螺纹钢空冷过程的温度场模拟

　　0 前言

　　近年来，随着计算机运行速度的不断提高，有限元仿真技术在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用。如在热轧钢材轧后冷却过程中，采用有限元法模拟中厚板控冷过程的二维温度场[1]。

　　目前国内外对温度场的仿真建模分析大都采用ANSYS有限元分析软件，但是由于ANSYS中CFD的功能不够好，所以一般采用流场软件Fluent进行流体和固体的耦合传热分析。笔者利用Fluent软件对螺纹钢切分生产中，两根螺纹钢在冷床上空气冷却过程中的温度场进行了模拟计算，得到了其在空气冷却过程中温度场的变化规律，分析两根螺纹钢空冷产生翘曲现象的原因，并提出改进措施。

　　1 物理模型的建立

　　1.1 工况分析

　　冷床区是螺纹钢棒材冷却的主要场所，棒材在冷却过程中的所有变形均发生在冷床上。小规格棒材切分生产中，在冷床的同一个齿槽内有两根甚至两根以上螺纹钢棒材进行冷却，因不同根螺纹钢在齿条上位置不同，冷却条件不一样，冷却速率不一致，收缩量不同，冷却后的结果是多线螺纹钢相互扭曲，一根棒材向另一根棒材上面爬行，严重的地方两根棒材拧在了一起，成为了“麻花状”，形成弯曲废，制约了螺纹钢切分生产的产品质量和生产效益的发挥。冷床结构为步进梁齿条冷床，由摔直板、动齿条、静齿条和对齐辊道等组成，长120m，宽7. 8m，步进周期约为6s，棒材在冷床上采用自然风冷却方式。螺纹钢两切分生产中，两根螺纹钢进入冷床时会落在同一个齿槽内，通过现场测试，螺纹钢在摔直板第一个齿槽内初冷时的温度范围为930℃～1080℃，平均约为1000℃。摔直板结构如图1所示，摔直板的齿距为80mm，齿形角为26°，厚度为17mm，材料为铸铁。本体上设有通风孔如图2所示。

　　由于同一棒材沿轴向温度差别不大，因此建立两线的横截面冷却模型，所仿真的温度场结果就能达到精度要求。

　　1.2 Gambit模型处理

　　以Φ16mm螺纹钢两线切分生产冷却时为例，用一个齿槽建立模型。为了模拟出通风孔的影响，在二维的模型中，在摔直板的板壁上，开设一系列的等效通风孔，孔径从0到15mm，目的是通过比较几种等效通风孔下的温度场结果，选取出最接近现场的温度场作为结构分析的温度数据。在为模型划分网格时，棒材截面区域是我们关心的区域，其网格应划分致密，以便于得出精确的结果。对于空气区域，棒材附近的空气对棒材的散热有明显的影响，棒材截面的对流换热和热辐射都受这一区域空气的影响，所以棒材附近空气区域的网格也应划分的较为致密，至于其他空气区域的温度场不是本研究所关心的结果，所以在不影响计算精度的条件下应尽可能稀疏，以减少网格数目，提高运算速度，如图3所示。网格划分好后，可设置各边界条件的类型。