（冶金工程专业论文）长钢400390型罩式炉热工分析与工艺优化.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 罩式炉退火炉至六十年代以来得到迅速的了展，七十年以后强对流，全氢保 护气氛罩式炉得普遍应用强对流、全氢保护气氛罩式炉生产率比传统罩式炉生产 率提高了4 0 一6 0 ，而且合钢材的退火质量也大大的提高。伴随计算机控制技术 的提高及罩式炉结构的发展，对罩炉控制的理论基础罩式炉热工数学模拟分析的 研究也得到很大的发展。国内处有不少的工作者作了大量的研究，特别是对钢材 板卷在罩式炉内的退火过程进行了详尽的分析，对温度场、应力场和了大量的数 学模型，但针对线材盘卷的退火过程分析几乎没有。 本文结合长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉的生产实际中存在的问题，深入的分析该车间 线材盘圆卷在罩式炉内退火过程各阶段的基本传热形式，从傅立叶传热微分方程 出发，以长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉结构参数及长钢生产典型的规格品种盘圆卷的特性 参数为及据，建立了罩式炉内退火过程加热罩内盘圆卷外的传热模型及盘圆卷内 部的温度场热工计算模型。通过数值模拟得到盘圆的温度的分布、盘圆的加热工 艺制式及氮气、内罩与热处理质量相关的温度变化曲线。通过与实测值进行对比 验证，计算结果与实际基本相符，并对模型计算结果与生产实际的差异作了分析， 找出了影响精度模型结果的关键因素，并提出了特定的解决方案。通过对燃料燃 烧的模拟结果指导制定节能的退火工艺：通过内罩及氮气的模拟结果指导分别针 对坯料、成品半成品钢退火工艺的制定。该模型能很好解决长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉 退火生产中存在的实际问题，并可以为工艺制定人员提供可靠的理论参考，深得 长钢技术人员及生产人员的喜欢。 另外本文特别对线材盘卷这种松散性退火对象内部传热的重要特性参数等效 导热系数作了较详尽的分析研究，采用了新颖计算方法为线材盘卷热处理的分析 提供了一定的理论依据。并为长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉退火炉控制系统改造提供了理 论基础。 关键词：热处理，退火，数值模拟，罩式炉 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t c o v e ra n n e a l i n gf u r n a c eh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi nt h ew o r l ds i n c e 9 6 0 s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la n n e a l i n gf u r n a c e ，p r o d u c t i v i t yo fs t r o n gc o n v e c t i o n a l a n df u l lh y d r o g e np r o t e c t e dc o v e ra n n e a l i n gf l l f l a c ei n c r e a s e df r o m4 0 t o6 0 ，a n d t h eq u a l i t yo fs t e e lp r o d u c t sh a sa l s oi n c r e a s e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r eo ft h ef u r n a c e ，t h er e s e a r c ho nm a t h e m a t i c a l m o d e l i n go f t h ef u r n a c eh a sb e e nw i d e l yc a r r i e do u t ，s u c ha st e m p e r a t u r ef i e l dm o d 6 i n g , s t r e s sm o d e l i n g ，b u tt h e r ei sn oa n ys t u d yc o n c e r n e dw i t ha n a l y s i so fa n n e a l i n gp r o c e s s o fw i r er o l l s t os o l v et h ep r a c t i c ep r o b l e m se x i s t e di n4 0 0 3 9 0c o v e r , f u r n a c ep r o c e s s i n g ，t h e b a s i ch e a tt r a n s f e rs t a t u si na n n e a l i n gp r o c e s so fw i r er o l l sh a sb e e nd e e p l ya n a l y z e d ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ro fw i r er o l l sd u r i n ga n n e a l i n gh a sb e e n e s t a b l i s h e dw i t hf o u r i e rh e a tt r a n s f e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o na n dp r a c t i c a lp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，h e a t i n gp r o c e s s i n go fw i r er o l l s ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn i t r o g e n , i n t e rc o v e ra n dq u a l i t yo fh e a tt r e a t m e n th a sb e e n o b t a i n e d t h ec a l c u l a t e dd a t ai sb a s i c a l l ya g r e e d 、析mm e a s u r e dd a t a t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nd a t aw a sa l s oa n a l y z e d ，t h ec r i t i c a lf a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sf o u n do u t ，t h es o l v i n gm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d t h r o u g h t h ea n a l y s i sm a d ea b o v e ，t h e p r o c e s s i n gf a c t o r sf o rg u i d i n ga n n e a l i n gh a v eb e e n d e s i g n e d t h em o d e lh a sa l s oe s t a b l i s h e dt h eg o o db a s ef o r 触e rs t u d yo ft h ec o v e r a n n e a l i n gf u r n a c ep r o c e s s i n g i na d d i t i o n ，s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n de q u i v a l e n th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t w e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，w h i c he s t a b l i s h e dt h e o r yf o u n d a t i o nf o ra n a l y z i n go f w i r er o l l s h e a tt r e a t m e n ta n dr e f o r m i n go fc o n t r o l l i n gs y s t e mo f4 0 0 3 9 0c o v e ra n n e a l i n gf u l t l a c e i nc h a n g c h e n gs p e c i a ls t e e l k e y w o r d s ：h e a tt r e a t m e n t ，。a n n e a l i n g ，m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n , c o v e rf u r n a c e i i 重庆大学硕士学位论文 l 罩式炉的发展及现状 1 罩式炉的发展及现状 1 1 退火及退火工艺 1 1 1 热处理与材料的性能 热处理是为了改善钢材内部组织结构或者改变钢材一部份物理特性( 如硬度、 脆性等) 而对钢材进行的按照一定的制工进行的升温、保温、降温及处理的工艺 过程，其具体形式分这火、淬火、渗炭、渗氮等。 退火是工业生产中经常用到的热处理方式，钢材退火的目的是为了降低硬度， 软化钢件，以便于切削，拉拔加工；消除加工硬度或残余应力，提高塑性，利于 进一步加工：改善和消除钢材的组织缺陷，降低结构组织不均匀性和成分不均匀 性( 如枝晶偏析) ；消除淬火过热现象；改善高碳钢中炭化物的分布和形态，亦为 最后热处理做好组织准备；改善产品的表面质量，等等 1 。 退火工艺过程在冷拔生产过程中的作用可分两个方面。其一是在拉拔前的退 火作用，由于许多品中s l 带 j 后其硬度较高难以拉拔，对这些钢材进行去硬度退火 不仅可以减小拉拔力，降低合金模具的消耗，还可以防止许多钢种在拉拔过程中 的脆断，大大提高拉拔生产工艺过程的成材率。其二是拉拔后退火作用，拉拔后 的钢材由于在冷拉拔过程中组织结构的发生变化，其硬度等性能也随之改变，为 了保证产品的各项性能指标，有必要对其进行退火处理。因此，退火工艺在拉拔 生产工艺中起着极其重要的作用，退火工艺的好坏直接影响拉拔生产的成本消耗， 成材率的高低及产品的质量。 1 1 2 罩式炉的发展 退火过程通常是在专用的退火炉中进行，退火炉是热处理炉的一种，在轧钢 生产中主要对板材、带材、线材的退火。 处理炉的分类 1 ) 处理炉依据其结构形式可分为：膛式炉( 如固定炉底定室状炉、台车式炉 罩式炉、坑式炉、井式炉等) 、浴炉、流动粒子炉、真空炉等； 2 ) 依据加热机制可分为：电加热炉及火焰式加热炉。 3 1 依据加热对象又可分为：金属加热炉及非金属加热炉等。 热处理炉的特点 1 1 温度范围大 热处理由于工艺要求不同温度可达1 3 0 0 。c ，低的只有1 0 0 。c 左右。温度相差 如此之大，其炉子结构也有很大不同，但都要求炉膛温度均匀，避免局部温度过 高。 重庆大学硕士学位论文 i 罩式炉的发展及现状 2 ) 炉温控制严格 热处理炉能否保证热处理工艺所要求温度，对产品质量有很大的影响，一般 上下不超过3 - i o 。c 。被加热物料断面上的温度尽可能地均匀，温差不得超过5 - 1 5 。c 。 3 ) 尽量减少金属的氧化与脱碳 对钢材的热处理，不允许有表面的氧化与脱碳，应保持表面的光洁，所以， 热处理炉往往需要密封，以便控制炉气成分，有时还要保持炉膛内某种特定的气 氛，因此，马弗炉和辐射管在热处理炉上应用很多。 4 ) 生产率及热效率低 热处理时，为了使金属断面上温度均匀，使结晶组织转变的完全，需要使金 属在炉内停留较长的时间，不论是哪一种热处理，材料在炉内都有一个或几个均 热或保温阶段，冷却过程往往也在炉内进行。有些品种的热处理，甚至要进行多 次加热，保温和冷却。许多热处理炉是周期性作业的。由于以上缘故，热处理炉 的生产和热效率比轧锻加热炉低得多。 连续退火炉与罩式退火炉 退火炉按其加热制式通常分为连续式和间歇式退火炉两类。连续退火炉是2 0 世纪3 0 年代国外开始研制的多种再结晶退火炉，带钢在连续退火炉中的热处理工 艺为：带钢在冷轧之后，经过开卷、碱洗、电解清洗、冲洗、烘干等程序后，直 接连续通过退火炉，在炉内保护气氛下，加热到7 0 0 。c 左右，使其很快完成了结晶 过程，经缓冷、急冷、出炉，卷取，整个过程如连续流水线。炉子加热方式基本 上都是用辐射管加热。在经过风或水冷却段冷却，最后出炉温度略高于室温。罩 式退火炉是典型的间歇式退火炉，通常用于成卷的带材和成卷的线材退火，带材 或线材卷堆入于炉中的炉台上，用密封性好的耐热钢内罩将其罩住，并通入保护 性气体作为传热介质，在内罩的外面加上一个专用的加热罩对内罩进行加热。冷 却时对内罩进行强制风冷或水冷。这种炉子不但可以保护钢不被氧化，而且炉内 气氛均匀性好，其保护气氛由用氮气发展到氮氢混合气体，现在已发展到用纯氢 作为保护气体，使其热处理效果及节能效果得到大大提高。罩式退火炉相对续退 火炉各具有以下优缺点 ij ： 1 ) 从退火钢种来看：在罩式炉中，由于是对静止的带、线材以成卷的方式进 行热处理，其加热、冷却及保温时间均可方便的控制。特别是针对特殊性能钢种 的特殊工艺要求，罩式炉便显示出优越性。而连续退火炉对于这些特殊性工艺显 得无能为力，所以品种范围限制了连续退火炉的发展。 2 1 加工产品性能：连续退火炉和罩式退火炉加工后的产品其性能差别主要表 现在连续炉产品硬度与强度均比罩式炉退火的要高。 3 ) 生产工艺和能力：罩式炉退火时为了充分保证钢温的均匀性通常要进行长 2 重庆大学硕士学位论文1 罩式炉的发展及现状 时间的均热过程，使得炉子生产能力降低，生产周期较长。加上拆装料占用时间， 为确保生产大多建立罩式炉群轮流使用，所以提高罩式炉的效率一直是我们努力 的方向。而连续退火炉在这个方面却显示出了它特有的优越性。所以在综合考虑 钢品种、性能、生产能力、生产成本及生产灵活性等多方面因素，连续退火炉和 罩式退火炉在相当长的时间内将同时得到发展。 罩式退火炉的发展及现状 1 ) 罩式炉是历史优久的炉型，最初只实用于铜合金的退火，战后多数用于钢 厂的冷轧钢板退火及线材退火，传统罩式炉以氮氢混合气体为保护气，退火时间 长，生产效率低。连续式退火炉自1 9 3 6 年问世以来，由于具有温度均匀，产品质 量好，成材率高，产品生产周期短等优越性，很快发展起来，冲击了罩式炉的市 场，同时，也促进了罩式炉技术的进步，由于连续退火炉造价高，需要新建，而 罩式退火炉具有操作灵活，易于更换产品品种，易改变产量，不受产品规格限制， 便于分期建设，总投资低等优点，更加之自身性能的不断提高，仍在严峻的竞争 中不断巩固和发展, 5 9 - 删。 2 ) 传热 退火空间的传热条件将直接影响炉子的产量，实际上，钢材在炉内达到规定 的退火温度后，经过不到1 分钟的保温即可完成要求的金相转变，而且工艺允许 的加热和冷却速度也都远远大于线材卷或捆传热所能达到的值。因而强化传热就 意味着缩短加热和冷却时间，提高产量。 退火空间的传热条件将直接影响到线材卷或捆温度的均匀性和产品的质量， 罩式炉的传热过程是：加热罩( 设有加热设备) 将热量传给内罩，内罩靠对流和 辐射将热量传给炉内保护性气体，再由保护性气体对流传达给钢卷或捆。如对流 传热条件不好则钢卷或捆的各个部位温差大，靠近内罩的地方易于过热。而冷拔 材所要求的退火温度范围较窄，因止要保证产品的这性能就必需强化退火空间的 对流传热。 8 - 1 0 , 6 0 3 ) 保护气 为了尽量减少钢材的表面氧化，退火应在保护性气氛中进行，一般用氮气， 氮气和氢气的混合气或氢气作为保护气，氢气含量的提高有助于提高气氛的还原 性，防止钢材表面的氧化，降低保护气露点对防止氧化和脱碳亦有很重要的作用。 但氢气含量的提高要求炉子的密封性能提高，设备投资增加及退火过程工艺也相 应复杂，所以在冷拔车间线材退火时，为降低成本一般用氮气作保护性气体，在 成品或要求更高退火时要求用精氮( 含2 5 的氢的氮气) 。【4 卅 4 ) 消耗 降低消耗就意味着降低运行成本，应力求在保证产品质量，产量的前提下降 重庆大学硕士学位论文 1 罩式炉的发展及现状 低消耗指标，罩式炉上的消耗主要包括供热( 燃料或电能) ，风机驱动电能，保护 气体和冷却用水。 9 , 1 0 , 1 2 5 ) 控制 对钢材退火质量越高，保护气中氢气含量就越高，对控制水平的要求也就越 高，这不仅关系到质量，产量指标，而且关系到整个生产过程的安全性。 1 3 - 1 7 , 5 9 1 2 热处理炉数学模型的发展及应用 随着计算机和罩式炉发展，对罩式炉的控制提出了相应的要求，以节能为目 的罩式炉的燃料进行精确的控制、炉内温度均匀性的精确控制以及退火周期的严 格控制等，都要求对炉内温度的分布作详细的了解。为此，对罩式炉退火过程中 温度场数值模拟技术被引进到热处理领域，并得到飞速的发展。 数学模型指采用一组代数的或微分的控制方程来描述一个过程或一个过程的 某些方面，这样可以通过对模型方程的离散化进行计算机数值求解，得到计算域 内所有有关变量完整而详尽的值，此即数值模拟。 1 2 1 国内外热处理数学模型与应用 热处理的计算机模拟技术始于6 0 年代末7 0 年代初。自1 9 8 4 年在瑞典召开的 第一届金属材料热处理内应力计算会议，将热处理数值模拟推向高潮。此后，许 多国家都相继开展这方面的研究，国际交流日益频繁。我国数值模拟开展较晚， 但现在我国学者已经在基础学科和一些实际应用方面取得了可喜的成就。【j 2 6 】 基于偏微分方程数值解，计算传热，相变动力学计算，材料温度一相变应 力三者之间的耦合，气流动力学计算，热处理数据库等一系列基础工作的发展， 热处理数值模拟在近十余年间迅速发展。在优化大件加热工艺，预测大锻件组织 性能，确定合理的淬火预冷时间，指导激光热处理生产等方面取得了定初步的 应用成果。目前正在开展三维非线性问题，淬火冷却过程应力场模拟，沸腾过程 和换热特性，流场动力学分析，相变过程的原子层辅助计算机模拟等更深层次的 研究。 加热过程的数值模拟 文献 ”】采用三维温度场与相变耦合的数学模型以及热物性参数随温度的变化 的非线性算法，较好的模拟实际生产加热过程中内部温度场的变化。用平行六面 体及阶梯轴在盐浴炉，箱式电阻炉中进行了几十次的验证，模拟值与实际值吻合， 文献用有限元法计算了工件在加热时温度场的分布和变形情况，计算结果与试验 值吻合较好。文献对工件加热三维非稳态温度场进行了计算机模拟，以d o u g ! a s 数值方法为基础，导出了三维差分方程。实际计算中，选择的空间步长和时间步 长也须适当，才能保证较快的运算速度，同时也有相当的精度。在轴线方向上采 4 重庆大学硕士学位论文1 罩式炉的发展及现状 取外密内疏的非均匀网格，对于边界采取虚拟点方法和能量平衡方法。进行了不 同的装炉方式模拟计算，选择最佳装炉方式，并可进一步探索新的加热工艺，制 定工艺参数，提高热处理件质量，节约能源。 淬火过程的数值模拟 文献 2 3 - 2 7 对近年来发展比较快的淬火过程进行了模拟。主要是界面条件剧变 的淬火过程的三维温度场计算机模拟。研究了三维问题，瞬态问题，相变潜物性 参数与温度关系。文献指出美国先进制造中心组织福特汽车公司，橡树岭实验室 等1 1 家机构投巨资进行淬火过程的模拟研究，并取得了定的进展。 气体渗碳和渗氮的数值模拟 文献 28 】进行了不同曲率半径和工件棱角附近的瞬态浓度场的计算机模拟。文 献【8 将渗碳层瞬态浓度场的模拟和随后淬火过程中温度场的模拟相结合，实现了渗 层的组织与硬度的预测。用计算机模拟技术研究了普通渗氮和可控渗氮过程中渗 层浓度场变化的规律，指出渗氮时界面反应速度远远落后于扩散速度的特点，以 及造成原有的渗氮方法硬度低，硬度梯度陡及有效硬化层深度浅原因。提出了分 段可控渗氮和动态右控渗氮新的方法。 激光热处理的数值模拟 由于激光热处理的加热速度非常快，难以用实验方法测定，数值模拟成了研 究激光等高能密度热处理的重要手段。文献 2 9 1 对激光热处过程进行了数值模拟。 文献 3 0 - 3 1 1 建立了激光热处理非稳态温度场计算软件，除激光功率，扫描速度等工 艺参数处，还考虑了表面吸收率和钢的导热系数均为温度的函数，涂层与金属间 的热阻，相变潜热等问题。模拟了激光束扫描过程中非稳态一稳态一非稳态的变 化过程，得出三维温度场图形，显示熔池，相变硬区，热影响区的形状和尺寸， 模拟结果与红外线热成像仪的测试结果较为吻合。 感应热处理的数值模拟 由于感应加热涉及到电磁场，温度场，应力场，组织转变等多种复杂因素， 在制定工艺和设计线圈时，往往凭经验加上一些简单的计算，无法精确的定量计 算，造成能源的浪费且不易控制热处理质量。文献【3 2 谰数值模拟的方法研究了感 应加热过程，取得了较好的结果，剖析了一条感应加热生产线，模拟结果与实际 相吻合。 以上的热处理数值模拟可以看出，它具有速度快，效率高，结果形象逼真， 综合全面的反映热处理过程中各种变化规律的特点。它与实验技术相辅相成，可 极大的扩展实测数据提供的信息，构成功能强大的虚拟试验室和虚拟生产基地。 随着热处理炉数值模拟技术的应用，在加热设备上用数值模拟来实现正确的 选择炉型，合理设计炉子结构，不断改进炉子的热工性能，从而提高热处理行业 重庆大学硕士学位论文l 罩式炉的发展及现状 的整体水平和经济效益，已成为现代热处理炉设计制造的重要课题之一。 热处理炉温度场模拟三维问题， 包括与温度有关的辐射和对流两项，辐射和 对流均是温度的高次函数；为高度非线性问题；二是热物性参数与温度有关，随 温度变化而变。 国内外在加热设备温度场的数值模拟方面的工作 a 文献【2 】指出传统的电炉计设方法用一维导热的偏微分方程描述炉衬的温度 场，但实际的热处理炉墙与炉底结合部分不符合一维导热的状态，由于在炉墙上 安置与炉衬材料的导热系数有较大差异的搁丝砖电阻丝或热电偶引出装置等部 件，造成热短路现象，在井式炉炉衬散热计算中考虑热短路情况，应采用下列三 维导热计算偏微分方程。 同时文献【3 】还对热处理设备中的流体运动用压缩气体紊流模型作了计算，通过 方程来求解流速分布，压力分布和流动方向，并可用直观的图形输出计算结果， 这对改善炉温和化热处理炉的气氛均匀性有重要的意义，给我们设计炉子的风扇， 提供了理论基础。 文献【j7 】将流场模拟成功的应用于加上风扇的特大型井式渗碳炉，其控制方程 有运动方程及相应的动量方程组成。 通过该计算模拟，确定了合理的炉子结构，获得了有利于渗碳均匀性和温度 均匀性的流场，可以帮助确定风扇的合理位置，功率及热电偶的放置等设计参数， 保证了设备有优良的使用性能。 b 文献 33 对热处理校验炉内温度场数学模型进行了研究。作者从传热出发， 抓住炉内辐射换热这一主要传热过程，定量的揭示了炉内温度场。以往人们在校 验热电偶时仅凭经验将标准热电偶与被校热电偶插入炉内某处，可能使标准热电 偶与被校热电偶点的温度相差过大而影响精度，作者的研究提高了校验精度。 数学模型对热电偶校验进行分段( 区域) 由能量守恒可得到热平衡方程，因 此对于n 个区域共建立n 个非线性方程，即可求得炉内温度场。经计算后，预示 计算值与实测结果吻合较好，完全能够指导热电偶的校验。 c 文献2 0 , 3 4 j 做了三维线性有限元在热处理炉c a d 中的应用研究，使用m a r c 软件对7 2 k w 井式渗碳炉温度场进行了模拟计算，计算过程中考虑了辐射，材料 热物性参数和边界条件等复杂因素，模拟结果与实测结果吻合较好如图1 1 6 重庆大学硕士学位论文1 罩式炉的发展及现状 图1 1 炉体温模拟对比图 f i g 1 1c o m p a r i n go f s i m u l a t e dt e m p e r a t u r eo f f u r n a c e d 近年来，国外已广泛应用二维和三维传热数学模型的计算结果，作为确定 冷却壁结构参数的依据，并开发出很多软件。文献【3 4 】对高炉镶砖冷却壁温度场进 行了研究，开发出了三维坐标系下冷却壁传热计算的计算机软件，着重进行了不 同炉况下的传热边界条件的确定，分析了炉内对流换热系数，冷却水速度及管间 距，砖衬厚度对冷却壁及耐火材料温度分布的影响。文中指出，冷却壁温度分布 强烈依赖炉内综合换热系数，得出了不同砖衬厚度下温度分布与对流换热系数的 关系的变化规律。 文献1 3 5 - 3 7 1 对钢冷却壁进行了三维温度场计算，编制了三维温度场软件，除可 以计算冷却壁，冷却板衬温度场外，还可计算其它烃似结构的温度场，对冷却壁 结构的优化设计也起到重要的作用。采用的是非均匀网格划分，计算后确定了冷 却壁的敏感温度区，易损区扩钢冷却壁的薄弱环节，并提出了相应的改进措施。 e 文献i 2 0 】研究了连续加热炉三元在线控制数学模型。该炉热交换以辐射为主， 为了满足在线控制的要求，对热交换进行了简化，将沿炉长方向划分成若干段。 每段含有炉气，围墙和被加热金属物料三个部分，称之三元。辐射能量确定为辐 射直接交换法和全面积交换法。 7 重庆大学硕士学位论文1 罩式炉的发展及现状 1 2 _ 2 罩式炉数学模型建立方法综述 随着生产技术水平的不断发展，原来靠经验来制定罩式炉的生产工艺制度的方 式已完全不能满足生产所需。要保证罩式炉的退火质量对罩式炉及有效的提高生 产效率，必需通过罩式炉内的退火材实时的温度布以及内罩各保护气体的实时温 度对燃料和空气的给定量及混合比进行实时的调控，从生产实际可知对燃料及空 气的实时调控很容易做到，只需换上二个电动比例调节阀即可实现，然而要对炉 内的退火材温度分布及内罩、保护气的实时温度的检测却难以做到，最多只能对 其中某几个特殊点的进行实时采集，所以如何获知实时的温度分布的课题日益显 现出来。另一方面工艺制定过程中，技术人员为了能够制定出节能高质的工艺制 式也需要依据实时温度的分布。为了较为准确的找到各时刻、各部位温度分布的 近似值提供给技术人员作为工艺制式制定依据以及对罩式炉实施较为精确的控 制。国内外掀起了对罩式炉数值模拟研究的浪潮。这方面的研究在国内、国外都 大量的科研工作者作了大量的工作。如t r r r a o ，g j b a r t h & j r m i l l e r 作了罩式炉 加热、保温和冷却时间的计算机模型预测；c r o s i e r 作了罩式炉内钢卷时传导的模 拟研究：h l o c h n e r , g s c h w e i g e r 作了强对流罩式退火炉的研究，文献2 ，3 8 “悱了热 处理过程的数值模拟的研究。 从前人的研究中不难看出罩式炉数值模拟的方法可从下两个方面进行。 a 从罩式炉内加热过程中各种形式热量的传递规律分析入手，进行数学、物 理推导。建立起钢温的微分方程。用数值分析方式对微分方程进行求解。得到钢 温各时刻、各部位的温度分布。这种方法完全靠理论推导，计算结果准确可靠， 但计算机求解往往较为繁锁，且随温度变化物性参数程非线性变化，在计算中往 往只能简单的线性化处理，使得计算值与实际值有一定的误差。 b 从大量的实验检测入手，对大量的实测数据进行回归得到经验公式。再用 该公式进行计算控制。这种方法计算相对简单。但其仅适用于与实验相近的生产 情况下计算控制。对于生产情况变化性大的罩式炉其精度难以达到要求。 c 综上所述为了提高精度和适用范围，又要使计算简化，往往将上两个方法 相结合，用数学物理方法推导出传热方程，用实验的方法测得一些难以计算的参 数，使用模型简化，并用大量的实测数据对所求得的模型进行验证和必要的修正， 这种方法被广泛的采用。本文就是采用此种方法对长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉退火过程 进行模拟。 11 2 3 模型数值求解方法 常用数值求解方法有有限差分法、有限元法和边界元法。一”d 有限差分法从微分方程出发，将区域经过离散处理后，近似的用差分，差商 来代替微分微商，微分方程和边界条件的求解可归结为一个非线性代数方程组的 重庆大学硕十学位论文 罩式炉的发展及现状 1 _ 2 _ 2 罩式炉数学模型建立方法综述 随着生产技术水平的不断发展，原来靠经验来制定罩式炉的生产工艺制度的方 式已完全不能满足生产所需。要保证罩式炉的退火质量对罩式炉及有效的提高生 产效率，必需通过罩式炉内的退火材实时的温度布以及内罩各保护气体的实时温 度对燃料和空气的给定量及混合比进行实时的调控，从生产实际可知对燃料及空 气的实时调控很容易做到，只需换上二个电动比例调节阀即可实现，然而要对炉 内的退火材温度分布及内罩、保护气的实时温度的检测却难以做到，最多只能对 其中某几个特殊点的进行实时采集所以如何获知实时的温度分布的谡题日盏显 现出来。另一方面工艺制定过程中，技术人员为了能够制定出节能高质的工艺制 式也需要依据实时温度的分布。为了较为准确的找到各时刻、各部位温度分布的 近似值提供给技术人员作为工艺制式制定依据以及对罩式炉实施较为精确的控 制。国内外掀起了对罩式炉数值模拟研究的浪潮。这方面的研究在国内、国外都 大量的科研工作者作了大量的工作。如t r i l r a o ，g j b a r t h & j r 。m i l l e r 作了罩式炉 加热、保温和冷却时间的计算机模型预测；c r o s i e r 作了罩式炉内钢卷时传导的模 拟研究：hl o c h n e r , g s c h w e i g e r 作了强对流罩式退火炉的研究，文献2 ”“3 作了热 处理过程的数值模拟的研究。 从前人的研究中4 i 难看出罩式炉数值模拟的方法可从下两个方面进行。 a 从罩式妒内加热过程中各种形式热量的传递规律分析入手，进行数学、物 理推导。建立起钢温的微分方程。用数值分析方式对微分方程进行求解。得到钢 温各时刻、各部位的温度分布。这种方法完全靠理论推导，计算结果准确可靠， 但计算机求解往往较为繁锁，且随温度变化物性参数程非线性变化，在计算中往 往只能简单的线性化处理，使得计算值与实际值有一定的误差。 b 从丈量的实验检测入手，对大量的实测数据进行回归得到经验公式。再用 该公式进行计算控制。这种方法计算相对简单。但其仅适用于与实验相近的生产 情况下计算控制。对于生产情况变化性大的罩式妒其耥度难醴达到要求。 c 综上所述为了提高精度和适用范围，又要使计算简化，往往将上两个方法 相结合，用数学物理方法推导出传热方程，用实验的力法测得一些难以计算的参 数，使用模型简化，并用大量的实测数据对所求得的模型进行验证和必要的修正， 这种方法被广泛的采用。本文就是采用此种方法对长钢4 0 0 1 3 9 0 型罩式炉退火过程 进行模拟。 1 2 3 模型数值求解方法 常用数值求解方法有有限差分法、有限元法和边界元法。 4 2 - 5 0 有限差分法从微分方程出发，将区域经过离散处理后，近似的月差分+ 羞商 来代替微分微商，微分方程和边界条件的求解可归结为一个非线性代数方程组的 来代替微分微商，微分方程和边界条件的求解可归结为一个非线性代数方程组的 重庆大学硕士学位论文 1 罩式炉的发展及现状 求解。其优点是有限差分法概念清晰，方法简单，计算量小。但其同样存在缺点： a 局限于规则的插分网格显得不够灵活；b 只看到了节点的作用，对于把节点连 接起来的单元的本身特性不予以注意，而正是这些单元构成了整体，在计算过程， 单元会起到自己应有的“贡献”。d 2 有限元是使繁多的工程问题获得近似解的一种数值分析技术。现在已公认为 是一种用途广泛的数值分析的工具，目前已用来分析应力场，温度场，电磁场， 流场等多种场并取得了成功。其成功在很大程度上归功于建立有限元时采用的方 法，即把问题表述为变分形式或加权形式，再把该表述进行有限元离散化，并有 效地求解所导出的有限元方程。最终结果是在计算机上实现了一个完整的数值处 理过程；有限元矩阵的表述，用来计算这些矩阵的数值积分，把单元矩阵集合成 相应于整个有限元系统的矩阵，以及系统平衡方程组的数值求解。从其推导来看 有限元法可分为：直接法、变分法、加权余量法。【42 有限元法的优点是：a 离散 方法是将无限自由的连续体力学问题变为有限节点参数的计算，虽然它是近似的， 但适当的选择单元形状和大小，可近似解达到满意的精度；b 不仅适合复杂的几 何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，如材料的各项异性， 非线性，随时间和温度变化的材料性质问题，还可解决非均匀质连续介质的问题， 应用极其广泛。 边界元法是另一种发展比较快的数值分析方法。有一部分微分方程只要能找 到满足给定方程且又符合给定边界条件的函数就是唯一解。通过把求解域的边界 剖分为若干单元，将求解函数简化为求单元节点上的函数值，求解积分方程就化 为求解一组线性方程，这就是边界元法。与有限元相比，边界元法同样存在缺点： a 边界元法得出的线性代数矩阵是一个满秩的不对称的矩阵，但求解问题较大时， 解满秩矩阵而非对称的矩阵会占很多计算机资源；b 应用边界元法必须事先知道 所求问题的基本解，但目前非线性问题的基本解不易解出：c 工程问题的计算域 中常有多种不同的介质。计算时须在边界上剖分单元，在不同的介质边界上也要 剖分单元，而n 个介质交界面上的点则相当于n 个点的自由度，因此，对于多 种介质构成的计算域未知数大为增加。当不同介质分区过多时，边界元就不一定 有利了。 1 s , 4 2 大部分工程问题都存在非线性问题，一般包括材料非线性，几何非线性和边 界非线性几个方面。按照材料，几何，边界非线性理论建立的最后有限元方程为 非线性的，求解这些非线性方程是有限元分析的重要部分。高精度，高效率和高 数值稳定性的非线性求解方法和快速的代数方程组求解技术对于获得合理，准确 的分析结果至关重要。与线性分析不同，在非线性分析中很难找到一种适用各类 非线性及各种非线性程度的解法在非线性有限元发展过程中出现过种种解法，他 9 重庆大学硕士学位论文 1 罩式炉的发展及现状 们有各自的适用范围，用的不好，可能会发散。一般来说，非线性解法有以下几 种：a 全牛顿一拉夫森迭代法； b 修正的牛顿拉夫森迭代法；c 有应变修正的 牛顿拉夫森迭代法；d 割线方法。 1 3 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉结构特点与工艺分析 11 3 1 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉简介 长钢二轧厂七车间于1 9 9 1 年引进法国技术制造强对流保护气氛罩式炉退火 炉，共建有三个炉台，制作了两个加热罩和一个冷却罩交替使用。 该罩式退火炉结构如图2 1 ，每个加热罩上有6 个燃气烧嘴对一个内径为4 m 高6 m 的内罩进行加热，内罩的内壁支撑一个整体的导流圆筒，炉内通入的保护 气体( 氮气或氮氢混合气体) 在内罩与导流筒之间与内罩进行热交换，被加热。并通 过炉台上装设的大功率循环风机使被加热的保护气在炉内和导流简外周而复始的 循环，把内罩的热传递给置于炉台上的钢材，对退火的钢进行加热处理。 冷拔线材罩式炉退火的工艺要求 冷拔线材罩式退火炉用于冷拔线材冷拉拔前的去应力退火，降低线材的硬度， 便于拔制及防止冷拉拔过程中的脆断。由于是半成品和成品退火，对线材的表面 质量要求较高，对表面的氧化需要严格的控制。基于罩式炉的特定的工作条件， 为达到上述的目的，要求在保护性气氛中进行退火，并对其工艺性能亦有特殊的 要求。钢材装入罩式炉内，扣上内罩，装好加热罩，用氮对炉内进行一定时间的 清洗，供燃料点火对对退火材升温，达到一定时间和温度，并保持一定时间后吊 开加热罩，换上冷却罩进行自然风冷和水强制冷却，达到钢材的退火的目。 该车间的三座罩式炉主要用于盘圆线材冷拉拔前的去硬度退火。由于退火 材已是半成品或成品，因此要求在退火中表面尽量不被氧化，各部位温度均匀。 目前该车间罩式炉主要用于滚珠钢( g c r l 5 等) 、汽车阀门钢( 4 c r g s i 2 、4 c r l 0 s i 2 m n 等) 、弹簧钢( 5 0 c r v a 、6 0 s i 2 m n 等) 加工前后的热处理。热处理的钢材主要来 自于长钢二轧四车间精轧线所轧制的线材，其规格大部份在( q 5 7 3 0 m m ) ，坯料均以 盘圆形式送入该车间，该车间对其进行( 盘到盘) 或( 盘到直) 的剥皮或拉拔后 磨光处理。其热处理的目的为了改变加工工艺性能，使其满足所要求的机械性能 和使用性能。在加工前需降低其硬度，而其热轧材在轧制后没有进行特殊的保温 处理其内部组织往往也难以达到要求，为此对此进行热处理是必要的一个工序， 为了防止热处理过程中过烧而导致规格变小以及成材率的降低，所以要求整个热 处理过程在保护性气氛中进行，二轧七车间采用在罩式炉内充入氮气的方式进行 热处理。为了充分利用罩式炉的空间使其每次能装入最大量的盘圆，该车间制作 有专用的盘圆装料架，使盘圆以圆柱的形式整齐的堆放于罩式炉内如图2 1 。线材 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 罩式炉的发展及现状 盘圆拉拔成为线材直条，因冷加工其硬度会增加。为了适合下一修磨工序，需对 直材进行再一次的退火处理( 其长度小于3 5 m ) 。这种半成品的直材在罩式炉内堆 放成“井”字形。但需进行退火的直材在长钢二轧七车间所占比例不大，且退火要求 不是很高。所以本文主要针对线材盘圆的退火过程进行分析和研究。 1 3 2 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉存在的问题 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉是用氮气作为保护性气体的强对流罩式炉，主要用来对 盘圆作退火处理。盘圆装在一个料架上形成圆柱简，每一炉可装入7 - 8 个盘圆柱筒。 线材在炉内较为松散。所以每炉可对3 5 吨左右钢进行退火处理。采用一台p l c 作 为整个过程的控制器，由位于炉子底部的检测热电偶作为温度控制信号控制整个 过程按设定的退火工艺曲线进行退火。其工艺曲线简单设定加热、保温、降温、 急冷等几个阶段，每个控制点均是将检测热电偶所测的炉子底部钢温作为整个钢 温的看待。加热阶段炉气以最大量给定，保温阶段也以选取的一个较小的燃料给 定值进行保温。其控制过程十分简陋( 如图1 2 ) 。 图1 2 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉控制简图 f i g 1 2c o n t r o l l i n gs y s t e mo f 4 0 0 3 9 0c o v e rf u r n a c ei nc h a n g c h e n gs p e c i a ls t e e l 前几年由于二轧七车间生产一直是断断续续所以对罩式炉生产能力不足没能 充分的显现出来。近两年来生产一再放量。罩式炉生产能力便显现出严重不足， 加之市场竞争的加剧，不断的降低生产成本势不可挡。所以该车间罩式炉燃料消 耗高，生产周期长的特点日益明显。该罩式炉存在以下主要不足： 1 ) 燃料给定采用加热及保温两段均定量供给机制，加热段始终最大燃料供给， 一方面合炉内钢材温度过高，导致过烧钢材损耗大成材率降低，燃料消耗量大， 造成严重的能源浪费，而且过高的温度加速内罩的老化，对罩式炉本身造成极大 重庆大学硕士学位论文 1 罩式炉的发展及现状 的损坏，表现在内罩的寿命期短。 2 ) 所有工艺温度的控制均以炉底检测点温度代替。造成钢温控制极为不准确， 使得退火钢材的组织结构不均匀，应力不均等现象。严重影响退火质量，同时增 加了燃料消耗量，且大大延长退火周期，降低退火能力。 针对长钢4 0 0 3 9 0 型罩式退火炉的运行现状，采用先进的数学模拟技术，提高 罩式炉的控制水平，已迫在眉睫。 1 4 本文的研究内容及特色 本文就是针对4 0 0 3 9 0 型罩式炉上两方面的问题。认真仔细的从罩式炉的结构 及退火钢材在罩式炉内的分布等情况，从实际的对象出发，进行理论分析和现场 实现相结合的方法作出退火炉内钢材的温度场分布，以便在在线退火过程中对钢 温作出与实际相符的预报，供工艺人员针对不同的钢神作出最有效的退火工艺蓝 线，从而达到提高罩式炉退火钢材的质量，节约罩式炉的能源，缩短退火时间提 高罩式炉的生产能力的目的。 主要内容 通过对大量文献的参考及对长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉和其生产过程的分析本文 要做如下工作： 1 ) 通过傅立叶导热微分方程结合长钢4 0 0 4 9 0 型罩式炉具体结构参数及所常 用退火钢材的物性参数，对退火过程中线材盘圆的温度场进行数值模拟，做出温 度预报模型及盘圆卷内部模型。 2 ) 通过对燃料燃烧计算及加热罩内、内罩内的传热过程的分析计算做出钢材 外部的传热模型，以便计算出内罩及保护气的温度，为内部模型提供边界条件。 另一方面对燃料、内罩及保护气体( 氮气) 的温度进行模拟以便为工艺制定及生 产现场手动调控提供依据。 3 ) 对计算结果分析、对模型进行试验验证等。 缵本文特色 本文所作的罩式炉内线材盘圆退火过程的数值模拟，因其对象的具体，使其 独具特色： 1 ) 本文所作模型是对长钢4 0 0 3 9 0 这一特定的罩式炉，对象具体，切合生产 实际。其中为处理物料空隙对传热的影响，引入线材盘圆内部等效导热系数，并 建立传热数学模型，对等效导热系数的求法上是新的尝试。 2 ) 本文立足于解决生产中的实际问题，注重模型的实用性，模型力求简单。 重点分析内罩、氮气、燃料、及钢温的计算结果与生产工艺结合。有助于将模型 的结果尽快的服务于生产一线。 重庆大学硕士学位论文 2 眭钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉退火过程的工艺技术及建模方案 2 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉退火过程的工艺技术及建模方案 2 1 强对流罩式炉的基本结构与热工特点 2 1 1 强对流炉的基本结构及工艺 长钢4 0 0 3 9 0 型罩式炉的结构、主要部件名称、功能、作用如图( 2 1 ) ，六 只烧嘴对内罩进行加热可使风罩各部位受热尽可能均匀，导流筒将炉内保护体分 受热区( 内罩传热给气体) 和传热区( 气体传热到退火材) ，内罩的作用是形成