板坯堆冷內部溫度場模擬與分析

李廷剛， 陳 勇， 鄭 偉， 馬仲群， 孫建鵬， 李鳳春

（五礦營口中板有限責任公司， 遼寧 營口 115000）

板坯堆垛作為一種提高鋼材品質的手段，現已被鋼鐵企業廣泛應用，堆垛時間、堆垛高度多憑借經驗判斷，少有對板坯堆垛工藝進行理論論證與優化的研究。近年來鋼鐵行業形勢好轉，各鋼廠的鋼廠產量也隨之增加，板坯堆垛作為軋制工藝前的最后一道緩解C、H偏析程度的工藝，直接影響著最終產品的質量與鋼廠的效益。

1 板坯表面溫度測量

現場實驗10爐DH36船板鋼，共計13塊鑄坯堆垛時間48 h，每2 h測量每塊鑄坯溫度，邊部解垛溫度150～200℃，中心位置解垛溫度300～350℃，堆垛擺放如圖1所示。將板坯至下而上編號為1號—13號，其中1號為垛底13號為垛頂。堆放初始溫度如表1所示。

圖1 現場堆垛情況

表1 初始堆垛溫度 ℃

2 板坯緩冷溫度場數值模擬模型的建立

2.1 基本假設

根據現實情況對板坯散熱過程進行合理假設，忽略對計算結果影響不大的因素以減小計算成本與計算誤差，本文針對板坯散熱的特點在截取板坯中心數值截面建立二維非穩態傳熱模型，提出假設：忽略板坯在長度方向上的傳熱，將復雜的三維模型轉化為二維傳熱模型；忽略板坯間純在的熱阻，在堆垛內部只考慮內部傳熱；忽略散熱過程中板坯密度的變化。

2.2 模型的建立與檢驗

本文邊界條件同時考慮了對流傳熱與輻射換熱，控制方程與邊界條件方程如下頁公式（1）、公式（2）[1]所示。

控制方程：

式中：ρ為密度；T為溫度；t為時間，s；Cp為比熱，J/（kg·k）；λ為熱導導數，W/（m2·k）；TSH為上表面溫度，K；TXIA為側面溫度，K；ε 波爾茨曼導數；TSH為熱交換導數。

有研究表明空氣與板坯間的自然對流系數在5～25之間，經筆者多次實踐得出，在該堆垛環境下對流換熱系數設為15時數學模型與實際情況最為相符，不同堆冷時間板坯表面溫度與模擬計算結果對照組如表2所示。經計算可得模擬結果與實測結果平均誤差為1.6%，最大誤差4%，誤差值在可接受范圍內，模型計算結果較為精確。

2.3 計算結果與分析

邊界條件：

圖2 12 h、24 h、36 h時板坯內部溫度場分布情況

圖2 為12 h、24 h、36 h時板坯內部溫度場分布情況，如圖2所示板坯內部溫度場分布呈現中間溫度較高四周溫度較低的分布，其中上部溫度明顯偏低，分析原因可得兩端距離中心位置較遠板坯內部傳熱較慢。上部板坯與空氣接觸表面散熱的熱流密度較大，下部與垛低接觸熱流密度較小。

表2 不同堆冷時間板坯表面溫度與模擬計算結果

在模型內部不同的位置設置溫度觀測點，通過數值模型計算得出板坯內部不同位置的溫度變化，圖3，下頁圖4分別為13號板坯與7號板坯中心位置溫度隨時間變化曲線與溫降速度隨時間變化曲線。由圖3，圖4可得13號板坯初始溫度較低且溫降迅速，在高溫區停留時間較短。7號板坯溫度較高且高溫持續時間相對較長溫降速度較小，高溫區停留時間較長。有研究表明[2]H元素在600～700℃之間時H元素擴散效果最好，有利于減少H偏析，改善板坯內部質量。13號號鋼板在堆放6 h后溫度已經低于600℃緩冷效果較差，改善板坯內部質量的效果較差，現場堆垛時應采適當措施減緩溫降速度。7號板坯在600～700℃時間段內停留時間較長緩冷效果較好，在緩冷48 h后溫度降低到350℃左右，有研究表明板坯[3]在200℃以下均具有排氫能力，應適當延長堆垛時間。

3 結論

1）板坯在堆垛48 h后仍具有一定的排氫能力，板坯堆垛時間應適當延長。

2）垛頂位置溫度下降較較快快速排氫溫度區間停留時間較短，堆垛時應可在垛頂覆蓋一層無需執行堆垛工藝的板坯，以確保堆垛緩冷效果。

圖3 坯中心位置溫度隨時間變化曲線

圖4 溫降速度隨時間變化曲線