热连轧H 型钢断面温度均匀性研究

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摘要：本文以Q235热轧H型钢为研究对象，利用Deform-3D软件，采用热力耦合有限元方法，模拟了H型钢连轧过程中H型钢边、腰之间有轧辊冷却水和无轧辊冷却水对H型钢连轧过程中断面温度分布影响。而吴迪、赵宪明、草场芳昭在日本进行了轻型薄壁H型钢轧制实验，对连轧过程中H型钢断面温度变化进行了研究，研究证明：轧制时，轧机之间轧辊冷却水在H型钢腹板上形成水槽，上翼缘和腹板上表面冷却强度大，而下翼缘和腹板下表面冷却强度低，引起上下翼缘以及腹板上下表面有一定的温差，即上翼缘和腹板上表面温度较低，下翼缘和腹板下表面温度相对较高。

关键词：H 型钢；有限元；温度场

Research on temperature uniformity of H-beam section in hot-continuous-rolling process

Chen Jinlong , Xu Shucheng ,Li Hongbin, Lishuo

College of metallurgy and Energy , HeBei United University , TangshanHebei063000

Abstract:H-beam of Q235 was the research object of the subject , which using Deform-3D software by thermal-mechanical coupled finite element method. The temperature field distribution during rolling process were obtained on two conditions: there is cooling water on the H-beam web and no cooling water on web. The temperature changing of H-beam section was studied with the experiments by WuDi、Zhao Xianming、CaoChang FangZhao in Japan. The results show that the cooling water is formed the sink in the H-beam web when it is rolling, the upper and lower flanger and web on the surface has certain temperature difference . The reason is that lower flange and web under surface cooling intensity is low.

Keywords: H-beam; finite element; temperature field

中图分类号：TG142文献标识码： A 文章编号：

热轧H型钢属于高效节约型建筑用钢，也是国家科技支撑计划项目“高效节约型建筑用钢产品开发及应用研究”的研发项目之一。1998年7月，马钢从德国引用了我国第一条热轧H型钢及普通大型型钢生产线[1，2]。经过近十多年的市场开拓和发展，我国目前已经成为世界上发展速度最快的新兴H型钢生产基地。但是目前很多H型钢生产厂家在热轧H型钢过程中，腿部和腰部经常出现裂纹、波浪和弯曲等缺陷，严重影响产品的表面质量和使用性能，造成资源的浪费。从目前生产的实际情况中，我们了解到轧辊冷却水导致生产过程中出现横截面温度不均匀、性能不均匀和残余应力过大等问题，严重影响H型钢的使用性能，尤其是大规格的H型钢问题更为明显，虽然国内对这方面有所研究，但是研究的不是很透彻，其理论在实际生产中解决的效果不很理想。本课题应用大型金属塑性成形有限元软件DEFORM-3D来模拟热轧H型钢连轧过程中温度变化情况。

1 H型钢连轧模型的建立

根据津西钢铁集团小H型钢厂提供的现场数据来建立有限元模型，津西钢铁集团小H型钢厂的连轧生产线由七架万能轧机和两架轧边机组成，其中第五架和第八架为轧边机。建立模型时考虑到H型钢连轧的对称性，取模型左右对称的二分之一作为模拟对象。

坯料：H280mm×170mm×50mm×30mm, 长度：800mm。成品尺寸：H194mm×150mm。

轧辊尺寸：水平工作辊直径 ：1000mm；立辊直径：600mm 轧边机直径：700 mm。

图1 H型钢连轧模型

Fig.1 The H-beam continual rolling model

2 边界条件的设置

H型钢材料为Q235钢，进入连轧机组时的温度为1050oC, 对应DEFORM-3D材料库选择AISI1016(900-1200oC)。

1) 设置腹板无轧辊冷却水时的热边界条件

连轧机组轧辊视为恒温刚性体，温度设置为300 oC，轧制周围环境温度为25 oC。

（1）轧件几何对称面对称面为绝热边界条件，热通量 。

（2）轧件的自由表面 自由表面存在与周围环境的对流和辐射换热以及轧辊接触等边界条件

轧件自由表面对流换热系数取空气或过热蒸汽强制对流的数值为100 W/(m2 0C)，换算成DEFORM-3D中SI单位为0.1N/(mm.S.oC)，轧件与轧辊之间的接触热传导利用接触传导系数做简化处理，热传导系数λ=5kW/(m2.oC)。

2) 设置腹板有轧辊冷却水时的热边界条件

轧辊冷却水的温度设定为100 oC，轧件上表面对流换热系数取水强制对流的数值为1250W/(m2.oC)，换算成DEFORM-3D中SI单位为1.25N/(mm.s.oC)，轧件下表面对流换热系数取空气或过热蒸汽强制对流的数值为100 W/(m2.oC)，换算成DEFORM-3D中SI单位为0.1N/(mm.S.oC)。轧件与轧辊之间的接触热传导利用接触传导系数做简化处理，热传导系数λ=5kW/(m2.oC).

图2H型钢几何对称面 图3型钢的自由表面

Fig.2 Geometric symmetry plane of H-beamFig.3 The free surface of H-beam

3 数值模拟与实验结果分析

图4 腹板上下表面的两个取样点 图5 腹板上下表面温度变化曲线 （腹板无轧辊冷却水）

Fig.4 The two sampling pointsFig.5The webs vertical surface temperature curve

of the webs and lower surfaces（there is no cooling water on H-beam）

图6腹板上下表面温度变化曲线 图7[3] 轧件腰部有无冷却水对轧件温度的影响

(腹板有轧辊冷却水)

Fig.6The webs vertical surface temperature curveFig.7 Influence of cooling water at on H-beam（there is cooling water onH-beam） temperature

（a）整体截面 （b）上表面 （c）下表面

图8 腹板无轧辊冷却水

Fig.8 There is no cooling water on H-beam

（a）整体截面 （b）上表面 （c）下表面

图9 腹板有轧辊冷却水

Fig.9There is cooling water on H-beam

本论文模拟的是H型钢的整个连轧过程，计算结果比较多，只提取了第二道次的计算结果。不管H型钢腹板中是否存有轧辊冷却水，H型钢在轧制过程中都呈现以下共同特点：

(1) H型钢在连轧过程中，腹板和翼缘各部位的温度整体呈下降趋势；

(2) H型钢表面在与连轧机组轧辊接触部位的温度有不同程度的下降，与轧辊脱离后温度有不同幅度的回升，即H型钢部分表面“返红”；轧制变形区内心部的温度有小幅度的上升；

(3) H型钢翼缘和腹板交界处的温度最高，翼缘端部和腹板中部温度较低，上翼缘比下翼缘温度稍低些。

H型钢腹板没有轧辊冷却水时，H型钢断面以腹板中心线为界，上下两部分温度分布呈对称分布，腹板上下表面的温差不大，而且腹板与翼缘的温差相差也不是很大，当腹板中存有轧辊冷却水时，轧辊冷却水在H型钢上形成水槽，上翼缘和腹板上表面冷却强度大，下翼缘和腹板下表面冷却强度小，引起上下翼缘以及腹板上下表面有一定的温差，使腹板温度要低于翼缘的温度，一般翼缘温度比腹板温度高50～80oC，腹板下表面温度明显高于腹板上表面的温度，从整个断面来看腹板中心线下部的温度明显低于上半部分的温度。

参考文献：

[1] 东北重机学院.H型钢轧机关键技术研究工作报告(内部资料). 1986.

[2] 杜立权, 黄永昌. 热轧H型钢生产技术及发展趋势(市场)[J]. 冶金译丛, 1999,(4): 63-74.

[3] 吴迪，赵宪明，草场芳昭. 轻型薄壁H型钢轧制条件研究[J]. 2004.07：39（7）：40-41.