一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法技术

本发明专利技术涉及一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，旨在通过精确有限元建模解决新钢种层流冷却工艺难以快速有效制定的问题，属于钢铁冶金领域。其原理是沿带钢宽度、厚度和长度方向划分网格；将带钢运动转化为层流冷却集管的反向的、相同速度大小的运动；沿带钢宽度方向设置带钢表面换热系数；采用温度、相变和应力应变多场耦合模型进行带钢层流冷却过程计算，并根据温度计算值与实际值的差值对带钢表面换热系数进行优化，从而得到最佳带钢层流冷却有限元模型。使用该模型进行新钢种层流冷却计算，可以快速准确获得新钢种在不同冷却策略下的控制情况，提高效率，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法
本专利技术属于钢铁冶金领域，具体涉及一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法。
技术介绍
钢铁工业是支撑国民经济发展的重要支柱产业，现代钢铁工业的发展水平是一个国家技术进步和综合国力的重要体现。对于热轧带钢，其性能不仅取决于热轧工艺，更决定于轧制之后的控制冷却技术。热轧卷取温度及其下机后的性能能否控制在要求范围之内，则主要取决于对精轧机后热轧带钢冷却系统的控制。通常卷取温度随钢种变化而变化，多数钢种的卷取温度在670℃以下，约为570℃～650℃。热轧带钢从精轧机组出来的终轧温度约为800℃～900℃，精轧机组到卷取机之间的输出辊道都在几十到一百多米，带钢在此段辊道上的运行时间一般为几秒到几十秒之间。在如此短的时间内要使带钢温度降低约300℃左右，仅靠带钢在输出辊道上的自然冷却是不可能的，必须要在输出辊道上设置高效率层流冷却装置，对带钢上下表面进行喷水达到强制冷却的效果，同时对冷却水量进行准确控制以满足卷取温度的控制要求，从而获取所要求的成品钢卷性能。对于层流冷却控制策略的制定一直是一个比较困难的课题，当热轧带钢上、下表面温差达到30℃,会使带钢产生冷却翘曲。上集管的流量均匀分布设计和下集管固定流量设计是常规冷却设备产生不均匀冷却的主要原因，因此需要反复测量控制数据后利用大量的数据进行评估，但是在实际生产线上进行试验的成本及危险性都比较高。现有技术方案中，一种方案是利用产线已有的控制模型进行在线预计算，或者将该控制模型移植到其它服务器或工作站上进行离线测试计算，但是都存在新开发钢种与预设钢种不对应导致实际开始命中率不高的问题；另一种方案是针对实际产线建立有限元模型，仿真计算层流冷却过程中带钢的温度分布和组织变化，但是都没对带钢表面的传热系数给出比较全面的方案，影响了带钢温度分布计算及相应的材料性能计算。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术方案对层流冷却获得的试验结果准确度不高，进而导致不能获取准确的层流冷却控制策略的技术问题，提出一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其目的在于能够确定层流冷却过程中带钢表面各处的换热系数，克服现有技术计算不全面的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案为：S1，沿带钢宽度、厚度和长度方向划分网格；S2，将带钢运动转化为带钢生产中层流冷却集管的反向的、相同速度大小的运动；S3，沿带钢宽度方向设置带钢表面换热系数；S4，采用涵盖温度、相变和应力应变的多场耦合有限元模型进行带钢层流冷却过程计算，并根据温度计算值与实际值的差值对带钢表面换热系数进行优化，从而得到最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型；S5，利用得到的最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型，应用在新钢种层流冷却控制策略制定中，获取新钢种准确的层流冷却控制工艺以及相应的材料性能。所述的一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，优选的，所述S1包括：S1-1，以过带钢宽度中心且垂直带钢宽度方向的平面作为对称面，取其中一半进行建模，网格在宽度方向从对称面开始往边部进行标识，标号为i＝1，2，…，NB；S1-2，网格在厚度方向从上表面开始往下表面进行标识，标号为j＝1，2，…，NH；S1-3，网格在长度方向从最先冷却的面开始往后冷却的面进行标识，标号为k＝1，2，…，NL。所述的一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，优选的，所述S2包括：计算当前时刻层流冷却集管的出水集管相对带钢的位置，若带钢的标号为k的网格正对出水集管，则判定k号网格处于水冷散热模式，否则判定k号网格处于空冷散热模式。所述的一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，优选的，所述S3包括：S3-1，带钢在宽度方向中心处的水冷换热系数参考如下计算公式：式中，hwc-带钢宽度中心水冷换热系数，W/(m2·℃)；ω-水流密度，m3/(min·m2)；T-带钢表面温度，℃；Tw-水温，℃；Pl-轧制方向喷嘴间距，m；Pc-宽度方向喷嘴间距，m；D-喷嘴直径，m；ξ-带钢中心水冷换热系数调节系数，初始值取1；S3-2，在水冷条件下，带钢边部的换热系数要比中间部分大，带钢水冷换热系数在宽度方向的分布参考如下计算公式：式中，hw-带钢水冷换热系数，W/(m2·℃)；B-带钢宽度，m；x-宽度方向距对称中心的距离，m；η-带钢边部水冷换热系数调节系数，初始值取0.1；S3-3，带钢空冷换热系数可看作是带钢与辊道接触传热、带钢与空气自然对流换热以及带钢表面热辐射三种冷却方式的综合换热系数，即将前两种方式造成的热量损失合并在热辐射中考虑，参考计算公式如下：式中，ha-带钢空冷综合换热系数，W/(m2·K)；ε-带钢表面辐射率，考虑与辊道接触传热和与空气自然对流换热的影响，在常规取值基础上增加10％，即取值为0.88；σ0-玻尔兹曼常数，取5.67×10-8W/(m2·K4)；T-带钢表面温度，℃；T∞-环境温度，℃。所述的一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，优选的，所述S4包括：S4-1，经过带钢层流冷却多场耦合有限元模型计算，可以得到带钢所有网格单元在计算时间内不同时刻的温度和力学性能；S4-2，利用产线已有的卷取温度实测值，即层流冷却集管的层流冷却出口带钢宽度中心处温度实际值，与对应的计算值进行对比，若实际值大于计算值，则适当减小带钢宽度中心处的换热系数，反之则增加带钢宽度中心处的换热系数；S4-3，在层流冷却出口，利用手持测温仪检测带钢宽度方向的温度分布，与对应的计算值进行对比，若带钢中部和边部实际偏差值大于计算得到的偏差值，则适当增加带钢边部的换热系数，反之则减小带钢边部的换热系数；S4-4，经过S4-1、S4-2和S4-3优化计算，将得到准确的带钢换热系数以及最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型。所述的一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，优选的，所述S5包括：S5-1，结合新钢种首批生产数据，利用S1～S4的方法获取新钢种最佳层流冷却多场耦合有限元模型；S5-2，利用获取的新钢种最佳层流冷却多场耦合有限元模型，进行层流冷却控制策略设计，带入该模型进行计算，直到层流冷却出口温度符合要求为止，并将最后确定的层流冷却控制策略作为实际生产的控制方案。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：为满足新钢种层流冷却控制的精度要求，本专利技术提供了一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，利用带钢宽度方向实测温度与计算值对比，可对带钢宽度方向换热系数进行优化，从而获得精度最佳的层流冷却模型，为新钢种层流冷却工艺制定提供了有力支撑。1.采用宽度方向温度实测值与计算值对比优化宽度方向换热系数的方法，可以解决因换热系数不准确导致计算精度不足的问题。2.采用优化的层流冷却有限元模型，可以准确快速获得新钢种在不同冷却策略下的控制情况，提高效率，降低生产成本。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，沿带钢宽度、厚度和长度方向划分网格；/nS2，将带钢运动转化为带钢生产中层流冷却集管的反向的、相同速度大小的运动；/nS3，沿带钢宽度方向设置带钢表面换热系数；/nS4，采用涵盖温度、相变和应力应变的多场耦合有限元模型进行带钢层流冷却过程计算，并根据温度计算值与实际值的差值对带钢表面换热系数进行优化，从而得到最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型；/nS5，利用得到的最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型，应用在新钢种层流冷却控制策略制定中，获取新钢种准确的层流冷却控制工艺以及相应的材料性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，沿带钢宽度、厚度和长度方向划分网格；
S2，将带钢运动转化为带钢生产中层流冷却集管的反向的、相同速度大小的运动；
S3，沿带钢宽度方向设置带钢表面换热系数；
S4，采用涵盖温度、相变和应力应变的多场耦合有限元模型进行带钢层流冷却过程计算，并根据温度计算值与实际值的差值对带钢表面换热系数进行优化，从而得到最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型；
S5，利用得到的最佳带钢层流冷却多场耦合有限元模型，应用在新钢种层流冷却控制策略制定中，获取新钢种准确的层流冷却控制工艺以及相应的材料性能。


2.根据权利要求1所述的热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其特征在于，所述S1包括：
S1-1，以过带钢宽度中心且垂直带钢宽度方向的平面作为对称面，取其中一半进行建模，网格在宽度方向从对称面开始往边部进行标识，标号为i=1，2，…，NB；
S1-2，网格在厚度方向从上表面开始往下表面进行标识，标号为j=1，2，…，NH；
S1-3，网格在长度方向从最先冷却的面开始往后冷却的面进行标识，标号为k=1，2，…，NL。


3.根据权利要求1所述的热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其特征在于，所述S2包括：
计算当前时刻层流冷却集管的出水集管相对带钢的位置，若带钢的标号为k的网格正对出水集管，则判定k号网格处于水冷散热模式，否则判定k号网格处于空冷散热模式。


4.根据权利要求1所述的热轧带钢层流冷却有限元建模方法，其特征在于，所述S3包括：
S3-1，带钢在宽度方向中心处的水冷换热系数参考如下计算公式：



式中，hwc-带钢宽度中心水冷换热系数，W/(m2·℃)；ω-水流密度，m3/(min·m2)；T-带钢表面温度，℃；Tw-水温，℃；Pl-轧制方向喷嘴间距，m；Pc-宽度方向喷嘴间距，m；D-喷嘴直径，m；ξ-带钢中心水冷换热系数调节系数，初始值取1；
S3-2，在水冷条件下，带钢边部的换热系数要比中间部分大，带钢水冷换热系数在宽度方向的分布参考如下计...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天武，李连杰，刘需，李建新，刘宏强，孙力，姜正义，谢海波，
申请(专利权)人：河钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13