual stress under different water temperatures：（a） surface stress；（b） center stress 3 结论 （1） 通过对钢板温度场的计算结果和实验结果 进行分析得到两者的相对误差小于5％说明有限 元数值模拟方法切实可行． （2） 在不同集管组合开启方案下第三种方案 得到的热残余应力最小． （3） 随着辊道速度的增加钢板表面、芯部热残 余应力逐渐减小． （4） 适当提高冷却介质的温度有利于钢板表 面、心部热残余应力的减小． （5） 在钢板控冷过程中在满足工艺参数（冷却 速度、终冷温度）要求的前提下对质量要求严格的 钢板应该对集管的开启组合进行合理的设计并且 尽量增加辊道速度、增加冷却介质的温度、减小水量 来降低钢板冷却后的热残余应力． 参 考 文 献 ［1］ Liao J G．The development of thick steel plate controlled cooling technique in Japan．China Steel2006（2）：10 （廖建国．日本厚钢板控制冷却技术的发展．中国钢铁业 2006（2）：20） ［2］ Kong X Q．The Application of the Finite Element Method in Heat T ransfer Theory．2nd Ed．Beijing：Science Press1998 （孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用．2版．北京：科学出 版社1998） ［3］ Li M WWang B WZhang S Jet al．The key technology of large steel plate quenching and controlled cooling equipment research and development ∥ The Collection of Essays of the Ninth Heat T reatment Meeting of China．Beijing2007 （李谋渭王邦文张少军等．大型中厚板淬火控冷装备的研 发关键技术∥第九次全国热处理大会论文集．北京2007） ［4］ Wang F L．Study on Numerical Simulation of Controlled Cooling Medium Steel Plate and its Cooling Model ［Dissertation ］． Beijing：University of Science and Technology Beijing2003 （王峰丽．中厚板控冷过程的数值模拟及控冷模型的研究［学位 论文］．北京：北京科技大学2003） ［5］ Wang B WLi M WWu Z Jet al．Flow-jet boiling cooling enhancing mechanics．J Univ Sci Technol Beijing200426（2）： 169 （王邦文李谋渭吴宗健等．流射沸腾冷却强化机理．北京 科技大学学报200426（2）：169） ［6］ Tan Z．Engineering Alloy Thermophysical Properties．Beijing： Metallurgical Industry Press1994 （谭真．工程合金热物性．北京：冶金工业出版社1994） ［7］ Sun Z B．Alloy Manual．Beijing：Metallurgical Industry Press 1992 （孙真宝．合金钢手册．北京：冶金工业出版社1992） ［8］ Lin G YZhang H．Residual stresses in quenched7075aluminum alloy thick-plates．T rans Nonferrous Met Soc China200313： 641 ［9］ Chen M XZhong H PLiang Xet al．Effect of quenching medium factor on residual stress of 7075 aluminum alloy plate． Alum Fabr20035：1） （陈梦雄钟华萍梁轩等．淬火介质因素对7075铝合金厚板 残余应力的影响．铝加工20035：1） ［10］ Cheng Y LZhou M W．Direct quenching process for steel plate after rolling．A ngang Technol199712：29） （成琦玲周敏文．钢板轧制后直接淬火工艺研究．鞍钢技术 199712：29） ［11］ Liu G Y．Study on Cooling and Deformation Mechanism of Quenching Steel Plate and Key Techniques ［ Dissertation ］． Beijing：University of Science and Technology Beijing2007 （刘国勇．中厚板淬火冷却与变形机理及关键技术研究［学位 论文］．北京：北京科技大学2007） 第8期 朱冬梅等： 中厚板冷却过程中热残余应力的控制 ·951·