（钢铁冶金专业论文）不锈钢板固溶工艺改进及表面裂纹形成原因分析.pdf

上海大学硕士论文 摘要 本文综述了高温工作环境下的测温研究成果，铸坯在加热过程中发生表面裂 纹的机理研究成果，以及几种常用的温度场数值计算方法。 为了考察不锈钢板在固溶处理过程中的实际升温时间，从而为改进现有固溶 处理工艺，提高生产效率提供依据。本试验采用了现场测温试验结合有限元数值 模拟计算的研究方法。在测温试验过程中，以6 0 m m 厚的不锈钢板为试验板，根 据固溶炉的实际情况，在试验板的中部和边部埋设了接地型铠装热电偶，用来测 钢板不同厚度处的温度，所测得的温度信号由信号导出线引出并接到温度显示仪 上。同时也测量和记录了相应点的上下炉气的温度。 运用a n s y s 有限元软件，根据实测的试验条件，进行数值模拟计算。在模 拟计算过程中，主要通过改变导出黑度，以求钢板在升温和保温两个阶段终了时 刻的计算值和实测值尽可能的一致。拟合计算的结果显示，钢板上表面的热交换 比下表面的强，而中部的热交换又比边部的强，当温度超过8 0 0 时，导出黑度 随着温度升高而变大。计算的结果还表明第一块钢板的中部下表面升温至1 0 0 0 所需要的时间最长。以此位置的温度达到固溶处理温度为条件，模拟计算出不 同厚度的不锈钢板所需要的固溶处理时间，在此基础上回归得到新的生产工艺。 铸坯在经加热炉加热后表面出现了微裂纹，为了考察微裂处的化学成分，对 生产现场提供的试样用扫描电镜和x 射线能谱分析仪进行面扫描，结果发现3 0 4 与3 2 1 的微裂处的主要成分是s ，而3 1 6 l 的微裂处的主要成分却是o 和c r 。为 了考察炉内气氛是否对微裂的形成有影响，在实验室用电炉依照生产现场的工艺 进行加热，取加热后的试样作同样的面扫描，扫描结果显示3 0 4 微裂处的主要成 分是s i 和0 ，3 2 1 的主要是o ，而3 1 6 l 无裂纹。据此得出结论，生产中的3 0 4 和3 2 1 发生微裂的原因主要是渗硫，而3 1 6 l 的主要是由于氧的选择氧化。另外 对3 1 6 l 加热前和加热后的试样做了n ，0 含量的测定，发现n 的含量偏高。针对 以上原因分析，提出了相应的改善措施。 关键词：不锈钢板温度场固溶处理数值模拟表面微裂面扫描 渗硫选择氧化 上海大学硕士论文 a b s t r a e t r e s e a r c h p r o g r e s s e s o n t e m p e r a t u r ee x a m i n i n g u n d e r h i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n sa sw e l la st h em e c h a n i s mo fc r a c k sd u r i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa r e s u m m a r i z e di nt h i st h e s i s s o m ek i n d so fn u m e r i a c a lv a l u ec a c u l a t i o ni nt e m p e r a t u r e f i e l da r ea l s od i s c u s s e di nt h et h e s i s i no r d e rt of i n do u th o wl o n gt h et e m p e r a t u r er i s i n gc o u r s ew i l lt a k ed u r i n g s o l u t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s ，w h i c hi sv e r yu s e f u lf o rt h ei m p r o v e m e n to f t e c h n i c s ，a n d p r o v i d e s c o n d i t i o n sf o rh i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y at e m p e r a t u r e e x a m i n i n g e x p e r i m e n t i sm a d e ，f o l l o w e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t a i n l e s ss t e e lp l a t e so f6 0 m m a r et e s t e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t i no r d e rt of i n do u tt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n si n d i f f e r e n tp a r ta n dd i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h ep l a t e s ，c e r t a i nt h e r m o c o u p l e sa r ep u ti n t o t h ec e n t r a la n de d g e p a r to f t h ep l a t e s ，a c c o r d i n gt ot h er e a lc o n d i t i o n so f t h eh e a t i n g f u m a c e t e m p e r a t u r es i g n a l sa l ei n p u ti n t ot e m p e r a t u r ed e m o n s t r a t o rt h r o u g hw i r e s u p p e r a n dl o w e r g a st e m p e r a t u r e s a r ea l s od e t e c t e da n dw r i t t e nd o w n n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni st a k 肌、v i t ht h ea n s y ss o f t w a r e ，u n d e rt h ec o n d i t i o n s g o t f r o mt h e t e m p e r a t u r ee x a m i n i n gt e s t d u r i n g t h es i m u l a t i o n p r o c e s s ，t h e c o n s i s t e n c eo f e a c u l a t i n gv a l u ea n de x a m i n i n gv a l u ea te n d i n gt i m eo ft e m p e r a t u r e r i s i n ga n dk e e p i n gp e r i o di sp u r s u e db yc h a n g i n g i n d u c e db l a c k n e s s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eh e a te x c h a n g m e n ta tt o ps u r f a c eo ft h es t e e lp l a t ei ss t r o n g e rt h a nt h a to f u n d e r s u r f a c e ，a n dt h ec e n t r a lp a r ts t r o n g e rt h a ne d g ep a r t t h er e s u l t sa l s os h o w t h a t w h e nt h et e m p e r a t u r es u r p a s s8 0 0 c ，t h ei n d u c e db l a c k n e s sw i l lb e c o m eb i g g e ri n a c c o r dw i t hh i g h e rt e m p e r a t u r e i no r d e rt or a i s e t e m p e r a t u r et o1 0 0 0 * c ，w i c h i s n e e d e df o rs o l u t i o nt r e a t m e n t ，t h eu n d e r s u r f a c eo fc e n t r a lp a r to ft h ef i r s ts t a i n l e s s s t e e l p l a t er e q u i r e st h el o n g e s tt i m e u n d e rs u c hs u r r o u n d i n gc o n d i t i o n s ，r e q u i r e d s o l u t i o nt r e a t m e n tt i m e so f s t a i n l e s ss t e e lp l a t e sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa r ec a c u l a t e d an e w p r o d u c t i o n t h e c h n i c si sp r o p o s e do nt h eb a s i so f t h e s er e s u l t s o nt h es u r f a c ec r a c k e sc o n c e r n e d ，i no r d e rt of i n do u tt h em a i nc o m p o s i t i o no f c r a c k i n gp a r t ，s a m p l e sf r o m t h ep r o d u c t i o ns c e n ea r ee x a m i n e db ys c a n n i n ge l e c t r o n 上海大学硕士论文 m i c r o s c o p e ( s e m ) a n d t h ee n e r g yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o me t e r ( e d x ) r e s u l t ss h o w t h a tt h em a i nc o m p o s i t i o no f c r a c k i n gp a r to f3 0 4a n d3 2 1i ss ，w i t he x c e p t i o nf o r 316 l ，w h i c hi soa n dc r w i t hp u r p o s eo f f i n d i n go u tw h e t h e rt h ef u r n a c ea t m o s p h e r e h a si n f l u e n c eo nt h ec r a c k s ，s a m p l e sa r eh e a t e dw i t he l e c t r o nh e a t i n gf u m a c ei n a c c o r dw i t ht h ep r o d u c t i o ns c e n e a f t e rh e a t i n g ，s a m p l e sa r ea l s ot r e a t e db ys u r f a c e s c a n n i n g r e s u l t ss h o w t h a tt h em a i nc o m p o s i o no f3 0 4i ss ia n do ，w i t h3 21 m a i n l y o ，a n di n 31 6 lc r a c k sa r en o tf o u n d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，c o n c l u t i o n sa l e m a d e ，w h i c ha l et h a ts u r f a c ec r a c k si n3 0 4a n d3 2 1a r em a i n l yc a u s e db yp e r v i s i o no f s u l p h u r , a n d3 1 6 li ss e l e c t i n go x i d i t i o n i na d d i t i o n ，t h ec o n t e n t so fn ，oo f3 1 6 l b e f o r eh e a t i n ga n da f t e rh e a t i n ga l ed e t e c t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t e n to fni sa b i th i g h e r f i n a l l y , i m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r e g i v e no nt h e b a s i so ft h er e s e a r c h w o r k s k e y w o r d s ：s t a i n l e s s s t e e lp l a t e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s o l u t i o nt r e a t m e n t ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s u r f a c ec r a c k s ，s u r f a c es c a n n i n g ，s u l p h u rp e r v i s i o n ， s e l e c t i n go x i d i t i o n a n 。 e 。x e 。 o 矗 。二 p c t 也 k y k ： ，l 以， n 2 哥 口 h e 。 l k g ， k a 。 妒 c m 仃 符号清单 氧化膜的线膨胀系数 金属的线膨胀系数 氧化膜的泊桑比 金属的泊桑比 氧化膜的杨氏模量 金属的杨氏模量 氧化膜的表征平均热应力 金属的表征平均热应力 材料密度 材料比热 时间 材料沿x 方向的热传导系数 材料沿y 方向的热传导系数 材料沿z 方向的热传导系数 边界外法线的x 方向余弦 边界外法线的y 方向余弦 边界外法线的z 方向余弦 r 1 边界上的给定温度 r ：边界上的给定热流量 热系数 炉气的辐射能力 炉壁的辐射能力 金属的辐射能力 炉气的黑度 炉壁的黑度 金属的黑度 金属的有效辐射面积 炉壁的有效辐射面积 炉壁对金属的角度系数 l 1 k g m m 2 k g m m 2 k g m m 2 k g m m 2 k g m 3 j k g s k m m s k m m s k m m s 千卡米2 小时 k i n m 2 s w m 2 w m 2 最 m 2 一 炉气和炉壁对金属的导来辐射系数 小2 k 4 波尔兹曼常数 上海大学硕士论文 第一章前言 1 1 研究背景 最近几年，随着国内经济的飞速发展，以及在国家所采取的积极的财政政策 的刺激下，国内的基础设施建设进入一个高速发展时期，从而导致对钢材的需求 量猛增。在市场需求的刺激下，国内各大钢厂纷纷扩大生产规模，钢铁产能迅猛 扩大。从总体上看，国内的钢材供需基本平衡，但钢材市场中存在着严重的结构 性供需失衡。这具体表现在：一方面低附加值的钢材品种，如建筑用螺纹钢、线 材等供大于求，市场竞争日益激烈，产品价格逐步走低，利润空间减小，以此类 产品为主导的公司的经营状况都不容乐观：而另一方面像轿车用的冷轧薄板、家 用电器用的镀锌板以及电机制造所需要的电工钢等高附加值产品，国内产能严重 不足，特别是不锈钢，随着人民生活水平的提高，家用电器逐渐普及，厨房用的 小电器不断增多，不锈钢的消费量快速增长，而国内产能有限，每年需从国外花 费巨额外汇进口不锈钢。上海浦钢集团厚板厂为了提高产品的竞争力，抢占更大 的市场份额，寻求新的利润增长点，决定扩大不锈钢板在产品中的比例。 为实现上述目标，厚板厂需要解决两方面问题：一是固溶炉的产能低，具体 表现在不锈钢板坯在炉内加热保温时间太长；二是坯料修磨量大，尽管连铸坯在 进加热炉前已将有裂纹的表层打磨掉，加热后铸坯表面又出现了晶界裂纹。因此 改进固溶工艺，分析表面形成微裂纹的原因具有重要的现实意义。 1 2 研究内容 针对以上两方面问题，本试验初步决定分两方面展开：一是在生产现场进行 物理测温试验，在此基础上用a n s y s 有限元软件进行模拟计算，看能否在保证固 溶处理充分完成的条件下，缩短生产时间；二是分析晶界微裂产生的机理，进而 提出解决的方案。 1 3 温度场测定与模拟计算研究成果 加热炉的作用是把金属加热到高温状态，从而为改善金属的性能提供热力学 条件。有时为了研究的需要，必须了解炉内的温度场分布情况。由于加热炉内恶 劣的工作环境，用一般的测温仪器是不行的。目前在高温环境下测温的仪器主要 上海大学硕士论文 有热电偶温度计，全辐射高温计，光学高温计。热电偶测温系统是由三部分构成， 即热电偶、连接导线和显示仪表。当两根不同的金属组成一个封闭的回路，将它 的一个接点加热( 称热端) ，而另一个接点保持常温( 称冷端) ，则在此封闭的线 路中将产生直流电，其电势的大小与两接点的温差成正比。热电偶测温就是测量 这一电势的大小，以电势的大小来表示热端温度的高低。光学高温计的工作原理 是：任何物体在被加热到高温时都会发出较强的热射线，将被测物体的某一波长 的辐射强度与一可变亮度的灯泡的灯丝进行比较即可获得测量温度。全辐射高温 计是根据被测物体的热辐射效应进行表面温度测量的。由于光学高温计和全辐射 高温计只能测板坯表面温度，而无法测坯内温度，所以不能用于本试验。故决定 本次试验用热电偶式温度计来测量钢板的温度。 高温环境下测温信号的导出以及记录也不是一件很容易的事情。有一种称作 “黑匣子”的高温测量装置，它的工作过程为：将“黑匣子”温度记录仪置于水 汽化冷却装置中，水汽化冷却器用绝缘材料进行绝缘。温度记录仪有一定数目的 通道，每一通道对应一个测温点。入炉前先编程，设定记录的时间步长，按每一 时间步长记录一次各测温点温度。试验坯出炉后，将记录仪记录并保存的数据输 入的计算机中，就可以得到各个通道的温度值以及相对应的时间。此方法具有简 单、方便、准确等优点。 计算机温度场模拟就是运用计算机，采用有限差分法、有限元法及边界元法 等一些计算方法，对板坯的升温过程进行模拟计算。通过对板坯在加热炉内升温 过程的计算机模拟，从而为加热升温的工艺设计提供有用的信息，为工艺的改进 提供科学依据。 有限差分法是将温度场微分方程中的微分用差分来代替，所以其公式推导比 较简单。差分方程所具有的共同优点是简便易行，误差较小，缺点是对于复杂的 边界条件处理困难较大。 有限元法是基于变分原理发展起来的一种数值解法。由于它单元划分的相对 随意性，使其可以较容易的适应复杂的边界情况，还可以在局部单元加密网格以 提高精确度。有限元法的缺点是自由度多，对于结构复杂的物体，其计算量太大。 边界元法是一种新近发展起来的数值计算方法，它是基于传统的积分方程和 有限元概念的一种加权剩余法。它可以不考虑内部的未知数，而在于求得边界上 上海大学硕士论文 的温度值，然后再根据已知的边界值去计算内部的值。边界元法的缺点是边界条 件难于确定，一般依赖于实验测量，这将导致实验测量误差会降低分析精度的问 题。 伴随着计算机技术的飞速发展，计算机的运算速度越来越快，以前需要很长 的时间才能完成的工作量，现在很快就可以完成。因此，在考虑用什么数值计算 方法来模拟计算温度场时，我们追求的更多的是计算精度。建立在此认识的基础 上，我们决定用有限元法作为这次温度场模拟的理论基础。温度场有限元方法的 核心是：将复杂结构离散成互不重叠的形状简单的单元，在单元局部域内选取近 似函数进行插值运算，叠加后形成控制方程，从而确定温度场。 目前通用商品化软件的使用已成趋势，模拟工作更趋实际。国际上常用的模 拟软件主要有：m s c ，n a s t r a n ，a n s y s 等。a n s y s 软件是世界上著名的大型通用 有限元软件，广泛的应用于结构、机械电子、电磁场、流体流动等工程学科和实 际工艺领域。它为用户提供了一百多种单元，拥有强大的后处理能力，可以方便 的进行网格划分和提供后处理等值线、色块的显示。因而本试验决定采用此软件 作为模拟计算的工具。 1 4 热裂机理方面的研究成果 所谓热裂即当钢在大约1 0 5 0 。c 以上的氧化气氛中加热后，热加工时表面上 出现微裂纹的现象。较深的表面裂纹在以后的加工中难以去除，形成钢材表面上 的缺陷。关于铸坯加热产生裂纹的机理，已有不少学者做过探讨。 1 4 i 铜元素与热裂的关系 一种观点认为引起热裂的最主要的元素是铜。关于铜引起热裂的机理已经弄 得比较清楚，即在加热时由于钢中的铜氧化势比铁低，在氧化气氛中加热时表面 的铁被氧化，而铜不被氧化，因此铜从氧化铁中排出，在氧化铁一钢界面处形成 一浓度梯度，如果钢中含有一定残留量的铜，在一定的加热温度和氧化速度条件 下，铜的浓度可能超过它在该条件下在铁中溶度限并在氧化皮一钢的界面间形成 熔化的铜( 铜的熔点只有1 0 8 3 c ) 。热加工时在表面有一定张应力的条件下，由 于熔铜钻进并湿润了钢的晶界，张应力使这些晶界开裂，形成表面微裂纹”。 除铜外其他一些氧化势低于铁的元素在加热时也会在钢的表面上富集，像 s n 和s b ，且它们能与c u 形成c u - s n 和c u s b 固溶体，使铜的熔点进一步下降从 上海大学硕士论文 而加重热裂。s m i t h 等“3 根据实验研究和生产实际的回归数据，认为s n 即使在残 留含量的水平就能促使整体热裂发生。砷和镍则对抑制热裂有一定的作用8 。“”。 像s n 、s b 、n i 等这些元素在钢表面上与铜反应，影响铜和铜与这些的元素的溶 体在奥氏体中的溶度限、熔点、表面张力，从而影响热裂。 为了避免产生热裂，最直接的办法是降低钢中的残铜量。图卜1 是易切削低 碳钢的线材在轧制时铜含量与表面缺陷废品率的关系。可见铜含量大约低于 0 1 5 时，则无表面缺陷。1 。文献 9 认为，当c u + 6 s n a 时就会出现热裂。式中c u s n 4 ，a 为0 1 4 1 o 。a 值与钢种和加热以及轧制 条件有关。 摹 * 咯 世 釜 瘩 瞎 描 图卜l 易切削低碳钢线材表面缺陷与铜含量的关系 实验室研究表明，千分之几含量的硅可以减少高残铜的热裂，硅与镍在一起 效果更好“” 1 4 2 氧化膜与热裂的关系 还有学者从氧化膜角度探讨热裂纹产生机制 氧化膜内普遍存在应力，应力是造成氧化膜破坏的直接原因“”1 。氧化膜内 的应力分为两种类型：生长应力和热应力。氧化膜恒温生长产生的应力为生长应 力；当氧化温度变化时，由于金属与氧化物的线膨胀系数不同而产生的应力为热 应力。 生长应力的产生因素较多，归结起来主要有：( i ) 氧化物和形成该氧化物所 4 上海大学硕士论文 消耗金属的体积不同( p i l l i n g b e d w o r t hr a t i o ，简称p b r ) ( 2 ) 氧化物在基体 金属上取向生长：( 3 ) 金属或氧化膜成分变化；( 4 ) 膜内晶格缺陷；( 5 ) 新氧化 物在已经形成的氧化膜内生成：( 6 ) 氧化物固相反应、再结晶及相变；( 7 ) 材料 表面的几何形状。 通常认为第一种因素是最重要的。对各向同性的氧化膜，考虑到氧化膜应力 有释放，由p b r 引起的体应变为s 。= 国( 1 一m “3 ) ，其中。表示为氧化物的p b r 值； 为一个与氧化膜性质有关的比例系数。对实用金属材料，p b r 大于1 ，氧化膜 内存在压应力。 氧化膜热应力仅仅起因于金属与氧化物线膨胀系数的不同。建立简单模型如 图卜2 所示。 图1 - 2 冷却过程中金属和氧化膜热收缩不匹配产生应力示意图 试样初始长度为l 。，加热到氧化温度t 0 时，长度变为“。假设氧化过程中试样 的长度几乎不变，而冷却过程中氧化膜与基体合金保持粘附。冷却到温度t 时， 试样长度为l 。如果假设冷却过程中，氧化膜和合金单独自由伸缩，在温度t 时 长度分别为比和e 。认为冷却过程中氧化膜和金属都在弹性变形范围内，氧化 膜和金属都属平面应力状态，那么得出： 比= l o ( 1 + a 。a t ) 工：= “( 1 + 口。a t ) = 等丧 铲l ：r , - l 去 0 1 ) 0 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中，a t = t 一瓦，a 为线膨胀系数，泊桑比e 为杨氏模量，a 为表征平均热 上海大学硕士论文 应力。下脚标o x 和m 分别表示为氧化膜和金属。氧化膜内应力和金属内应力达 到平衡，故有： 2 亭盯。+ h e r 。= 0( 1 5 ) 式中， 和h 分别为氧化膜和试样的厚度。将式卜1 和式卜2 分别代入式卜3 和 式卜4 中，然后再代入式卜5 中，得到工和耳关系的表达式。最后得出： 1 1 一t 。 1 1 一。 ( 1 6 ) 0 7 ) 由于大多数氧化物的线膨胀系数小于金属的线膨胀系数，即a 。- a 。 0 ，在冷 却过程中丁= t t o 1 8 0 0n i t s 6 5 7 3 w s 2 1 8 0 0n i s9 9 2 m n s1 6 l on ia s a3 5 6 f e s1 1 8 0 n i s ： 1 0 1 0 f e s 2 7 4 2 a 1 ：s 9 6 0 c 0 4 s 39 3 4 a 1 s1 2 0 0 c o 8 8 3 2a 1 2 s 。 1 1 0 0 c o s1 1 8 0 s i s ： 1 0 9 0 c 0 3 s t6 7 0 表卜2 硫化物 p b r 硫化物 p b r f e s2 6 0 2 7 0n i s ：4 1 8 f e s ? 3 5 7 3 3 2o l m n s2 9 4 f e 2 s 3 3 3 7 m n s 2 4 6 3 p - n i s 2 4 6 d c o s 2 5 2 a n i s2 5 6c o 8 2 4 8 n i3 s 43 4 1 3 2 0c 0 3 s 43 4 l 3 2 0 c r s2 8 0c r 2 s 33 8 7 c r j s 6 2 8 9a l 2 s 3 2 8 2 2 5 0 c r 3 s 1 3 1 l 示踪同位索及标记实验都表明，铁在s o ：中的反应主要是铁离子向外扩散。 上海大学硕士论文 但也发现，硫在定程度上向内传输。这主要是s 0 ：通过腐蚀产物膜中的微裂纹 或微通道向内渗透，它们最终会到达系统中金属的活度高到足以形成硫化物的区 域。在腐蚀膜金属界面具有最高的金属活度，因此在该区域最适合形成硫化物 “”。当金属从高温冷却时，金属表面将会产生张应力，由于在腐蚀膜金属界面 处有低熔点的硫化物的存在，熔融的硫化物，湿润了钢的晶界，张应力使这些晶 界开裂，形成表面微裂纹。 1 4 4 氮化与热裂纹关系 当金属或合金在高温下暴露在含氨气氛中时，常遭受氮化“”。氮化发生时， 合金从环境中吸附氮。当合金中的氮超过它的溶解度极限时，氮化物就会从基体 及晶界处析出，故当金属表面受到应力作用时易产生裂纹。但是，氮化一般发生 在氧势较低的还原性气氛中，在强氧化性燃烧气氛或空气中多不会导致氮化腐 蚀。 1 4 5 氧与热裂的关系 关于氧对金属的高温力学性能的影响机制有不少学者对此进行过探讨，主要 有几种观点：氧降低了微裂纹前沿原子键结合能，即目前比较流行的弱键理论： 或是因吸附氧的作用使微裂纹表面能下降；或由于氧促进位错运动以及生成氧化 物等等“”1 2 “”。 当氧在微裂纹侧面和尖端富集后，与金属内部构成氧的浓度梯度，则氧会向 金属内部扩散。氧在金属内部扩散主要以晶界扩散和晶格扩散方式进行。其中沿 晶界扩散比在晶格内扩散快得多，因为晶界能量比晶格能量高，氧原予位于晶界 上可降低合金系统总能量，因此它向晶界扩散而富集在晶界上。 氧元素在基体中的扩散致脆有两个途径。其一是通过在微裂区固溶以降低金 属原子间结合能，使此塑性区变脆而加快裂纹扩展。当氧的浓度超过其在合金中 的固溶度时，则发生氧化反应( 尤其是沿晶界氧化) ，晶界氧化物可以阻碍晶界 位置的塑性变形，促使裂纹扩展。氧致脆的另一个途径是通过在基体中的扩散， 促进裂尖前方微空洞的形核和生长。在一定大小的应力作用下，微空洞就会稳定 生长，作为裂纹源向外扩展。 在中温环境。硼和锆是强烈的晶界和枝晶间偏析元素，它们能够降低晶界扩 散，从而降低晶界裂纹萌生的倾向，减少杂质的有害作用，达到强化高温合金晶 上海大学硕士论文 界和枝晶间界的目的，并提高晶界强度和塑性。 1 5 现场测温以及模拟计算方案的制定 本次课题研究的一个主要目的就是总结出一套合理的不锈钢板固溶处理工 艺：即不同厚度的不锈钢板到底各需要多长时间就能够保证固溶处理效果。最理 想的方法是用不同厚度的钢板各进行一组现场测温试验。即用完全物理测试的方 法。此种方法的优点是：现场测量的数据比较准确，可靠。但缺点亦十分明显： 那就是耗时、耗力、耗钱。因为每进行一次现场测温试验，都至少需要两块不锈 钢板，还要有大量的高温热电偶，以及导线和石棉布等。更重要的是固溶炉要停 止正常的生产，在钢铁市场特别是不锈钢销售市场非常火的情况下，这将使厂方 付出很大的代价。如果这样做的话，事与愿违，并不一定会给厂方带来经济效益。 还有一种方法是模拟计算。即通过一定的假设和参考相关的资料，用计算机模拟 炉内温度场分布。此法简单易行，又不影响正常的工厂生产。但显而易见的缺点 是如果边界条件设定不准确会导致误差比较大，从而计算出的数据不准确。经权 衡考虑，本试验决定汲取物理测试的优点和计算机模拟计算的长处，采用现场测 温采集第一手数据，在此基础上进行计算机模拟的方法。 1 6 不锈钢板坯热裂机理探索方案的制订 总结前人在金属热裂纹机理方露的研究成果，可以看出，主要是从以下几个 方面进行研究：( 1 ) 钢内的微量元素像c u 、s n 、s b 以及n i 与热裂纹的关系( 2 ) 环境气氛对热裂纹的影响，例如高温条件下，空气中的s o 。和n ：都可能导致金属 表面微裂纹的产生( 3 ) 热应力作用下的微裂纹的形成。 结合实际情况，本试验决定从两方面入手：一是看钢中是否含有易导致热裂 发生的微量元素；二是看加热炉内的气氛是否对板裂有影响。为了判断气氛对板 裂是否有影响，取相同的试样放入实验室电加热炉内，按照工厂里的升温工艺进 行加热，然后看加热后的试样是否有微裂纹。如果有，则用扫描电镜和能谱分析 仪研究微裂纹处的化学成分，对厂方提供的样品也进行同样的分析，然后对结果 进行分析比较，若比较结果相同则说明气氛对板裂无影响。如果经实验室加热的 试样没有产生微裂，则可以断定微裂产生的原因是炉内气氛。 9 上海大学硕士论文 第二章固溶处理钢板的现场测温试验 2 1 现场测温试验方案的制定 在做现场测温试验前，必须完成前期的准备工作，也就是试验方案的制订。 它主要包括：试验器材的选择，即用什么做测温仪表：测温方式的选择，即如何 测温以及如何导出温度信号；另外还耍考虑试验方案实施过程中有可能遇到的困 难等。 2 1 1 测温仪表的选择 为了在热处理生产中，正确地测量和控制温度，保证热处理产品的质量，降 低劳动强度，已研制和应用了多种性能良好的先进仪表和调节装置。常用的高温 检测仪表有热电偶式温度计、热电阻式温度计、半导体温度计、全辐射高温计、 光学高温计以及光电高温计。 热电阻式温度计是根据物质在温度变化时本身电阻发生变化的特性来测量 温度的，它的测温范围为一2 0 0 5 0 0 ，比热电偶式温度计有更高的精确度；半 导体温度计利用微型半导体热敏电阻作感温元件，其电阻值对温度变化非常敏 感。这种温度计具有灵敏度高、惯性小、结构简单以及结实耐用等优点。它的测 温范围为一8 0 8 0 0 ；全辐射高温计是根据被测物体的热辐射效应进行表面温 度测量的。被测物体因本身温度不同而发射出不等的热辐射能量，投射到辐射感 温器的热电堆上，后者便产生相应大小的热电势，并由显示仪表反映出被测物体 的表面温度；光学高温计利用物体单色波( 波长为0 6 5 毫米) 辐射强度随温度 而变化的原理进行测温。它具有结构简单，使用方便和可进行非接触测量的优点； 光电高温计是根据被测物体的辐射亮度进行温度测量。它与全辐射高温计以及光 学高温计的共同特点是：只能用来测物体的表面温度。 本次试验的目的是了解固溶炉内钢板的温度分布基本情况，特别是要找出最 低温度点位置，因此不仅需要知道钢板表面的温度，而且需要知道钢板内部的温 度，同时考虑到固溶炉内的温度可达到1 0 0 0 c 以上，本试验决定用热电偶式温 度计来测钢板不同位置，不同厚度处的温度。 2 1 2 热电偶丝的选择 热电偶的热电极材料主要有铂铑合金系列、镍合金系列以及铜合金系列。它 1 0 上海大学硕士论文 们的比较见表2 1 。用镍铬一镍硅作热电极材料既能够满足温度测量范围的需 要，价格又比较便宜，因此本试验决定选用镍铬一镍硅型热电偶作为测温部件。 根据文献 2 3 ，当镍铬一镍硅材质的热电偶丝直径为1 毫米时，即可满足在1 0 0 0 条件下短期使用的要求。 表2 - 1 热电极材料允许误差( ) 热电偶名称 极性化学成分 温度误差 主要优缺点 使用温度高，范围广，性能稳 正 p t 7 0 r h 3 0 6 0 0+ 3 一 定，精度高宜在氧化、中性 铂铑3 0 一铂铑6气氛中使用。 负 p t 9 4 r h 6 6 0 0+ 0 5 t 价格责，热电势小。不宜在还 一 原性氛中使用。 正p t 9 0 r h 6 6 0 0+ 3 使用温度高，范围广，性能稳 一 定，精度高，热电势较大，宜 铂铑1 0 - 铂在氧化、中性气氛中使用。 负 n 1 0 0 6 0 0+ 0 5 t 价格贵，不宜在还原性氛中使 一 用。 c r 9 1 0 m n o 。3 s i o 6 正 4 0 0+ 4热电势大精度较高，价格便 c o o 4 0 7 n i 一 宜，宜在氧化、中性气氛及真 镍铬一镍硅余量 空中使用。 m n o 6 s i 2 3 均匀性差。线质较硬。 负c o o 4 0 7 n i ) 4 0 0+ 0 7 5 t 一 余量 n i 9 0 c r 9 7 热电势更太，灵敏度高，价格 正 4 0 0+ 4 s i 0 3 一 便宜，宜在氧化、中性气氛及 镍铬一考锕真空中使用。 负 n i 4 3 c u 5 7 ) 4 0 0+ 1 0 9 6 t 均匀性差。线质较硬负极怕氧 一 化。 正 f e l o o 4 0 0+ 3 热电势大，灵敏度高，价格便 一 宜，宜在还原性气氛中使用。 铁一康铜 负 n i 4 0 c u 6 0 ) 4 0 0+ 0 7 5 t 易氧化，测温范围小( 低于8 0 0 一 ) 。 2 1 3 热电偶信号导出方式的选择 有一种称作“黑匣子”的高温测量装置示意图见图2 一l a ) ，它的工作过程 为：将“黑匣子”温度记录仪置于水汽化冷却装置中，水汽化冷却器用绝缘材料 进行绝缘。温度记录仪有一定数目的通道，每一通道对应一个测温点。入炉前先 编程，设定记录的时闻步长，按每一时间步长记录一次各测温点温度。试验坯出 上海大学硕士论文 炉后，将记录仪记录并保存的数据输入的计算机中，就可以得到各个通道的温度 值以及相对应的时间。此方法具有简单，方便，准确等优点。但由于厚板厂圃溶 炉的炉口高度不够，无法将此装置推进炉子，只好放弃。经考虑决定，采用两根 信号导出线将热电偶信号引出，并接到x md 数字智能巡检仪的方法( 见图 2 一l b ) ) 。 ，。1 。1 。1 。1 1 1 。“。1 一。- 。1 “。1 。 1| ! 堕王 垫皇堡，f 垫! 堡 堕 a ) “黑匣子”测温示意图 b ) 导出线式测温示意图 图2 1 两种信号导出方式的比较示意图 2 1 4 热电偶的固定方式 热电偶的热接点既可以焊接到钢板相应的测温部位，也可以选用铠装热电偶 插入到测温部位。示意图见图2 2 。 施施 ( a ) 焊接式( b ) 铠装热电偶式 图2 2 热电偶固定方式的比较 若采用焊的方法，当测量钢板内部温度时，有两个方面的缺陷难以解决。一是焊 接点的固定问题，因为焊点必须有一定的强度，以防止在测温过程中由于受力而 脱落；二是热接点周围的绝缘问题，因为若想把热接点焊接到钢板内部，必须在 上海大学硕士论文 钢板上钻一定大小的孔，孔的存在势必会对热电偶的信号产生干扰，从而导致测 量不准。所以决定采用铠装热电偶来测量钢板温度。铠装热电偶又名套管热电偶。 是一种新型测温元件，由电偶丝、绝缘材料和金属外管三者组合逐步拉制而成。 剖面图见图2 3 ， 图2 3 铠装热电偶的剖面图 具有可自由弯曲、使用范围广、反应速度快、耐压、耐冲击等优点。热接点的型 式有接地型、绝缘型和露头型等三种，见图2 4 。 接地型绝缘型露头型 图2 4 铠装热电偶的热接点型式 热接点的型式不同，惰性时间也不同。露头型的惰性时间最短，绝缘型的最长， 接地型的居中。若采用露头型的，测量固然比较精确，但加工起来比较麻烦，丽 若选用绝缘型的，则测量的精度不能够保证。综合考虑，决定选用接地型铠装热 电偶。前面提到当镍铬一镍硅材质的热电偶丝直径为1 毫米时，即可满足在1 0 0 0 条件下短期使用的要求。故选用$ 4 8 靓格的接地型铠装热宅偶。 2 1 5 热电偶的布局 要想实现不锈钢板固溶处理的目的，就必须保证整块钢板的温度都在某一温 度之上。因为固溶炉内的温度场分布不是均匀统一的，有的地方商，有的建方低 所以本次测温试验的目的就是找出钢板受热的最薄弱位置。如果此位置的温度达 到固溶处理的要求，那么整块钢板都可以满足热处理要求。为了获得钢板在炉内 加热时的温度场分布，邵找到钢板内最低的温度点，最理想的方法为：在钢板上 尽可能多得埋设热电偶，但此方法实施起来很不现实，费事费力。厚板厂固溶炉 的生产流程为：先是两块钢板并排一起进入到固溶炉的二段位置，接着再将两块 钢板放置在炉子的一段位置上。当加热一段时间后，二段位置的钢板进入到四段 上海大学硕士论文 位置，而一段位置的钢板进入到三段位置。流程示意图见图2 - 5 。 i i i i l 第一蛆il 第二组i l 第一蛆ii 第二组l i i li l 第一组 i 第二组il 第三缉li 第四埋i l 第一组i l 第二组li 第兰咀l i 弟匹组l 一塑左囟 图2 5 固溶炉的工作流程示意图 据此我们可以大胆设想在整个流程中，钢板受热最薄弱的位置应该在第一组钢板 的前端或第二组钢板的后端。因为当第一组钢板从二段位置进入到四段位置时， 板的前端靠近炉子出口，此处的受热条件较炉内其他位置要差一些；同样当第二 组的钢扳进入到一段位置时，板的后端接近炉口，此处的加热条件也较差。根据 生产经验，加热炉内的温度场分布在炉子宽度方向上基本是对称的，反映在钢板 上，钢板的温度场分布也应该在宽度方向上基本对称，因此在一组钢板上只需在 一块上面埋设有代表性的热电偶即可。对于单面加热式炉，在钢板的上表面，炉 子中部温度最高，越靠近炉壁温度越低：在钢板的下表面，刚好与此相反。基于 以上三方面的考虑，本试验的热电偶布局见图2 - 6 。 炉膛边缘 在图2 - 6 中a ( 1 ) 之所以如此埋设，是为了考察炉膛中部和边部位置的钢板 温度的差别，a ( 2 ) 埋设三个的目的是看步迸梁对钢板内温度场的影响。为了考察 4 上海大学硕士论文 钢板厚度方向温度分布，在测温处埋了不同深度的铠装热电偶( 见图2 - 7 a ) 。另 外，为了测定下炉气温度( 上炉气温度，固溶炉有专门的仪表测量并记录) ，还 在钢板上钻了透孔，布置了如图2 7 b 所示的热电偶。 h ，h ( i )1 1 6 i i ( 2 )5 ，5 ：蕊 ( b ) 测炉气温度 图2 7 测温热电偶的安置 2 2 试验方案实施过程中的遇到的困难及对策 在试验方案的实施过程中，遇到了不少的困难，最主要的问题是如何能够保 证获得比较精确的测温信号。由于固溶炉内的高温工作环境，在测温点获得的温 度信号只能用信号导出线输出到炉外的记录仪中，这就必然会牵扯到导出线的绝 缘问题和防断问题。另外，测温用的信号导出线比较长，线的存放也是值得商榷 的一个问题。 2 2 1 热电偶信号导出线的绝缘问题以及线的防断问题 为了尽可能地避免信号导出线在测温过程中接触到一起，需要在导出线上套 绝缘瓷管。由于热电偶丝很细，为了防止在试验过程中被拉断，导出线先在两个 鼻形柱上绕几圈。步进式加热炉在进料时，步进梁的运行并不是很平稳，基于避 免导出线被震断的考虑，又用石棉布将线包裹起来，并用铁丝捆住。另外将导出 线集扎起来。 2 2 2 关于导出线的盘放问题 本试验所需要的信号导出线很长，差不多需要3 0 米长，若不卷起来，比较 占地方，而若采用一般的卷放法，在测温试验过程中，当打开线卷时，很容易发 上海大学硕士论文 生扭转现象，从而将瓷管挤