热轧板材在线控冷装置集管水流均匀性的研究

胡晓宇， 刘志军

（韶钢工程技术有限公司， 广东　韶关　512123）

试（实）验研究

热轧板材在线控冷装置集管水流均匀性的研究

胡晓宇， 刘志军

（韶钢工程技术有限公司， 广东韶关512123）

对某钢厂热轧板材轧后控冷水箱的阻尼板布置形式进行数值模拟分析和研究。通过分析各种阻尼布置形式的速度流场，确定更有利于集管形成均匀水流的阻尼板布置形式，提高控冷效果。

热轧板材控制冷却阻尼板水流均匀性

不同的阻尼板布置形式对热轧板材的冷却效果有很大的影响[1]，例如一道对称阻尼板、一道非对称阻尼板、两道阻尼板都会使水流在水箱内部重新分配，从而使冷却水流更加均匀。因此，选择较为合理的阻尼板布置形式对于形成均匀的冷却水流，提高冷却效果非常重要。通过对无阻尼板、一道对称阻尼板、一道非对称阻尼板、两道阻尼板四种情况对比选择出合理的阻尼板布置形式。利用FLUENT[2]对冷却水箱的速度场进行数值模拟，通过模拟结果论证阻尼板布置的合理性。水箱结构如图1所示。

图1　水箱结构示意图

1　建立数学模型

1.1基本数学模型

根据图1建立控冷装置二维横截面的数学模型，在此模型中的流体应符合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程[3]。

四种阻尼板布置形式控冷装置二维横截面的数学模型分网后如图2—图5所示。?

图2　无阻尼形式网格

图3　一道对称阻尼形式网格

图4　一道非对称阻尼形式网格

图5　两道对称阻尼形式网格

1.2流场的基础理论

1.2.1质量守恒方程

1.2.2动量守恒方程

1.2.3能量守恒方程

2　分析模拟结果

2.1速度流场模拟结果及分析

利用FLUENT模拟分析软件进行数值模拟分析，其输出速度云图如图6—图9所示。

图6　无阻尼速度云图

图7　一道对称阻尼速度云图

图8　一道非对称阻尼速度云图

图9　两道对称阻尼速度云图

从图6—图9中四种阻尼板不同布置形式的最终模拟结果可知：两道阻尼板的布置形式可以使水流分配更均匀；相反，无阻尼板的水箱和集管中的水流最不均匀，不同集管中水流速度相差较大。

从图6中可以看出：热轧板材轧后控冷装置在无阻尼的情况下，集管中最慢的速度约为2.02 m/s，最快的速度约为4.89 m/s，其速度差值约为2.87 m/s。

从图7、图8中可以看出：将板材轧后控冷装置中加装一道阻尼板后，集管中的水流均匀性明显提高。在一道对称阻尼的情况下，集管中最慢速度约为1.81 m/s，最快速度约为3.76 m/s；在一道非对称阻尼的情况下，集管中最慢速度约为1.78 m/s，最快速度约为3.52 m/s。其速度差值分别为1.95 m/s、1.74 m/s。

从图9中可以看出：在一道阻尼板的基础上又增加了一道阻尼板，变为两道阻尼板后，水箱中的水流再一次被分配[4]，其集管中最慢速度约为1.56 m/s，最快速度约为2.19 m/s，速度差值仅为0.63 m/s，比前几种情况更为均匀[5]。

2.2集管出口处水流均匀性的研究

集管出口处水流的均匀性对板材轧后控冷至关重要[6]。通过模拟阻尼板布置形式的变化，初步了解集管中水流速度的分布情况。对集管出口不同点水流速度的数值模拟分析得出集管出口水流速度点图，进一步分析哪种情况水流更加均匀，如图10—图13所示。

图10　无阻尼出口截面速度图

图11　一道对称阻尼出口截面速度图

图12　一道非对称阻尼出口截面速度图

图13　两道对称阻尼出口截面速度图

从图10—图13可以看出：两道对称阻尼出口截面的速度点值最为集中，此种情况下集管出水口不同点处速度相差较小、水流均匀性较好，有利于在板材轧后控冷过程中得到较为细化均匀的金相组织，提高了板材整体的综合力学性能。

3　结论

1）冷却水箱中阻尼板排列的方式有很多种，本文针对几种阻尼板排列方式（无阻尼、两道、一道对称、一道非对称）进行数值模拟分析，得出其流场速度云图和喷嘴出口横截面速度点图。通过对比各种形式喷嘴处速度值及其差值，可以看出：两道阻尼板的布置使水箱喷嘴出口处的水流速度更加平均，不同点处的速度差值更小；无阻尼形式喷嘴处速度差值最大，不利于形成较均匀的水流。

2）一道对称阻尼和一道非对称阻尼虽然也可以提高水流的均匀性，但在喷嘴处出口个别点处效果不明显，使得个别点的速度明显高于其他点，导致扁钢相应点处冷却不均匀，降低了扁钢的整体力学性能。

[1]王有铭，李曼云.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京：冶金工业出版社，1999：83-106.

[2]韩占忠，王敬等.FLUENT流体工程与仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[3]陈懋章.粘性流体动力学基础[M].北京：高等教育出版社，1993.

[4]韩斌，司良英，刘相华，等.热轧层流冷却集管中流场有限元模拟及冲击压力的理论计算[J]，钢铁研究学报，2004，16（5）：42-46.

[5]BSS Ghasemi，DP Dunne.Formation of Ferritic Products during ContinuousCoolingofaCu-bearingHSLASteels[J].ISIJInternational，2006，46（5）:759-768.

[6]MSGagliano，ME Fine.Precipitation KineticsofNiobiumCarbide and Copper in a Low Carbon，Chromium-free Steel[J]，Calphad（UK），2001，25（2）:207-216.

[7]陈惠芬.金属学与热处理[M].北京：冶金工业出版社，2009.

（编辑：胡玉香）

The Research of Collecting Pipe Flow Uniformity of SPHC Controlled Cooling Device Online

HU Xiaoyu，LIU Zhijun
（Shao Steel Engineering Technology Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512123）

The article carries on numerical simulation analysis and research of the damping form of SPHC rolling controlled cooling.The article compares velocity flow field of damping form to others，eventually determine which damping form is helpful to flow uniformity of collecting pipe to improve the effect of controlled cooling.

SPHC，rolling controlled cooling，damping plate，flow uniformity

TG333.7+1

A

1672-1152（2016）04-0029-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.10

2016-05-03

胡晓宇（1986—），男，硕士，2013年毕业于辽宁科技大学，现从事质量技术管理工作。