趙志恒 張?jiān)葡?駱艷萍 陳密達(dá) 葉傳龍 郭繼祥

(1.武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081； 2.中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223； 3.武鋼集團(tuán) 昆明鋼鐵股份有限公司，云南 安寧 650302)

溫度是高速線材生產(chǎn)中的關(guān)鍵因素，其準(zhǔn)確與否與產(chǎn)品組織性能密切相關(guān)。線材在穿水冷卻過(guò)程中的斷面溫度場(chǎng),通過(guò)傳熱控制方程和一系列與坯料規(guī)格、材料熱物性參數(shù)和外界冷卻條件有關(guān)的邊界換熱模型組成的方程組進(jìn)行求解，其中溫度場(chǎng)的計(jì)算方式和水冷強(qiáng)迫對(duì)流換熱模型的確定是水冷溫控預(yù)測(cè)模型的核心[1]。

為了節(jié)省在線計(jì)算時(shí)間，生產(chǎn)中常采用有限差分方法(finite difference method, FDM)建立溫度預(yù)報(bào)模型。馬艷艷[2]、王躍平[3]、陳忠軒[4]等在網(wǎng)格離散化后通過(guò)消除假想節(jié)點(diǎn)的方法求解得出表面節(jié)點(diǎn)溫度，用此方法計(jì)算換熱效率較低的空冷過(guò)程溫度變化時(shí)，誤差較小，但用于計(jì)算換熱效率較高的水冷過(guò)程中的溫度變化時(shí)，誤差大、精度較低。由于線材在水冷管中冷卻過(guò)程為水繞過(guò)潛體強(qiáng)制對(duì)流換熱，所以在求解水冷換熱系數(shù)時(shí)，水冷管內(nèi)冷卻水流速是必須考慮的關(guān)鍵因素之一。Khalifa等[5]、周民等[6]、李輝等[7]在求解換熱系數(shù)時(shí)均采用水流量與冷卻管水流通面積之比來(lái)計(jì)算水流速，并未考慮到線材運(yùn)輸速度和水壓對(duì)冷卻水流速的影響，這會(huì)擴(kuò)大理論水流速和實(shí)際水流速之間的誤差，從而影響水冷換熱模型的精度。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種新的網(wǎng)格離散化劃分方式，并通過(guò)傅里葉熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)具有表面溫度節(jié)點(diǎn)的有限差分模型。在求解水冷換熱系數(shù)時(shí)采用了具有明確物理意義的Mcadame關(guān)系式[8]，并利用Fluent軟件模擬水冷管內(nèi)真實(shí)的水流速度場(chǎng)，構(gòu)建了高精度的水冷換熱理論模型，并在此基礎(chǔ)上分析了精軋前預(yù)冷段水冷參數(shù)對(duì)線材表面溫降和心表溫差的影響。

1 有限差分模型推導(dǎo)

1.1 傳熱控制方程

根據(jù)棒線材橢圓- 圓的孔型變形特點(diǎn)和傳熱方程，軋件斷面用等效圓截面來(lái)計(jì)算，斷面溫度場(chǎng)采用一維圓柱坐標(biāo)下非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的傅里葉方程[9- 12]：

(1)

式中：λ為線材導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為線材密度，kg/m3；Cp為線材質(zhì)量定壓熱容，J/(kg·K)；T為軋件溫度，℃；t為出加熱爐后軋件運(yùn)行時(shí)間，s；r為沿線材半徑方向的長(zhǎng)度，m；qv為軋制變形熱或相變潛熱，J/mol。

初始條件[13]：

t=0, 0≤r≤R,T(r)=Tin(r)

(2)

邊界條件：

(3)

式中：hcom為綜合換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ts為線材表面溫度，℃；Tg為環(huán)境溫度，℃；T(r)為計(jì)算的斷面溫度，℃；Tin(r)為線材各換熱過(guò)程中的入口斷面溫度，℃。

1.2 具有表面溫度節(jié)點(diǎn)的有限差分解推導(dǎo)

水冷段線材截面都為圓形，因此可以使用有限差分方法計(jì)算線材的截面溫度。其原理為：將線材橫截面沿半徑方向等分m份，共有m個(gè)單元，內(nèi)部單元的中心為i節(jié)點(diǎn)，表面單元的中心為m節(jié)點(diǎn)，由于表層單元的節(jié)點(diǎn)m距離線材表面還存在Δr/2的長(zhǎng)度，且表層單元在與環(huán)境進(jìn)行熱交換時(shí)溫度梯度變化很大，不能直接將其作為線材表面溫度，因此在線材表層m單元的上邊緣取節(jié)點(diǎn)s，該節(jié)點(diǎn)能反映線材表面溫度真實(shí)的非穩(wěn)態(tài)變化情況。中心節(jié)點(diǎn)0的選取也是如此，即中心節(jié)點(diǎn)0和單元節(jié)點(diǎn)1都屬于1單元，但中心節(jié)點(diǎn)0更能代表心部溫度。單元和節(jié)點(diǎn)劃分如圖1所示。

圖1 一維有限差分離散單元和節(jié)點(diǎn)劃分Fig.1 Element discretization and node division in one dimensional FDM

(4)

對(duì)于內(nèi)部單元節(jié)點(diǎn)(i≥2)，從i-1流入i的熱量與從i+1流入i的熱量之和使節(jié)點(diǎn)i的內(nèi)能增加，整理顯示差分方程得內(nèi)部節(jié)點(diǎn)i溫度：

(5)

設(shè)邊界條件是第三邊界條件，既有對(duì)流又有輻射，則環(huán)境傳遞給表面的熱流為：

(6)

而表面?zhèn)鬟f給m單元的熱流為：

(7)

由于表面沒(méi)有厚度無(wú)法儲(chǔ)存熱量，所以由式(6)和式(7)求得表面節(jié)點(diǎn)s溫度：

(8)

對(duì)于表層單元m節(jié)點(diǎn)，從單元m-1流入單元m的熱量和環(huán)境傳遞給單元m的熱流之和使得單元m節(jié)點(diǎn)的內(nèi)能增加，整理顯示差分方程得表層單元m節(jié)點(diǎn)的溫度：

(9)

1.3 有限差分解收斂條件

2 水冷換熱模型

2.1 水冷管內(nèi)冷卻水流速場(chǎng)的模擬

在影響水冷換熱系數(shù)的諸多因素中，水冷管內(nèi)冷卻水流速對(duì)換熱系數(shù)的影響最大。傳統(tǒng)的水流速計(jì)算方法都是通過(guò)水量與水冷管內(nèi)流通面積來(lái)計(jì)算平均水流速，由于水冷管內(nèi)線材的穿水速度很大，會(huì)加速水流動(dòng)，得到的水流速偏低并不符合實(shí)際情況[14]。本文根據(jù)水冷管的實(shí)際尺寸，利用Fluent軟件模擬計(jì)算水冷管內(nèi)冷卻水的流速場(chǎng)，計(jì)算條件為：水冷管長(zhǎng)度470 mm，水冷管內(nèi)徑30 mm，線材直徑19.2 mm，線材速度16.242 m/s，入口壓強(qiáng)為0.65 MPa，水量220 m3/h；入口邊界條件設(shè)為速度入口，入口水管直徑40 mm；出口邊界條件設(shè)為壓力出口，出口壓強(qiáng)0.1 MPa，其他邊界條件都默認(rèn)為無(wú)滑移壁面。流體介質(zhì)為液態(tài)水，密度ρ為97 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度μ為0.905 5×10-6m2/s，黏滯模式選用k-ε模型。選用SIMPLEC算法進(jìn)行求解，模擬計(jì)算的水冷管內(nèi)冷卻水流速場(chǎng)如圖2所示。

圖3為水量為220 m3/h時(shí)水冷管內(nèi)不同位置水流速的流向矢量圖。規(guī)定線材移動(dòng)方向?yàn)檎?，分別在線材表面、水冷管壁和兩者之間的3等分點(diǎn)處取得4個(gè)不同的水流速。結(jié)合圖2可知，冷卻水在噴嘴口時(shí)流速最快，冷卻水進(jìn)入水冷管后部分順著線材移動(dòng)的方向從水箱出口流出，部分回流至水箱入口流出，此時(shí)水流速趨于穩(wěn)定。

圖2 水冷管內(nèi)冷卻水的流速矢量場(chǎng)Fig.2 Velocity vector fields of cooling water in water cooling pipe

圖3 水冷管內(nèi)不同位置的水流速矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram of water at different positions in water cooling pipe

由于無(wú)法直接測(cè)量水冷管內(nèi)水流速，根據(jù)模擬得出的水冷管內(nèi)不同位置的水流速，將整個(gè)水冷管內(nèi)同一位置的不同水流速絕對(duì)值進(jìn)行均勻化，然后再對(duì)水冷管內(nèi)不同位置的水流速進(jìn)行均值處理，得到水量為220 m3/h時(shí)水冷管水流速平均為18.3 m/s，不考慮線材速度影響的理論水流速為13.3 m/s。同理得出其他水流量與水流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4(a)所示。模擬水壓對(duì)水流速的影響時(shí)，入口邊界條件設(shè)為壓力入口，其他條件相同，得到水壓與水流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4(b)所示。通過(guò)對(duì)水流速的回歸分析得到水流量、水壓與水流速之間的關(guān)系為：

圖4 水流量(a)和水壓(b)對(duì)水流速的影響Fig.4 Influence of water flow rate (a) and water pressure (b) on water flow velocity

vw=(0.365 1+0.082 2Fw)1.223Pw0.456 5

(10)

式中：vw為冷卻水流速，m/s；Fw為水流量，m3/h；Pw為水壓，MPa。

2.2 軋件表面溫度對(duì)水冷換熱的影響

圖5(a)為工業(yè)生產(chǎn)收集的軋制φ8～12 mm的HRB400E盤(pán)螺時(shí)，1、2號(hào)水箱的水流量與溫降(預(yù)精軋后實(shí)測(cè)溫度與精軋前實(shí)測(cè)溫度的差值)之間的關(guān)系，1～7號(hào)水箱的開(kāi)冷溫度與溫降(各水冷段前后實(shí)測(cè)溫差)之間的關(guān)系如圖5(b～d)所示。圖5(a)表明水流量越大，平均溫降就越大；圖5(b～d)表明開(kāi)冷溫度越高，則水冷段的溫降越大，亦即水冷段的換熱系數(shù)越大。

圖5 1、2號(hào)水箱的水流量(a)和1～7號(hào)水箱的開(kāi)冷溫度(b～d)與溫降之間的關(guān)系Fig.5 Variation of water flow rate of water tanks No.1 and 2(a) and start cooling temperature of water tanks No.1 to 7(b to d) with temperature drop

2.3 水冷換熱模型的構(gòu)建

在Mcadame計(jì)算公式的基礎(chǔ)上綜合考慮了水冷管內(nèi)水流速、水溫、進(jìn)入水箱時(shí)的線材表面溫度(開(kāi)冷溫度)等參數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響[15]，構(gòu)建水冷換熱理論模型：

(1-0.007 5Tw)(1-10mTs)

(11)

式中：λw為水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；Tw為冷卻水溫度，℃；vw為冷卻水流速，m/s；Dh為冷卻管的水力直徑，m；D為線材直徑，m；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；a為水導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；C、n、m為模型參數(shù)。

結(jié)合高速線材工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)測(cè)溫度， 對(duì)水冷換熱模型的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[16]，結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化的水冷換熱模型參數(shù)Table 1 Optimized parameters of water cooling heat transfer model

2.4 模型驗(yàn)證

實(shí)測(cè)換熱系數(shù)的迭代計(jì)算法：根據(jù)預(yù)精軋出口實(shí)測(cè)溫度，設(shè)定1、2號(hào)水箱的水流量、水壓和噴嘴開(kāi)關(guān)等參數(shù)，先由水流量給定一個(gè)理論換熱系數(shù)初始值，然后用第1章中的有限差分法計(jì)算經(jīng)過(guò)1、2號(hào)水冷箱冷卻后線材精軋前溫度，再與精軋前實(shí)測(cè)溫度比較得出計(jì)算值偏差。當(dāng)偏差大于1 ℃時(shí)，返回預(yù)精軋出口處，增大或減小換熱系數(shù)的自學(xué)習(xí)系數(shù)，并重新計(jì)算得到精軋前溫度，再與精軋前實(shí)測(cè)溫度比較得出計(jì)算值偏差，直至偏差小于1 ℃結(jié)束計(jì)算，得到1、2號(hào)水箱的實(shí)測(cè)換熱系數(shù)為理論換熱系數(shù)初始值與自學(xué)習(xí)系數(shù)的乘積。表2為通過(guò)迭代法計(jì)算得到的換熱系數(shù)實(shí)測(cè)值和式(11)計(jì)算值。由表2可知，預(yù)報(bào)計(jì)算的換熱系數(shù)與實(shí)測(cè)換熱系數(shù)吻合較好。

表2 換熱系數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較Table 2 Comparison between measured and calculated values of heat transfer coefficients

3 水冷參數(shù)對(duì)冷卻效率的影響

采用高速線材軋制φ8～12 mm的HRB400E盤(pán)螺時(shí)，為了克服精軋機(jī)組急劇軋制溫升并獲得成品細(xì)晶粒組織，需進(jìn)行控溫軋制。預(yù)水冷段目的是將線材出預(yù)精軋機(jī)組后的溫度1 000 ～1 040 ℃降低至精軋前的800 ℃左右，該段水冷過(guò)程能夠確保后續(xù)線材出吐絲機(jī)溫度也在800 ℃左右，避免在散卷風(fēng)冷線上產(chǎn)生粗大先共析鐵素體組織。預(yù)水冷段水箱布置如圖6所示。

根據(jù)圖6線材預(yù)水冷段的冷卻過(guò)程將換熱邊界條件分成兩類：一類為區(qū)域Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ中線材通過(guò)與環(huán)境輻射和與空氣的自然對(duì)流，綜合換熱系數(shù)采用馬靳江等[17]所用公式進(jìn)行計(jì)算；另一類為區(qū)域Ⅱ、Ⅳ中線材與冷卻水的強(qiáng)迫對(duì)流，綜合換熱系數(shù)采用式(11)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 預(yù)水冷段水冷箱布置Fig.6 Layout of water cooling tanks in pre- cooling section

水冷箱內(nèi)部水冷噴嘴排布如圖7所示，共有13個(gè)噴嘴，按順序分別為1個(gè)順向干燥噴嘴、9個(gè)冷卻噴嘴、2個(gè)逆向清掃噴嘴和1個(gè)逆向干燥噴嘴，其中干燥噴嘴和清掃噴嘴在水箱運(yùn)作時(shí)處于常開(kāi)狀態(tài)，其余9個(gè)冷卻噴嘴3個(gè)為一組，由3個(gè)氣動(dòng)蝶閥控制。在下文分析中，水箱的開(kāi)關(guān)情況用(1,1,0,1)表示，前3個(gè)數(shù)字代表控制9個(gè)冷卻噴嘴的3個(gè)氣動(dòng)蝶閥的開(kāi)關(guān)情況，第4個(gè)數(shù)字代表控制2個(gè)清掃噴嘴的氣動(dòng)蝶閥的開(kāi)關(guān)情況，其中1代表開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，0代表開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

圖7 水冷箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Internal structure of water cooling tank

結(jié)合差分模型和換熱模型，利用C#代碼在Visual Studio中開(kāi)發(fā)了棒線材熱連軋溫度場(chǎng)模擬預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并用該預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬計(jì)算線材在預(yù)水冷段的溫度場(chǎng)變化。在實(shí)際生產(chǎn)中，線材經(jīng)預(yù)精軋機(jī)組到進(jìn)入第1個(gè)水箱時(shí)，由于軋制后沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行溫度回復(fù)，在進(jìn)入水冷箱時(shí)線材心表已有一定的溫差，因此為了使模擬結(jié)果更好地符合實(shí)際，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮該現(xiàn)象。利用有限差分法模擬計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，將線材截面沿半徑方向劃分為20等份，心部溫度取節(jié)點(diǎn)0處的溫度T0，表層溫度取單元節(jié)點(diǎn)m處的溫度Tm，表面溫度取節(jié)點(diǎn)s處的溫度Ts。

3.1 水流量對(duì)冷卻效率的影響

圖8為1、2號(hào)水箱的水流量均為110 m3/h時(shí)線材斷面各節(jié)點(diǎn)溫度變化。從圖8水冷段可知，在與空氣接觸進(jìn)行換熱的區(qū)域，由于熱交換的效率不高，線材表面和表層單元節(jié)點(diǎn)之間的溫差很小。進(jìn)入水冷箱后，線材表面與冷卻水接觸進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，使得表面溫度驟降，而表層單元節(jié)點(diǎn)由于離線材表面有一定距離(Δr/2)，溫降沒(méi)有表面劇烈，從而使得表層單元節(jié)點(diǎn)和表面之間產(chǎn)生溫差。而在離開(kāi)水冷箱的一瞬間，線材表面重新與空氣接觸發(fā)生熱輻射，由于水冷而增大的心表溫差使得表面溫度急劇回升，并使其再次接近表層單元節(jié)點(diǎn)溫度。由圖8可以看出,在2號(hào)水箱出口處，線材表面與表層單元節(jié)點(diǎn)之間的溫差達(dá)到最大，最高可達(dá)57.18 ℃。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，掌握線材穿水冷卻過(guò)程中表面瞬時(shí)溫度的變化可以有效避免因過(guò)冷而產(chǎn)生馬氏體環(huán)。

圖8 水流量為110 m3/h時(shí)線材斷面各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of temperature of each node on the cross- section of wire with time under the condition of water flow of 110 m3/h

水流量對(duì)水冷換熱系數(shù)有直接影響。表3為線材經(jīng)不同水流量預(yù)水冷后，在精軋機(jī)組前測(cè)溫點(diǎn)處的表面溫降和心表溫差。由表3可知，水流量越大，線材表面溫降越大，在220 m3/h的水流量下精軋機(jī)組前測(cè)溫點(diǎn)的表面溫降達(dá)225.7 ℃，心表溫差超過(guò)了200 ℃。

表3 不同水流量下線材表面溫降和心表溫差Table 3 Surface temperature drop and core- surface temperature difference of wire under the condition of different water flows

3.2 噴水次序?qū)鋮s效率的影響

圖9是開(kāi)啟不同水箱開(kāi)關(guān)時(shí)線材心部、表面以及平均溫度的變化。當(dāng)僅開(kāi)啟1號(hào)水箱，即開(kāi)關(guān)為(1,1,0,1)、(0,0,0,0)時(shí)，線材經(jīng)過(guò)水冷后進(jìn)入精軋機(jī)組時(shí)的心部溫度為1 047.1 ℃，表面溫度為955.9 ℃，心表溫差為91.1 ℃；而當(dāng)僅開(kāi)啟2號(hào)水箱，即開(kāi)關(guān)為(0,0,0,0)、(0,1,1,1)時(shí)，線材進(jìn)入精軋機(jī)組時(shí)的心部溫度為1 061.2 ℃，表面溫度為953.5 ℃，心表溫差為107.7 ℃。在所有參數(shù)都沒(méi)有變化的前提下，僅改變水箱開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟方式，就能使線材經(jīng)過(guò)水冷后的心表溫差減小16.6 ℃。由此可知，在實(shí)際生產(chǎn)中，在選擇水箱開(kāi)關(guān)和噴嘴開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟次序時(shí)，多個(gè)水箱應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟前面的水箱，同一水箱中應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟前面的冷卻噴嘴，線材越早結(jié)束水冷，回復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)，心表溫差就越小。

圖9 不同噴水次序條件下線材斷面溫度隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of temperature on the cross- section of wire with time under the condition of different water spray sequences

3.3 開(kāi)冷溫度對(duì)冷卻效率的影響

開(kāi)冷溫度為1 015、1 030和1 040 ℃時(shí)線材經(jīng)過(guò)預(yù)冷卻系統(tǒng)后，在精軋前測(cè)溫點(diǎn)處的表面溫降及心表溫差如表4所示?？芍€材在不同開(kāi)冷溫度下進(jìn)入水冷箱與冷卻水進(jìn)行熱交換時(shí)，開(kāi)冷溫度越高，線材在水冷箱中的換熱效率就越高，開(kāi)冷溫度相差25 ℃時(shí)表面溫降僅相差5.3 ℃。圖10為線材出預(yù)精軋機(jī)組最后一架軋機(jī)的溫度分別為1 040和1 015 ℃時(shí)的斷面溫度變化曲線。由圖10可以看出，開(kāi)冷溫度為1 040 ℃的線材進(jìn)入水箱后的溫降幾乎與開(kāi)冷溫度為1 015 ℃時(shí)的相同；在回復(fù)段由于心表溫差較大，表面溫度回復(fù)速度較快，在到達(dá)精軋機(jī)組第一架軋機(jī)時(shí)，兩種不同開(kāi)冷溫度的線材的心表溫差僅相差5.1 ℃。

表4 不同開(kāi)冷溫度下線材表面溫降和心表溫差Table 4 Surface temperature drop and core- surface temperature difference of wire under the condition of different start cooling temperatures

圖10 不同開(kāi)冷溫度下線材斷面溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of temperature on the cross- section of wire with time under the condition of different start cooling temperatures

3.4 線材穿水速度對(duì)冷卻效率的影響

線材穿水速度分別為8、16和30 m/s時(shí)線材心部和表面溫度的變化如圖11所示。由圖11可知，線材在輥道上運(yùn)輸速度越小，在水冷箱中的溫降就越大，但經(jīng)過(guò)回復(fù)段回復(fù)后的心表溫差越小。當(dāng)線材穿水速度為8 m/s時(shí)，線材經(jīng)過(guò)預(yù)冷段后的表面溫降高達(dá)314.6 ℃，但經(jīng)過(guò)回復(fù)段后在進(jìn)入精軋機(jī)組第一架軋機(jī)時(shí)的心表溫差只有78.5 ℃；而當(dāng)線材穿水速度為30 m/s時(shí)，線材表面溫降僅為170.3 ℃，進(jìn)入精軋機(jī)組時(shí)心表溫差卻有215.7 ℃。這是由于線材穿水速度越小，在水冷箱中停留的時(shí)間越長(zhǎng)，線材與冷卻水熱交換的時(shí)間增加，溫降也越大；同樣在回復(fù)段，由于線材心表之間有更多的時(shí)間進(jìn)行熱量傳遞，心表溫差大幅度減小。反之，大的線材穿水速度的結(jié)果則相反。

圖11 不同穿水速度下線材斷面溫度隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of temperature over the cross- section of wire with time under the condition of different water-through speeds

4 結(jié)論

(1)提出了一種新的網(wǎng)格離散化劃分方式，在表層單元的上表面增加一個(gè)表面節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)理論上可精確反映線材表面溫度的非穩(wěn)態(tài)變化；在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出具有該表面溫度節(jié)點(diǎn)的有限差分解模型，應(yīng)用該差分模型計(jì)算線材在預(yù)水冷段1、2號(hào)水箱水量為220～220 m3/h時(shí)的溫度場(chǎng)變化，表層單元節(jié)點(diǎn)與表面節(jié)點(diǎn)之間的溫差達(dá)64.96 ℃。

(2)利用Fluent軟件模擬得出水冷管內(nèi)冷卻水的流速場(chǎng)，并回歸分析得出水流量、水壓與水流速之間的關(guān)系；綜合考慮了水溫、軋件開(kāi)冷溫度對(duì)換熱系數(shù)的影響，構(gòu)建了高速線材穿水冷卻過(guò)程的非線性換熱模型，并用實(shí)測(cè)值驗(yàn)證了模型的精度，誤差在±10%之內(nèi)。

(3)結(jié)合差分模型和水冷換熱模型，研究了預(yù)冷段水冷參數(shù)對(duì)表面溫降及心表溫差的影響，得出水流量對(duì)表面溫降和心表溫差的影響較大。水流量越大,表面溫降和心表溫差越大；多個(gè)水箱應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟前面的水箱，同一水箱中應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟前面的冷卻噴嘴，可以在不改變工藝參數(shù)的條件下降低軋件的心表溫差；軋件開(kāi)冷溫度對(duì)表面溫降和心表溫差的影響較小；降低線材穿水速度可以增大表面溫降和降低心表溫差。