周存龍，張雪成，江連運，劉曉瑾，袁 國，王國棟

（1.太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西太原030024；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110819）

軋后鋼管冷卻過程中厚度方向溫度變化規(guī)律*

周存龍1，張雪成1，江連運1，劉曉瑾2，袁 國2，王國棟2

（1.太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西太原030024；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110819）

采用有限單元法對鋼管外壁射流冷卻方式下厚度方向溫度變化的規(guī)律進行了研究。研究結果表明：采用優(yōu)化控制冷卻策略和冷卻強度能夠實現(xiàn)壁厚20 mm以下鋼管的全面冷卻，滿足鋼管工藝需要；壁厚小于20 mm的鋼管，當傳熱系數(shù)為2 000 W/（m2·℃）時，采用連續(xù)冷卻方式內、外表面與厚度中心最大溫差小于250℃；當傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）時，與連續(xù)冷卻方式相比，采用水冷和空冷循環(huán)進行的間隔型冷卻方式使鋼管內、外表面與厚度中心最大溫差進一步減小。

鋼管；外壁射流冷卻；冷卻方式；冷卻強度；傳熱系數(shù)；溫差

基于以快速冷卻為核心的控軋控冷技術在改善鋼材性能、提高鋼材強度和減量化生產方面的優(yōu)越性，軋后冷卻技術得到了快速發(fā)展［1-3］。控軋控冷在板（帶）材生產中得到了廣泛的應用。目前，幾乎所有的熱軋帶鋼生產線均配置了軋后冷卻系統(tǒng)，部分熱連軋線還配置了軋后加強型冷卻和超快速冷卻系統(tǒng)［4-5］。軋后冷卻系統(tǒng)為高品質鋼材的開發(fā)及減量化生產提供了重要技術支持［6-7］。但受鋼管結構、生產效率的限制，以快速冷卻為核心的控軋控冷技術尚未在鋼管生產中得到廣泛應用。因此，國內外學者對鋼管的控軋控冷技術展開了研究與探討［8-11］，但鋼管冷卻技術的應用仍存在一定困難。

鋼管在線熱處理工藝包括在線?；に?、在線淬火工藝和在線快速冷卻工藝。熱處理技術的核心是鋼管在高冷卻強度下的冷卻均勻性問題。受鋼管外形結構和軋制節(jié)奏的限制，實現(xiàn)鋼管內、外壁在線冷卻存在較大困難，如果能在滿足產品對冷卻工藝要求的前提下采用外壁射流冷卻方式對鋼管進行冷卻，這將為鋼管軋后快速冷卻提供便利。本文研究了鋼管厚度、冷卻強度和冷卻策略對鋼管厚度方向溫度分布的影響規(guī)律，為軋后鋼管冷卻工藝參數(shù)的制定提供理論參考。

1 有限單元法建模

熱軋鋼管在線冷卻設備安裝在定（減）徑機后，在冷卻過程中鋼管內壁進行熱對流（自然對流）和熱輻射，對流傳熱系數(shù)為40 W/（m2·℃），鋼管外壁進行自然對流和強制對流（水冷）。

采用有限單元法對鋼管冷卻過程進行模擬，在鋼管表面可施加三類邊界條件：第一類邊界條件，已知流體與固體邊界處的溫度分布；第二類邊界條件，已知流體與固體之間的熱流密度（傳熱系數(shù)）；第三類邊界條件，已知流體與固體之間的換熱規(guī)律［12-15］。根據(jù)這三類邊界條件的性質，在模擬鋼管冷卻過程時采用第二類邊界條件。

在冷卻過程中，冷卻水和空氣的溫度均為27℃，鋼管初始溫度為860℃，運行速度為1.0 m/s，冷卻時間為40 s，鋼管的密度為7 850 kg/m3，比熱容為448 J/（kg·℃），導熱系數(shù)與鋼管溫度有關，鋼在不同溫度下的導熱系數(shù)見表1。

表1 鋼在不同溫度下的導熱系數(shù)

鋼管的壁厚一般為幾十毫米，其長度一般為幾十米，所以鋼管的長度遠大于其壁厚；因此，在研究鋼管冷卻過程中厚度方向溫度均勻性時，鋼管冷卻過程可簡化為二維平面問題。冷卻過程采用Ansys Multiphysics（多物理場仿真）軟件進行模擬，單元類型為“plane77”（二維8節(jié)點熱實體單元）。為保證計算精度，在劃分網(wǎng)格時將鋼管厚度方向劃分為20個單元，圓周方向劃分為400個單元。

2 計算結果與分析

根據(jù)所設定的初始條件和邊界條件，模擬在不同冷卻強度和冷卻策略下鋼管軋后冷卻過程，得到了壁厚為5～20 mm的鋼管在冷卻過程中厚度方向節(jié)點溫度趨勢，由此可對厚度方向溫度變化規(guī)律進行研究。

壁厚為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的鋼管在傳熱系數(shù)α分別為1 000 W/（m2·℃）、2 000 W/（m2·℃）和3 000 W/（m2·℃）時，根據(jù)節(jié)點溫度趨勢，得到了冷卻過程中鋼管外表面、內表面和厚度中心節(jié)點溫度趨勢。不同壁厚鋼管在不同傳熱系數(shù)下的溫度趨勢如圖1～4所示。根據(jù)節(jié)點溫度趨勢得到了冷卻過程中鋼管內、外表面節(jié)點與厚度中心最大溫差，不同壁厚鋼管在不同傳熱系數(shù)下厚度方向的最大溫差見表2。

圖1 壁厚為5 mm鋼管在不同傳熱系數(shù)下的溫度趨勢

由圖1～4可知：隨著冷卻過程的進行，鋼管內、外表面與厚度中心的溫差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即在冷卻前期鋼管內、外表面與厚度中心的溫差逐漸增加，當溫差達到最大值后逐漸降低；由于對鋼管外表面進行強制對流而對內表面進行自然對流，因此外表面與厚度中心的溫差大于內表面與厚度中心的溫差，并且在冷卻強度相同時鋼管壁厚越大，內、外表面與厚度中心的溫差就越大。

圖2 壁厚為10 mm鋼管在不同傳熱系數(shù)下的溫度趨勢

圖3 壁厚為15 mm鋼管在不同傳熱系數(shù)下的溫度趨勢

圖4 壁厚為20 mm鋼管在不同傳熱系數(shù)下的溫度趨勢

從表2可以看出：隨著鋼管壁厚和傳熱系數(shù)的增加，鋼管內、外表面與厚度中心之間的最大溫差也隨之增大，并且內表面與厚度中心的最大溫差明顯小于外表面與厚度中心的最大溫差；當壁厚相同時，隨著傳熱系數(shù)的增大，內、外表面與厚度中心的最大溫差也隨之線性增加。

對厚度方向溫度分布規(guī)律進行了研究后，在劃分單元時將鋼管厚度方向劃分20個單元，共21個節(jié)點，節(jié)點編號由內表面至外表面分別為0、1、2…20，根據(jù)計算結果得到了鋼管外表面溫度為500℃和600℃時厚度方向的溫度分布。鋼管外表面溫度為500℃和600℃時厚度方向的溫度分布如圖5～6所示。

由表2與圖5～6可以看出：在冷卻過程中鋼管內表面與厚度中心的溫差小于外表面與厚度中心的溫差，并且該溫差受鋼管壁厚的影響作用明顯；鋼管厚度中心至內表面區(qū)域內相鄰節(jié)點之間的溫差較小，而厚度中心至外表面區(qū)域內相鄰節(jié)點之間的溫差較大，且相鄰節(jié)點越靠近鋼管外表面，相鄰節(jié)點間的溫差越大。

表2 不同壁厚鋼管在不同傳熱系數(shù)下厚度方向的最大溫差

圖5 鋼管外表面溫度為500℃時厚度方向溫度分布

圖6 鋼管外表面溫度為600℃時厚度方向溫度分布

由表2可知，當鋼管壁厚為20 mm，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3 000 W/（m2·℃）時，連續(xù)冷卻過程中鋼管外表面與厚度中心的最大溫差為272.7℃，不利于厚度方向組織性能的均勻性。為了減小最大溫差，可通過降低鋼管的冷卻強度來達到目的，也可以調整冷卻策略，即采用間隔型冷卻方式（稀疏冷卻）。

根據(jù)所設定的邊界條件和初始條件，模擬在水冷和空冷循環(huán)進行的間隔型冷卻方式下不同壁厚（h取5～20 mm）的鋼管厚度方向節(jié)點溫度趨勢。傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）時不同壁厚鋼管在間隔型冷卻方式下內、外表面和厚度中心溫度趨勢如圖7所示。

由圖7可以看出：在間隔型冷卻方式下水冷結束之后存在一個返溫過程，內、外表面溫度趨于一致，之后再次進行水冷，內、外表面溫差呈增大趨勢，但是與連續(xù)冷卻相比，內、外表面與厚度中心的溫差有所減小。由此可見，間隔型冷卻方式有利于減小內、外表面與厚度中心的溫差。

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)可以得到不同冷卻時刻鋼管內外表面與厚度中心的溫差。不同壁厚鋼管在不同冷卻時間下內、外表面與厚度中心的溫差見表3。

由圖5～7可以看出：與連續(xù)冷卻方式相比，在間隔型冷卻方式下鋼管內、外表面與厚度中心的溫差較小。由此可見，間隔型冷卻方式可在一定程度上解決厚壁鋼管內、外表面與厚度中心溫差較大的問題。

由以上計算結果可以看出：在連續(xù)冷卻方式下，當表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小于2 000 W/（m2·℃）時壁厚為5～20 mm的鋼管內、外表面與厚度中心最大溫差為216.2℃；當傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）時內、外表面與中心最大溫差為272.7℃，此時采用間隔型冷卻方式可將鋼管內、外表面與厚度中心最大溫差減小至248.5℃。

圖7 傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）時不同壁厚鋼管在間隔型冷卻方式下內、外表面和厚度中心溫度趨勢

表3 不同壁厚鋼管在不同冷卻時間下內、外表面與厚度中心的溫差

3 結論

（1）當傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）時，采用外壁射流沖擊冷卻方式，在18 s內可將壁厚為20 mm的鋼管外表面冷卻至600℃以下，且外表面與厚度中心的溫差在280℃以內。

（2）在傳熱系數(shù)小于2 000 W/（m2·℃），采用連續(xù)冷卻方式時，可使壁厚為20 mm以下的鋼管的外表面與厚度中心最大溫差小于220℃；傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃），采用間隔型冷卻方式后，內、外表面最大溫差可由272.7℃減小至248.5℃，證實了冷卻方式在減小鋼管內、外表面與厚度中心溫差方面所起到的積極作用。

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Rule of Temperature Variation of Hot-rolled Steel Pipe along Wall Thickness Direction during Spray Cooling Process

ZHOU Cunlong1，ZHANG Xuecheng1，JIANG Lianyun1，LIU Xiaojin2，YUAN Guo2，WANG Guodong2
（1.Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallurgical Device Design Theory and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Studied with the FE method is the rule of temperature variation of the steel pipe along the wall thickness direction during the external spray cooling process.The result shows that thanks to the optimized cooling control tactics and the cooling strength as well，steel pipes with W.T.under 20 mm can be overall cooled so as to meet relevant process requirement；and that for such pipes as cooled via continuous cooling process，when surface heat transfer coefficient is 2 000 W/（m2·℃），the maximum temperature difference between the outside/inside surfaces and the wall center is less than 250℃，while in case that the heat transfer coefficient is 3 000 W/（m2·℃），compared with the continuous cooling process，using the water/air alternative circulating cooling process，the said temperature difference can be further reduced.

steel pipe；external spray cooling；cooling process；cooling strength；heat transfer coefficient；temperature difference

TG335.71

B

1001-2311（2016）04-0012-06

2015-12-07）

*國家自然科學基金項目（51375325）、太原科技大學博士科研啟動項目（20152026）

周存龍（1965-），男，博士，教授，主要從事鋼管無酸洗除鱗與快速冷卻工藝的研究。

江連運（1985-），男，博士，講師。