（材料加工工程专业论文）中厚板轧后冷却过程有限元模型的研究与应用.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sp r o c e s s i n g e n g i n e e r i n g s t u d y a n d a p p l i c a t i o no ff e mm o d e lf o r p l a t ec o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s b y l iw e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 毋 j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：2 必9 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年舀 学位论文作者签名： 签字日期：纠，7 2 导师签名： 沙k 签字日期：妒j i 7 、7 毋 东北大学硕士学位论文 摘要 中厚板轧后冷却过程有限元模型的研究与应用 摘要 控制冷却作为控制轧制控制冷却技术( t m c p ) 的重要组成部分，可以经济、 高效地改善钢板的微观组织和提高其力学等综合性能，而钢板的温度场模型是轧 后冷却过程控制系统的基础与核心，直接决定着整个冷却过程的控制精度。特别 是在中厚板生产中，研究温度场模型，对提高过程控制系统控制精度，执行严格 冷却工艺制度，具有着重要的实际意义。 本文以国内某中板厂轧后控制冷却系统为研究背景，利用有限元法对复杂边 界问题的求解具有极大适用性和灵活性、计算精度高等特点，开发了中厚板轧后 冷却过程的温度场有限元模型，并实现在线应用。研究的主要内容如下： ( 1 )有限元法求解温度场的理论基础 基于传热学基本原理，建立了中厚板控制冷却数学模型。介绍了有限元法求 解导热微分方程的理论基础，其中包括求解温度场的变分原理、j a c o b i 矩阵和高 斯数值积分等相关理论知识，并推导了有限元法求解温度场的计算公式。 ( 2 )温度场有限元模型的开发 按照控制冷却过程的工艺要求，研究了温度场求解过程中物性参数和边界条 件的处理方法、有限单元网格划分原理和时问步长的确定方法等相关理论模型。 在此基础上，利用有限元法求解温度场的数值计算方法，在v c + + 6 o 软件环境下， 丌发了温度场有限元模型。 ( 3 )温度场有限元模型的性能研究 针对实际的生产情况，分别对空冷过程和水冷过程进行有限元模型的优化。 对不同的钢板厚度、单元网格划分方式、时间步长等条件下的温度场有限元模型 进行训练。对上述不同条件下模型的响应时间和计算精度进行分析，确定了最优 的单元网格和时问步长。 ( 4 )有限元模型的在线应用 将本文中丌发的温度场有限元模型应用到某中板厂的轧后控制冷却控制系统 中，现场应用结果表明，该温度场有限元模型具有较快的响应速度和较高的控制 精度，能够满足中厚板轧后控制冷却工艺要求，具有较好的冷却效果。 关键词：中厚板；控制冷却；温度场；数学模型；有限元法 i i 东北大学硕士学位论文abstract s t u d ya n da p p l i c a t i o no f f e mm o d e lf o r p l a t eco n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s a b s t r a c t a sav i t a lc o n s t i t u e n to ft m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s i n 曲，t h e t e c h n 0 1 0 9 yc o n t r o l l e dc o o l i n g i sa ne 虢= c t i v e f a c i l i t y t o i m p r o v e t h e p l a t e s c o m b i n a t i o n p r o p e i r t y ， s u c ha sm i c m s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e n y t h e t e m p e r a t u r ef i e l d sm o d e l ，w h i c hi st h ec o r eo fp l a t e sc o n t r o l l e dc o o l i n gs y s t e ma r e r r 0 1 l i n g ，d e t e 彻i n e sa c c u r a c yc o n t r 0 1d i r e c t ly e s p e c i a l l yi nt h ep l a t e sp r o d u c t i o n ，t o s t u d yt h et e m p e r a t u r ef i e l d sm o d e l ，i su s e 如lt oi m p r o v et h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e i i l s c o n t r 0 1a c c u r a c y ，a n dt oe x e c u t et h ec o o l i n gr e m i m es t r i c t l y i nt h i sp 印e r ，t a k i n gc o n t r o l l e dc o o l i n gs y s t e ma r e rr 0 1 1 i n gi ns o m ep l a t ep l a n ta s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，w i t ht h ea p p l i c a b i l i t y ，t h en e x i b i l i t ya n dh i 曲c o m p u t a t i o n a c c u r a c yt os o l v ec o m p l e xb o u n d a 巧c o n d i t i o n s ，t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li np l a t e c o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s si sd e v e l o p e db yt h eu s eo ff e m ( f i n i t ee l e n l e n tm e t h o d ) ， a n da p p l i e do n 一1 i n e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf 0 1 1 0 w i n g s ： ( 1 ) s t u d yo nt h et h e o r e t i c a lb a s i so ff e m o ft e m p e r a t u r ef i e l d b a s e do nt h eh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m ，i ti st oe s t a b l i s ht h em a t h 锄a t i c a lm o d e l f o rp l a t ec o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s t h et h e o r e t i c a lb a s i st os o l v et h eh e a tc o n d u c t i o n d i f r e r e n t i a l e q u a t i o n sb yf e mi si n t r o d u c e d ， i n c l u d i n g t h er e l a t e dt h e o r e t i c a l k n o w l e d g et os o l v et h et e m p e r a t u r ef i e l db yf e m ，s u c ha st h ev 撕a t i o np r i n c i p l e ， j a c o b im a t r i c e s ，g a u s sn u m 嘶c a li n t e 黟a t i o n ，a n ds oo n ，a n di td e d u c e st h ec a l c u l a t i o n e q u a t i o nt os 0 1 v et e m p e r a t u r ef i e l db yf e m ( 2 ) d e v e l o p m e n to ff e m m o d e l a c c o r d i n gt op r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t si nc o n t r 0 1 1 e dc o o l i n gp r o c e s s ，t os t i l d ym e r e l a t e dt h e o r e t i c a lm o d e l st os o l v et e n l p e r a t u r ef i e l d ，s u c ha sp h y s i c a lp r o p e f t y p a r a m e t e r s ，p r o c e s s i n gm e t h o d so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，p a r t i t i o np f i n c i p l eo f m ef i n i t e e l e m e n tm e s h e s ，a n ds oo n b a s e do nt h e s e ，i ti st os t u d ym en u m 谢c a lc a l c u l a t i o nt o s o l v et e m p e r a t u r ef i e l db yf e m f i n a l l y ，i ti st oc o m p i l ef e mm o d e lo ft e m p e r a t l l r e 矗e l db yc + + i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( 3 ) s t u d yo fm ep e r f o 啪a n c ef e m m o d e l a g a i n s tt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fp l a t e sp r o i l u c t i o nd u r i n gc o n t r o l l e dc o o l i n g p r o c e s s ，t oo p t i m i z et h ef e mm o d e ld u 订n ga i 卜c 0 0 1 i n ga n dw a t e r - c 0 0 1 i n gp r o c e s s ， r e s p e c t i v e ly t i a i n i n go ff e m m o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l do nt h ec o n d i t i o n so fd i 腑r e n t p l a t e st h i c l ( 1 1 e s s ，d i f 打e n tp a t t e m so fm ef i n i t ee l e m e n tm e s h e sa n dd i 虢r e n tt i m e s t e p s b yh a n d l i n ga n da n a l y z i n gt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c ya n dr e s p o n s et i m eo nt h e d i f f - e r e n tc o n d i t i o n s ，i ti st oo b t a i nt h eo p t i m u me l e m e n tm e s h e sa n dt h eo p t i m u mt i m e s t 印，t om e e tt h en e e d so fp r o g r a mm o d u l e so n l i n ea p p l i c a t i o n ( 4 ) a p p l i c a t i o no ff e m m o d e l m a k i n gt h et e m p e r a t l l r ef i e l d sf e mm o d e la st h ec o r ec o m p o n e n t ，i n s t e a do f w h i c hi st h ep r e v i o u so fo n 一1 i n ea c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n gc o n t i i o ls y s t e m ，t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l d sf e mm o d e lh a sab e t t e rr e s p o n s es p e e da n da b e t t e rc o n t r o la c c u r a c y ，m e e t st h ec o n t r 0 1 1 e dc 0 0 1 i n gs y s t e m so n 一1 i n e 印p l i c a t i o n r e a u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p l a t e ；c o n t r o h e dc 0 0 1 i n g ；t e m p e r a t u r ef l e l d ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；f e m i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引一言1 1 2 控制冷却技术简介2 1 2 1 控制冷却技术的主要特点2 1 2 2 国内外控制冷却技术的发展3 1 3 温度场的数值计算方法7 1 3 1 有限差分法8 1 3 2 有限元法8 1 3 3 中厚板轧后控制冷却过程中温度场的数值计算研究9 1 4 论文研究的主要内容及意义1 1 1 4 1 论文研究的主要内容1 1 1 4 2 论文研究的实际意义1 2 第2 章温度场求解的理论基础1 3 2 1 中厚板控制冷却数学模型1 3 2 1 1 导热微分方程1 3 2 1 2 初始条件和边界条件14 2 1 3 换热系数1 6 2 1 3 1 空冷换热系数一1 6 2 1 3 2 水冷换热系数一1 7 2 2 有限元法求解温度场的基本理论1 9 2 2 1 有限元法求解温度问题的变分原理19 2 2 1 1 无内热源平面非稳态温度场的变分原理1 9 2 2 1 2 有内热源平面非稳态温度场的变分原理1 9 2 2 2 有限单元网格划分2 0 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 3 单元内温度插值函数2 0 2 2 4j a c o b i 矩阵，2 2 2 2 5 高斯数值积分2 3 2 3 有限元法求解温度场的计算原理2 4 2 4 本章小结2 6 第3 章温度场有限元模型的开发2 7 3 1 有限元法程序开发要点2 7 3 2 温度场有限元程序模块及作用2 7 3 3 温度场有限元模型的程序设计思想2 8 3 3 1 初始化钢板内部温度场2 9 3 - 3 2 物性参数的确定2 9 3 3 3 单元网格划分和时间步长确定3 0 3 3 3 1 单元网格划分3 l 3 3 1 3 2 时间步长确定3 2 3 3 4 边界条件处理3 4 3 4 温度场有限元法求解过程3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章温度场数学模型性能研究3 8 4 1 冷却过程工艺参数设定3 8 4 2 空冷条件下模型计算3 9 4 2 1 1 2 m m 厚钢板冷却过程计算3 9 4 2 1 1 等单元网格划分对模型的影响3 9 4 2 1 2 变单元网格划分对模型的影响4 0 4 2 23 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 l 4 2 35 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 1 4 2 41 0 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 2 4 3 水冷条件下模型计算4 3 4 3 1 1 2 m m 厚钢板冷却过程计算4 3 4 3 1 1 等单元网格划分对模型的影响4 3 v i 东北大学硕士学位论文目录 4 3 1 2 变单元网格划分对模型的影响4 4 4 3 23 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 4 4 - 3 35 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 5 4 3 41 0 0 m m 厚钢板冷却过程计算4 6 4 4 模型性能分析4 7 4 4 1 模型响应时间分析4 7 4 4 1 1 不同单元节点一4 7 4 4 1 2 不同时间步长一4 8 4 4 2 模型计算精度分析5 0 4 4 2 1 不同单元节点5 0 4 4 2 2 不同时问步长5 1 4 5 本章小结5 2 第5 章有限元模型的在线应用5 3 5 1 层流冷却控制系统5 3 5 1 1 控制冷却设备布置5 3 5 1 2 控制系统概述5 3 5 1 3 过程控制系统介绍5 4 5 1 3 1 预计算5 5 5 1 3 2 一次修f 计算5 5 5 1 3 3 二次修正计算一5 5 5 1 3 4 自学习计算5 5 5 1 - 3 5 终了处理5 6 5 2 冷却过程控制实例5 6 5 2 1 实例1 5 6 5 2 2 实例2 5 7 5 2 3 实例3 5 7 5 2 4 实例4 5 8 5 3 过程控制系统性能分析5 9 5 3 1 系统响应时间5 9 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 二= = 二= ；= ；= ；= ；= = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = ；2 2 2 5 2 2 2 2 5 2 5 5 2 5 5 3 2 系统控制精度5 9 5 3 2 1 轧后空冷过程5 9 5 3 2 2 水冷和返红过程6 0 5 4 本章小结6 0 第6 章结论6 1 参考文献6 2 致谢6 7 硕士研究生就读期间完成的主要工作6 8 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 钢铁构成了现代社会的基础。从清洁水、能源，到各类精密的运输设施及基 础设旌，钢铁无处不在，它使我们能够满足自身的需求。钢铁对经济增长也必不 可少。近年来，因为发展中国家的推动，全球钢铁需求急剧上升。全球钢铁工业 必须持续增长3 5 ，中国、印度和俄罗斯的钢铁工业必须持续增长8 1 0 ， 这样才能满足原先计划的需求，即到2 0 5 0 年钢铁需求翻番。 我国是钢铁生产和消费大国，粗钢产量连续1 3 年居世界第一j 。进入2 1 世 纪以来，我国钢铁产业快速发展，粗钢产量年均增长2 1 1 。2 0 0 7 年中国消耗了 大约4 0 8 亿吨钢铁，占世界钢铁消耗量的3 4 。2 0 0 8 年，粗钢产量达到5 亿吨， 占全球产量的3 8 ，国内粗钢表观消费量4 5 3 亿吨，继续增长l1 5 ，直接出口 折合粗钢6 0 0 0 万吨，占世界钢铁贸易量的1 5 。同期，世界钢铁增长4 2 。 2 0 0 8 年上半年，我国中厚板产量达到3 0 5 5 力t ，同比增产2 2 5 ，比2 0 0 7 同 期下降2 0 7 个百分点。其中，特厚板产量增幅由2 0 0 7 年同期的1 7 3 下降到6 0 ， 厚板由3 5 1 下降到2 6 5 ，中板由4 4 8 下降到2 3 1 。我国中厚板产量增速明 显放缓的同时，在产品结构上也出现了高端产品增长、低端产品下降的局面，品 种结构调整在加快【2 j 。 钢铁是工业的晴雨表，也是经济的晴雨表。在这场全球金融危机中，钢铁行 业首当其冲。2 0 0 8 年1 0 月以来，钢铁企业大幅减产，钢价暴跌，亏损剧增，钢 铁行业面临着自1 9 9 7 年亚洲金融危机以来最严峻的挑战【3 1 。我国钢铁生产高增长 的时代已经结束，钢铁产业在经历了长期粗放型扩张后，必然要进行一次大的调 整。现阶段，我国城镇化、工业化任务依然繁重，内需潜力巨大，钢铁产业发展 的基本面没有改变。 世界经济金融形势复杂多变，不确定因素增多，钢铁工业既面临着诸多困难， 同样也面临着机遇和发展。中国政府推出“扩大内需、刺激经济、保增长”，以基 础设施建设为主的“4 万亿”投资，必然会带动对钢铁等基础材料的需求增长，促进 钢铁产业平稳运行、健康发展。因此，钢铁行业的暂时回落将有望在2 0 0 9 年迅速 回升。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 控制冷却技术简介 1 2 1 控制冷却技术的主要特点 控制冷却技术是随着控制轧制技术的发展而发展起来的，通过控制加热温度、 轧制温度、变形制度等工艺参数，利用轧后余热进行热处理，改变热轧钢材轧后 的冷却条件来合理控制钢材的整个相变过程，以控制奥氏体、相变产物的组织状 态和组成及碳化物析出行为等，以获得细小晶粒组织，达到控制和改善组织的目 的【4 删，已广泛应用到各个轧钢生产领域当中，成为轧钢技术的主要发展方向。 采用控制冷却技术不仅可以提高产量，而且可以在不降低韧性的情况下，采 用较少含量的合金元素提高钢板的强度和可焊性等综合力学性能，同时减少钢板 的不平整度和残余应力，从而提高钢板的质量f7 1 ，具有很大的社会效益和经济效 益，已逐步成为轧后必不可少的一道工序而受到广泛重视。 典型的控制冷却是在控制轧制后，从相变温度a r 3 以上开始冷却到进行相变的 温度范围( 7 5 0 5 0 0 ) 上下1 0 左右，然后再空冷的工艺，可在不损坏韧性的 情况下提高强度。 尽管控制轧制能有效地改善钢材的性能，但由于热变形因素的影响，使得钢 的相变温度a r 3 升高，致使铁素体在较高温度下析出，在空冷过程中铁素体晶粒 长大，从而使控制轧制效果受到限制【8 _ 4 1 。因此，钢板在控制轧制后必须配合控 制冷却工艺，降低相变温度，进一步细化铁素体及珠光体组织，同时使n b ，t i ， v 微合金元素的碳氮化合物更加弥散析出，进一步提高析出强化效应。尤其是对 未再结晶的奥氏体进行控制冷却时，强韧化效果非常明显【1 5 3 4 1 。 对再结晶后的奥氏体进行控制冷却时，铁素体发生某种程度的晶粒细化，但 效果并不显著。如果对未再结晶奥氏体进行控制冷却，则不仅在变形后的奥氏体 晶界面或变形带产生晶核，在奥氏体晶粒内也生成铁素体核，实现了铁素体的大 幅度晶粒细化。控制冷却是将空冷时生成的珠光体变成微细分散的贝氏体，在提 高强度的同时改善延伸性。 其中控制冷却的作用不可低估，其优点主要有如下几点【3 5 】： ( 1 ) 利用轧后余热，可取代轧后正火处理和淬火加回火处理，节省了二次加 热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。 ( 2 ) 可降低a f 3 温度，造成更大的过冷度，从而提高口的形核率，并降低口晶 粒的长大速度，明显细化口晶粒，使珠光体片层间距明显减小，同时阻止碳化物 一2 一，o 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 在高温下析出，实现强度提高而不减弱韧性。这样，可使控制轧制仅采用前两个 阶段，配合控制冷却来组织生产，终轧温度提高到a r 3 以上，降低了轧制负荷， 减少了轧制道次，从而提高了轧机的产量。 ( 3 ) 可降低含碳量和合金含量，达到降低碳当量的效果，从而改善钢材的塑 性和焊接性。 ( 4 ) 可减少钢板的不平整度和残余应力，防止因不均匀冷却造成的不均匀变 形所产生的扭曲和弯曲，还可以减少表面氧化铁皮的生成。 根据控制冷却后相变产物的不同，可以将控制冷却分为加速冷却( a c c e l e r a t e c o o l i n g ，简称a c c ) 和直接淬火( d i r e c tq u e n c h i n g ，简称d q ) 。加速冷却的产物是 铁素体加珠光体或者铁素体加贝氏体组织，直接淬火的产物是马氏体或贝氏体。 加速冷却工艺使相变温度降低，铁素体形核数量增多，从而抑制相变后铁素体晶 粒的长大，进一步细化铁素体晶粒；同时使生成的珠光体更加均匀分布，并且可 能生成细小的贝氏体组织【3 6 - 38 1 。直接淬火工艺通过抑制铁素体的转变，使得通过 切变机理转变而来的马氏体或贝氏体更加细小【8 ，3 叫。 1 2 2 国内外控制冷却技术的发展 中厚板热轧后的控制冷却设备形式、 中板厂都配置了高水平的控制冷却设备， 却不相同。 ( 1 ) 传统加速冷却系统 冷却方式各不相同。目前，许多国家的 采用的中厚板控制冷却设备的冷却方式 j f e 福山厂( 原n l 福山厂) 于1 9 8 0 年世界首次成功在中厚板轧机后面应 用加速冷却系统o l a c ( o n l i n ea c c e l e r a t e dc 0 0 l i n g ) 。该冷却系统安装于精轧机 与矫直机之间，其上冷却系统是管层流式，水由集管流出落到板面：下冷却通过 安装于辊道之间的喷射式喷嘴进行。 1 9 8 5 年，京滨中厚板厂2 号轧机安装了o l a ci i 控制冷却系统，这是一套通 过式的冷却系统，上集管采用水幕层流冷却，水直落钢板；下集管采用该公司自 行开发的吸水式( s u “o nl 锄i n a r ) 喷射冷却系统。 住友金属鹿岛厂也在2 0 世纪8 0 年代装备了加速冷却系统d a c ( d y n a m i c a c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n 曲，安装于轧机与矫直机之间。该系统是住友金属与l h i 合作丌 发的。上部水冷系统是水幕，共有1 2 个集管；下部是喷射式冷却，共有3 9 个集 管。上、下冷却系统均可在1 0 0 3 0 0 的范围内进行水流量调节，最大用水量为 一3 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 9 0 m 3 m i n 。根据所轧制的品种，上冷却系统与下冷却系统的流量比可在l ： ( 2 o 2 5 ) 调节。 川崎制铁( 现j f e ) 水岛厂的多功能加速冷却系统m a c s ( m u l t i 如n c t i o n a l a c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n gs y s t e m ) 由加速冷却和直接淬火两个独立的部分组成。上集管 是直管式冷却，从原理上说，属于水枕式冷却系统；下集管是特殊设计的带翼片 集管。 主集管侧面一排孔喷出的高压水沿翼片分两股以水幕状喷向铡板下表面，其 中位于上游方向的一股被钢板带回，重新落入翼片，可重复使用，以提高水的利 用效果。该冷却系统长度为4 0 m ，总水量为2 0 0 m 3 m i n ，对于5 0 m m 厚的钢板， 冷却速度可在2 1 1 s 范围内进行调节 4 2 1 。 1 9 8 4 年日本专利报道了一种层流冷却装置，其喷嘴的流量可调，是一种缓急 自由的冷却装置。该装置对提高轧件的组织性能级别产生了很好的效果。就是说 不添加或少添加合金元素就可达到提高钢板的强度和韧性的目的，从而节省了合 金元素，可用普碳钢代替某些低合金钢，大幅度提高产品质量，得到优质、高韧 忡、低屈强比的钢板，产品质量波动很小。 图1 1 国内某中板厂层流冷却系统设备图 f i g 1 1l a y o u to fs o m ep l a t ep l a n t sa c cs y s t e me q u i p m e n t 由于层流冷却设备的喷嘴数量很多，排列又很密，轧件表面上的水层时刻可 以更新，并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头，将滞留在轧件表 而上的水冲掉，所以冷却效果很好【4 3 】，图1 1 是国内某中板厂的层流冷却系统设 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论备图。从图中也可以看出设备庞大复杂，难于维护；并且冷却区较长，因而导致控制上滞后效果严重，约为秒级f 4 引。高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造，利用其结构简单，易于形成稳定的层流状态等优点，增加喷嘴的密度，并结合生产特点，对其在宽度方向上的排列进行调整，使其对各种宽度的产品进行均匀冷却。由于其单根集管上喷嘴密度增加，使冷却能力提高；通过侧喷装置和集管的组数控制可以使钢板在各集管间形成自回火区，从而控制钢板的组织性能及表面质量；喷嘴采用1 0 m m 以上的圆管，不易堵塞，便于维修和管理。通过对普通管层流、高密度管层流和水幕冷却进行比较得知，高密度管层流的冷却能力同水幕冷却能力相当，而设备结构、设备维护及投资则是比较低的【45 l 。( 2 ) 直接淬火( d o ) 系统所谓直接淬火是通过迅速冷却轧制之后的热钢板，在轧制线上使钢板生成淬火组织，是6 0 0 m p a 以上高强度钢板的新生产工艺。与离线淬火比较，这种生产工艺的特点是：节省工序；为了提高淬透性，可减少能够得到同一强度的合金元素含量；由于采取这种措施可降低碳当量以提高焊接性能。因此直接淬火和加速冷却一样，在今后的高强度钢板生产中，作为必要的生产工序而占有主要位置【4 引。由于冷却速度和冷却温度区域等冷却条件的不同，加速冷却设备和直接淬火设备一般是分开设置的。其次，为了在冷却过程中更好地控制板形，在淬火设备上常常配置有与输送辊相对应的上部约束辊。2 0 世纪8 0 年代，日本各宽厚板厂均开发和安装了直接淬火系统。川崎制铁水岛厂开发的m a c s 系统，安装在加速冷却系统后面，长1 3 m 。该系统类似一个水箱，容积2 3 0 0 m 3 ，钢板在箱内浸没在冷却水中。冷却箱有进水口和出水口，箱内安装叶片式搅动辊，加速水的流动，加强冷却水与钢板的热交换。高压淬火时，水压为0 5 m p a ，最大耗水量为6 0 m 3 m i n ；低压淬火时，水压为o 2 m p a ，最大耗水量为18 0 m 3 m i n 。住友金属在冷却线上安装了独自开发的d a ci i 系统( 长1 4 m ) ，该系统采用高压水上、下对称地喷射到钢板的上、下表面，实现对钢板的冷却。日本神户钢铁公司继1 9 8 3 年4 月成功地应用加速冷却工艺之后，于1 9 8 5 年1 2 月对原有设备进行改进，实现了从加速冷却到直接淬火的广泛的冷却。其设备概况如图1 2 所不。一5 一 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 图1 2k c l 殴备概况 f i g 1 2s y n o p t i c1 a y o u to fk c le q u i p m e n t 本设备除在狭缝喷射喷嘴的前后设置分水辊之外，没设确保钢板平直度的约 束辊。关于冷却喷嘴，在设备最前段的上下部位采用狭缝喷射喷嘴，其次，在狭 缝喷射喷嘴的后面分别在上下部采用适用不同水量密度范围的3 种管式层流喷嘴 和倾斜喷雾喷嘴。 我国宝钢新建的5 0 0 0 m m 宽厚板生产线，在控制冷却系统的前段和后段，分 别安装有单独的管式直接淬火装置和管层流冷却系统。当仅启用后段冷却系统时， 可以进行加速冷却；当仅启用前段冷却系统时，可以实现直接淬火。 ( 3 ) 新一代加速冷却系统s u p e r - 0 l a c f 4 7 j 2 0 世纪9 0 年代以来，对于高性能钢材的需求大幅增长。此外，由于对产品质 量的要求日趋严格，强度指标的范围变窄，所以加速冷却的均匀性和控制精度成 为及待解决的问题。 不论是喷射冷却还是层流冷却，在以大水量进行冷却时，很快进入到核沸腾 和膜沸腾共存的过渡沸腾，冷却过程是不稳定的。此外，落在钢板上的冷却水滞 留在钢板表面，会在很宽的范围内引起钢板二次冷却。 这种由于滞留水引起的二次冷却，极易变成不稳定的过渡沸腾状态。在这种 不稳定的条件下，随着冷却的进行，温度的偏差会不断增大，成为引起不均匀冷 却的主要原因，同时也恶化了钢板的质量。 为了解决这些问题，日本开发出了全新概念的新一代加速冷却系统。1 9 9 8 年， j f e 西f f 本制铁所福山地区( 原n k k 福山厂) 厚板厂采用了所谓的 s u p e 卜o l a c ( s u p e ro n l i n ea c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n g ) 新型加速冷却系统。其最大特点是 避丌了过渡沸腾和膜沸腾，实现了全面的核沸腾，具有可达极限的冷却速率和极 一6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 高的冷却均匀性。 s u d e r - o l a c 上冷却系统的喷嘴与钢板的距离较近，以一定的角度沿轧制方向 将一定压力的水喷射到板面，将板面残存水与钢板之间形成的气膜吹扫掉，从而 达到钢板和冷却水之间的完全接触，实现核沸腾。这不仅提高了钢板和冷却水之 问的热交换，达到较高的冷却速率，而且可以实现钢板的均匀冷却，大大抑制钢 板由于冷却不均引起的翘曲。 其下冷却系统是由配置在水槽内的高密度喷嘴喷射冷却水，以其随伴流的方 式进行冷却，即所谓“带高密度导管的吸人式喷水冷却”。由于冷却的均匀性，即 使采用这种上、下表面的强冷方式，也不必担心发生上、下表面的非平衡冷却。 s u d e 卜o l a c 冷却后钢板表面的温度分布均匀，与轧后钢板温度分布是一致的。 s u p e r - 0 l a c 具有优良的控制特性和强大的能力，在j f e 公司产品开发上发挥 了重要作用。为了应对造船行业集装箱船钢板加厚和高强化的趋势，改善钢板热 影响区的组织，j f e 利用s u p e r - o l a c 高冷速和高均匀性的特点，开发了厚规格 高强度船板。这种厚规格钢板与传统造船板碳当量相同，但焊接性能较好，满足 了用户要求。为满足城市高层建筑建设需要， 开发了具有抗震性能和焊接性能的屈服强度为3 8 5 5 9 0 m p a 级的厚钢板。在 桥梁用钢方面，开发了强度、韧性俱佳的非调质钢以及碳低于的极低碳贝氏体高 强度钢s m 5 7 0 t m c 等新型钢种。为了实现工程机械的轻量化，开发了大车臂和 支撑架用7 8 0 m p a 级高强度钢，该钢在4 0 下具有优良的低温韧性【4 2 】。 j f e 仓敷地区水岛厂( 即原川崎制铁水岛厂) ，年生产能力2 0 0 万t ，钢板最 大厚度1 0 0 m m ，宽度5 3 0 0 m m 。2 0 0 3 年，采用s u p e r _ o l a c 系统，钢板最大移送 速度15 0 州m i n ，厚度2 0 m m 时，最大冷却速度可达6 5 s 。 s u p e r o l a c 系统具有很强的冷却能力，同时又具有很好的冷却均匀性，既可 以实现加速冷却，又可以实现在线直接淬火。 1 3 温度场的数值计算方法 中厚板轧后冷却过程是一个伴随相变的热传导过程，各点温度都是空间和时 间的函数。对于求解给定初始和边界条件下微分方程的精确解析解，虽然已有完 整的理论，但是真正能解出的只有极少数的几种简单情况，特别在二维和三维等 问题中更是如此，不可能用有限的解析函数来描述。 钢板冷却过程中其内部的这种瞬态温度场一般采用数值计算方法进行求解， 一7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 比解析解更易于明确温度场各变量之问关系，具有理论和实践价值。在近几十年 中，随着计算机技术的迅速发展，进行离散求解的数值方法发展得十分迅速，并 得到日益广泛的应用，在温度场的数值计算方法中，有限差分法和有限元法正在 被广泛应用。 1 3 1 有限差分法 传统上经常应用的数值计算方法是有限差分法。有限差分法的概念和应用已 经相当长久了，在过去，高阶线性代数方程组的求解是一项非常烦人的工作，所 以人们宁愿寻求近似的解析解。有限元法则从六十年代与电子计算机的应用一起 开始了飞速的发展，特别适用于现代数字电子计算机的运算，所以古老的有限差 分法直到现代还有强大的生命力。 这种方法从微分方程出发，将区域经过离散处理后，借助泰勒级数展开式将 问题的基本方程离散成代数方程组，近似地用差分、差商来代替微分、微商，使 问题得到逐点近似，微分方程和边界条件的求解就可归结为求解一个线性代数方 程组，得到的是数值解4 8 1 。 在有限差分法的离散计算中，可以适当