（机械制造及其自动化专业论文）硅钢温度场与应力场研究.pdf

新 工 学颊l 。学位论文 摘要 随着计婢机技术的不断发腥，生产过程的计算机仿真技术在钢铁生产中得到了越来越广 泛的应用。建立热轧进程的温度场、应力场预报模型已经成为改善产晶艇量，提舞生产效弄是 的重要环节。奉文针对硅钢热轧生产线，建立了热轧娃钢红送过程中的漱皮场、痰力场预报 楔犁，爿用v c 开发了硅钢红迸裂纹仿真系统。此外，测定了硅钢c c t 曲线。， 率文主簧包摇戬。f 南髯： ( 1 ) 温度场测试：根据硅钢生产实际按照几何斗日似原则制作试样并进行现场滞度测试， 褥到芯郝霸l 表露蚱漂艘睫对闻变化情况。 ( 建立硅钢板坯空冷温度场仿真模型：考虑磷钢热物性参数随温魔变化的情况进行了 导热系数和比热的测试，参照生产实际，考虑传导、对流、辐射。建立了硅钢板坯空冷的有 陵元预报模涮。用v c 开发了磕钢红送裂纹仿真系统实现了：v c 对a n s y s 滴爱扬应力场 氍序的调川以及v c 与a n s y s 的数据通信。 ( 3 ) 建赢了硅钢扳坯磊运瀛瘫场铸窦嫒型：攘攒生产中教缝燕运g 夹持贩箍窭观黑印， 影响最终产品晶质的情况，对吊运过程的温度场进行了仿真，得到吊运过程不同时刻辟钢板 坯的混度场云鹜、黑印隧近蛇滏发变动蓝线拳 黑即黔近车疑点魄湿度时阍关系睦线，为改进 生产工艺提供了重要依据。 ( 4 ) 建立了硅钢板坯空冷应力场模型：测定硅钢在不同漏浚下的应力- 应变曲线、变形抗 力- 温度曲线并应用熟弹塑性方法建立了板坯红送过程应力场宵限元模型，计算了硅铜板坯 在冷却过程巾的麻力分布情况肃l 各点的席力- 时间关系曲线。 f 弱潮定了硅钢逛续玲却c c t 鼗线：溺定了c c t 蓝线，势势辑了掰嫡砖钢c c t 翡线静 冈索。 美建弱：温度场；盅力场；有隈元；c c t ：热轧 a b s t r a c t a b s t r a c t a sc o m p u t e rt e c h n o l o g yk e e pd e v e l o p i n g ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r e a p p l i e dw i d e ra n dw i d e ri ns t e e lp r o d u c t i o nf i e l d b u i l d i n gat e m p e r a t u r ea n ds t r e s s f i e l df o r e t e l lm o d e lo f h o t - r o l l e ds i l i c o ns t e e lh a sb e c o m e i m p o r t a n ts e 9 3 n e n tf o r i m p r o v i n gp r o d u c t i o nq u a l i t ya n di n c r e a s em a n u f a c t u r ee f f i c i e n c y i nt h i sp a p e rr e a l p r o o e mo fs i l i c o ns t e e lh o tr o l l i n gp r o d u c tu n ei st a k e n r e s e a r c ho b j e c t , w h i c h t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l df o r e t e l lm o d e l s 黼b u i l tf o r as o f t w a r ec a l l e dc r a c k p r e d i c t i o ns y s t e m 弧d e v e l o p e dw i t hv cp r o g r a ml a n g u a g e m o r 0 0 v c r , c c tc u r v e s o f s i l i c o ns t e e la m e a g l l r o d f o l l o wc o n t e t a t sa r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r ： e 1 ) t e m p o m t u r ef i e l dt e s t i n g ：s a m p l e sa m a d em a dt e m p e r a t u r el k l dm e a s u r i n ga r e c o n d u c t e da c c o r d i n gi np r i n c i p l eo fg e o m e t r ys i n f i l i t u d e ，b a s e do np r a c t i c eo fs i l i c o n s t e e lp r o d u c t i o n , t e m p e r a t u r eb o t ho n # 弛a n di n s i d ea r ec o l l e c t e d 。 ( 2 ) m o d e l sf o rt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o na b u i l t ：c o n s i d e r i n gc a s et h a tt h m m a l p a r a m e t e r sv a r yw i t ht e m p e r a t u r et h e r m a lp a r a m e t e r sm e a s b i $ a r ec o n d u c t e d a c c o m i n gt 0p r o d u aw a c f i e e , c o n s i d e r i n gt h e r m a lc o n d u c t , c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o n af e mp r e d i c t i o nm o d e lf o rs i l i c o ns t e e la i r - c o o l i n gi sb u i l t s o f t w a r ec a nc a l l s a n s y sp r o g r a m sd i r e c t l yi ni n t e r f a c ea n dd a t ac a nc o m m u n i c a t eb e t w e e nv ca n d a n s y si sd e v e l o p e d e dw i t hv c ( 3 ) m o d e l sf o rt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o nd u r i n gh a n d l i n ga r eb u i l t ：at e m p o m t u m f i e l ds i m u l a t i o ni sc o n d u c t e db a s eo nc o n d i t i o ni nm a n u f a c t u r et h a tak i r i do f b l a c k s t a m pa p p e a r e si np o s i t i o no fg r i pb l o c k sw h i c hw i l la f f e c tq u a l i t yo ff i n i a lp r o d u c t s t e m p e r a t u r ef i e l dp i c t u r e sa td i f f e r e n tm o m e n t sa r eo b t a i n e da n dt e m p e r a t u r e - t i m e c u l 3 t e so nd i f f e r e n tp o i n t s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni su s e f u lf o ri m p r o v et e c h n i c so f m a n u f a c t u r e ( 4 ) m o d e l sf o rs t r e s sf i e l ds i m u l a t i o na r eb u i l t ：s t r e s s - s t r a i nc u e sa n dr e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o n - t e m p e r a t u r ec l l r v ea r em e a s u r e d a n da s t r e s sp r e d i c t i o nf e mm o d e lf o r s i l i c o ns t e e la i r - c o o l i n gi sb u i l ta p p l i e se l a s t o - p l a s t i cm e c h a n i c sm e t h o d g e t t i n g8 0 m e s t r e s sf i e l dp i c t u r e sa td i f f e r e n tm o m e n t sa n ds t r e s s - t i m ec m v e so nd i f f e r e n tp o i n t s w h i c h p r o v i d ei m p o r t a n td a t af o rs o l v i n gc r a c kp r o b l e md u r i n gt r a n s f e r ( 5 ) c c tc u r v eo f s i l i c o ns t e e la r cm e a s u r e d ：i n f x o d u c cm e a s u r e m e n to f c c t c u r v e a n df a c t o r sa f f e c tc c tc o i w e k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，f e m , c c tc u r v e ，h o tr o l l i n g 学号尘一t 譬。- 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下避行的研究工作及取得的研 究成采a 据我所知，除了文中特别加以褥注和致谢的媳方外，论文中不包食其他 人已缀发表或撰写过的研究戚粜，也不包宙为获得澎逛盘生成其他教育机构的 学位袋涯书焉使用避浆丰葶辩。写我一阍工作酶| 焉恚对本研究所徽的任何贡献均已 奁论文中 譬了秘确翡说明著表示谢意。 学位论文作者签名：豸积墨 签字f = 期： 扫” f 年月肛层 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了嘏澎鎏盘燮蠢关保留、使用学位论文的援定， 有权像留并向国家鸯关郏门蠛机构送交论文姆复印件秽磁爨，允许论文羰签阀鞫 借阅。本人授权盘姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行稳索，可阻巢甭影印、缩印或扫描等复制手段保存、拒编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密盾适用率授权书) 学位埝文 睾者签名：有南带眵 释筛签名 签字辫期：口$ 年月 鼹 学位论文作者毕业后去向 工佟攀住： 毫语： 部编： 彦膨铡妒 签字器赣7 护6 浙江大学硕士学位论文 1 1 硅钢简介 第一章绪论 硅钢又称电工钢，矽钢，起着电磁转换介质的作用，其性能直接影响电磁转换的效率， 最终产品硅钢片( 含硅量在0 5 一5 的超低碳钢板) 主要用于发电、输变电、电机、电子和 家电业。 辞钢是钢铁工业中产量较大用量也最大的一种特殊钢。目前全世界电工钢产量约6 5 0 万 吨，占全部磁性材料用量的9 0 5 以上。硅钢分为取向硅钢( 0 g o ，r i b ) 和无取向硅钢( n o ) 。硅 钢是体心立方的a 铁固溶体构成的铁素体钢，以铁为主的f e , - s i 单晶体具有磁各向异性：在 三个主晶向上呈现不同的磁化特性，如图1 i 中 【1 0 0 1 方向为易磁化晶向，【1 1 0 1 ；疗向为次易 磁化晶向，【1 1 1 1 方向为难磁化晶向。具有高斯织构( 即具有【1 1 0 】晶面和 1 0 0 晶向的晶粒取 向的缩织) 的硅钢片称单取向硅钢片，亦称取向硅钢片；其它晶粒取向程度小，在钢板面上 磁各向异性小的硅钢片称无取向硅钢片。其中取向硅钢用于制造变压器、电抗器等，无取向 硅钢用于制造电机等。 1 1 0 】 c l o o 1 1 1 图l l 体心立方晶体磁性各向异性 f i g i i m g n h m l i n - o p y o f c u b i c b o d y - c a a t e r e d c r y s t a l 1 2 硅钢发展历史 1 9 世纪，电机的铁芯材料为低碳电工钢，电磁性能很差。1 9 0 0 年英国的哈德菲尔德“j ( r a h a d f i e l d ) 等人发现在低碳钢中加入硅元素后软磁性能得到很大改善使电阻率( p ) 明 显增高的同时涡流损耗和磁滞损耗也降低，磁导率增高，磁时效现象减轻n 1 。大约从1 9 0 3 年开始欧美各国采用热轧法生产无取向硅钢。至二十世纪五十年代，硅钢热轧工艺逐渐成熟。 1 9 3 3 年高斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性特别优良的3 s i 钢，从此开始了冷轧 取向硅钢的生产。1 9 3 4 年冷轧单取向电工钢问世它的磁性比普通热轧电工钢提高3 0 以 第一章绪论 上，损耗降低一倍，这是电工钢发展史上的具有历史意义的重大突破。1 9 3 5 年美国的a r m c o 钢铁公司与w e s t i n g h o u s e 公司合作利用此高斯专利技术开始了冷轧取向硅钢的生产睁“。 1 9 5 7 年，前西德阿什姆斯( f a s s m u s ) 在实验室内生产出了双取向硅铜片( 立方织构的硅钢) “1 。沿轧向和横向都有很高的磁性，吸引了众多学者对立方织构硅钢的研究恤4 1 。与热轧 硅钢片相比冷轧硅钢片磁感高、铁损值低、同板差小，扳形良好，因此从6 0 年代开始许多 工业发达的国家陆续淘汰了热轧硅钢片，改用性能优良的冷轧硅钢片。 1 9 6 1 年日本新日铁公司在引进的a r m c o 专利技术基础上试$ 0 t a i n * m n s 综合抑制剂的高 磁感取向硅钢。1 9 6 4 年开始试生产并正式命名为h i - b 。但磁性不稳定。1 9 5 5 年改进1 艺，磁 性进一步提高，而且更加稳定。1 9 6 8 年开始正式生产z 8 h 牌号。1 9 5 9 年日本川崎铜公司也开 始生产普通取向硅钢，1 9 7 3 年采用m n s e + s b 抑制剂和两次冷轧法制成相当于h i b 钢水平的产 品，1 9 8 0 年生产r g6 h 牌号。1 9 7 4 年瑞典s u r a h 姗a r 钢铁公司引进了该专利技术。同时，在 7 0 年代中期美国又开发了铁损极低的铁基合金并用它代替取向硅钢开始制造配电变压器后， 进一步促进了日本冷轧电工钢的迅速发展。新日铁和川崎公司采用提高硅含量、减薄产品钢 带厚度和细化磁畴技术，从1 9 7 9 1 9 8 2 年陆续生产了高磁感取向硅钢新牌号。从1 9 8 3 年起在 试制0 - 1 5 m 厚h i _ b 钢薄带新产品的同时，采用表面磨光、温度梯度退火和耐热细化磁畴技术 等方面也取得很大进展。7 0 年代中期，美国首次用快淬法生产出铁损极低的铁基非晶态极薄 带钢，其生产率高性能优良，但由于产品成本太高，价格昂贵，限制了它的发展。1 9 7 3 年石油危机，能源紧张，同时由于美国开发的非晶态极薄带钢，进一步促进了日本冷轧电工 钢的发展。新日铁和川崎公司采用提高硅含奄、减薄带钢产品厚度和细化磁畴技术开发了新 的硅钢牌号。1 9 7 8 年日本东北大学荒井贤一等人开发了4 5 6 5 s i f e 快淬微晶薄带，但尚 未正式生产州”。1 9 8 6 年日本钢管公司高田芳一等采用化学沉积法( c v g ) 生产出了6 5 s i 硅钢片，1 9 8 7 年又采片j 温轧法制造6 5 6 s i - f e 合金，并于1 9 9 3 年投入工业化生产，并命名为 “s u p e r - e c o r e ”产品“盯，主要用作高频电机和变压器以及磁屏蔽等设备。这种硅钢片的性 能极好，可与非晶态薄带媲美，且矫顽力小，成本远比非晶态材料低近年来为了进一步改 善磁性和降低损耗又研制了超薄晶粒取向的硅钢片磁性材料。1 9 8 7 年学者荒井贤一等“埘 利用0 2 7 o 3 m m 厚的高磁感取向硅钢产品作为原材料，酸洗、冷轧，退火通过三次再结 晶而获得取向度极高的( 1 l o ) 0 0 1 取向硅钢薄带，再采用细化磁畴技术，其铁损比快淬高 砗钢微晶薄带更低，而磁感b 8 高达1 9 7 t ，但目前仍处于实验研究阶段。 硅钢片的铁损值直是作为衡量硅钢片质量水平的主要标志。因为低的铁损和高的磁 感应强度可使电工设备达到降低电能损耗、提高转换效率、减少原辅材料的消耗、缩小体积、 降低噪音等。图1 2 表示了上一个世纪以来取向硅钢铁损逐步降低的情况。 2 浙江大学硕士学位论文 墨 t 蓉 年代 图1 2 铁损艏年代下降曲线 f i g 12d e s c e n dc u l w eo fc o l q # l o s sb ya g e 1 3 本研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 硅钢热轧轧前工艺流程如图1 3 所示，现按工序顺序将实际生产中遇到的具体问题和需 要进行的研究项目简要描述如下： ( 1 ) 铸锭完成后，板坯在铸造车间及输送途中空冷冷却至8 0 0 j c 左右，为防止冷却过快使 内应力过大而产生塑性变形，需要研究该过程的温度场和应力场； ( 2 ) 在吊运过程中由于夹持爪是金属的，对板坯温度场，应力场的影响很大，需要研究 吊运过程的温度场和应力场。由于板坯白重的作用板坯中部会产生变形，如果应力超过屈服 极限将产生塑性变形，会使轧制困难甚至报废； ( 3 ) 吊运结束板坯进入保温炉随炉冷却( 有加温措施) 3 7 天，保温过程会使硅钢晶粒 租大，从而使力学性能下降，导致轧制无法进行。需要研究随炉冷却过程中硅钢板坯的温度 场和组织变化； ( 4 ) 从出保温炉到进加热炉之问需要经过7 8 分钟的吊运过程，为保证质量工艺耍求进 加热炉盼温度不低于1 5 0 ( 2 ，因此需要研究吊运过程的温度场； ( 5 ) 在加热炉中硅钢板坯从1 5 0 c 升温至1 4 2 0 ( 2 ，有两个问题需要解决：升温过快会 使扳坯内应力过大而产生裂纹，需要研究不同加热速度下的应力场；加热过程板坯会出 现。塌腰”现象即板坯变形过大而导致报废，需要研究不同加热速度下的蠕变问题： ( 6 ) 在热轧前的高压水除磷工序中，如果除磷系统出现故障使喷水时间延长，板坯局部 会出现黑块( 温度比周围低很多) ，导致内应力升高，严重时会使轧制无法进行，因此需要 第一章绪论 研究除磷过程温度场、应力场，计算板坯最长可停留的时间。 本文主要研究其中两个有代表性的j 司题：板坯空冷温度场，应力场和吊运过程温度场。 现将问题详细描述如下： ( 1 ) 实际生产中，板坯脱模后呈红热状态送到锻轧车问的加热炉中再加热n t 2 0 0 c 以上 锻轧成坯，在轧坯表面上时常发现有细小的裂纹。裂纹在扳坯表面上沿轧向分布，裂纹形态 细小，较浅( 约数十微米深不等) 、但密集成群。有时板坯从加热炉中取出进行锻轧一经 锻压表面就已碎裂，无法继续锻轧，表明板坯在加热时表面裂纹已经氧化。 板坯出现裂纹的原因是在高温下板坯表层受拉应力时，当板坯的抗拉应力和塑性不足以 抵抗内应力时而造成的。由于运送过程板坯受到的外力作用很小，裂纹产生的原因只能是硅 钢扳坯内部剧烈的温度变化引起的，由于板坯内外传热条件不同，导致内外温度下降速度不 同，温度的变化造成板坯的组织不一致，同时温度变化还会产生较大的内应力，当内应力大 小超过硅钢的屈服极限时板坯就会产生塑性变形，所以红送过程板坯组织和应力的交化是产 生裂纹的根本原因。为了改进生产工艺需要研究扳坯在红送过程中的温度场、应力场及微观 组织的变化规律。 圈l3 热轧硅钢生产流程图( 轧前部分) f i g i 3p r o d u c t i o n f l o w c h a r t o f h o t r o l l i n g s i l i c o ns t e e l ( 2 ) 根据实际生产情况，硅钢板坯从连铸车间出来到热轧车间进行再加热工序之间一般 需要经历1 0 1 5 分钟的吊运过程，由于吊运时夹持爪是金属的，其热传导作用对吊运时板坯 局部温度的影响很大，夹点由于冷却速度很快，会在硅钢板坯上产生黑印，影响最终产品的 质量。 铸坯吊运过程中夹持爪部位由于：吊运夹持爪和扳坯初始温差很大；两种金属 材料之间的导热系数很大。导致板坯在夹持爪附近区域温度迅速下降，而在板坯其它部位温 度下降主要是由于空气的自然对流引起的温度变化相对较小。因此两个区域存在很大的温 差。温差会对冷却后盼硅钢组织产生不良影响，因此有必要对吊运过程的温度场进行仿真。 4 渐江大学硕士擘位论文 1 3 2 研究意义 硅钢生产对轧制工艺要求很商，技术难度很大。由于冷轧硅钢的电磁性能远优于热轧硅 钢目前发达国家基本都已淘汰了热轧电工钢，而我国由于技术积累等问题电工钢生产仍然 以热轧为主。因此，加速发展冷轧硅钢片生产对满足国内市场需求，提高我国钢铁行业工业 的整体水平具有重要意义。 生产合格冷轧硅钢片要求热轧提供合格的原料，由于硅钢自身的特性，可加工性很差。 因此，热连轧硅钢的生产工艺研究滞后已成为制约硅钢生产的一个重大因素，研究适用的热 连轧工艺迫在眉睫。以往热轧工艺参数与组织性能的关系往往是通过实验室和现场实验得到 的，需要投入丈量人力、物力、财力和时间。而且也有其局限性。如需进一步提高性能或开 发新产品就必须再进行有关试验工作。葬则也无法对生产过程进行实时控制。随着计算机技 术的不断发展，建立轧制过程的计算机仿真模型已成为今后发展的趋势，是当前轧钢技术发 展的重要内容之一。轧制过程控轧控冷技术以及对轧制过程的微观组织模拟已经成为降低生 产成本、提高产品质量的重要手段。因此开发准确的扎制数学模型成为保证产品质量的重要 环节之一，轧制教学模型主要包括：轧件、轧辊温度场模型、轧件，轧辊应力应变模型、轧 件奥氏体晶粒尺寸模型、相变模型、铁索体长大模型和最终轧件机械性能模型等。由于在轧 制过程中温度，应力、相变三者是相互影响的，孤立分析必然会引入较大误差，所以开发轧 制过程数学模型的时候要考虑三者之间相互耦合，三者相互作用的模式如图1 4 所示，其中 虚线方向表示影响较小可以不予考虑。 图14 温度应力、相变耦合关系 f i r 1 3c o u p l i n gr e l a t i o n m i p o f t e m p e r a t u r e , “sa n dp h a s e t r a n s f o r m a t i o n ( 1 ) 热应力：表示温度对应力的影响。冷却初期零件表面冷却速度高，芯部低，表面收 缩量大，芯部小。为保持物体的连续性，表面受到拉应力，芯部受到压应力的作用： ( 2 ) 温度变化引起相变：当温度下降到a b 以下时奥氏体就开始向铁素体转变，当温度下 降，t j a r l 以下时就会发生奥氏体向渗碳体的转变； o ) 相变应力：冈温度分布、变化不均，零件各部位组织转变不能同时进行转变量不 第一章绪论 同，膨胀量亦不同，会产生内应力； ( 4 ) 相变潜热：组织转变时产生潜热，空冷中奥氏体转变释放潜热它反过来又影响温 度场的分布。 为保证最终产品的质量，对温度、轧制各道次的压下量、开轧温度，终轧温度卷曲温 度等轧制工艺参数必须要有严格的控制。因此，温度是整个硅钢轧制过程需要控制的关踺参 数之一r 轧制过稃的温度控制是否准确直接影响最终产品的质量，温度场预报模型是整个硅 钢轧制预报模型的重要组成部分，对应力场和组织分析有重要影响；应力场是生产关心的另 一个重要参数，应力过大会使扳坯发生变形，产生裂纹，严重时导致轧制无法进行，因此必 须深入研究温度和应力在生产过程各环节的变化规律。 1 4 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 结合板坯空冷温度场研究推导了空冷过程热传导基本方程及边界条件和初始条件 的数学表达式，给出了空气自然对流系数的计算方法以及a n s y s 温度场仿真的方法、步骤 和非线性问题处理方法； ( 2 ) 根据项目需要进行了硅钢板坯空冷温度场的测试；介绍了测试仪器选择及测试原 理、试样尺寸的确定方法和测试工况；制订了利用热电偶测量硅钢板坯内部的温度及利用红 外测温仪测量硅钢板坯表面的温度的测试方案并给出了测试结果l ( 3 ) 根据温度场计算有限元原理建立了一系列有限元模型，并对u 3 2 模型和真实大小模 型脱模扁在空气中冷却过程进行了仿真。得到了各时刻的温度分布情况和模型上不同位置点 的温度埘问关系曲线： ( 4 ) 建立了硅钢板坯吊运过程的有限元模型并进行温度场仿真，得到了吊运过程不同时 间的温度场及夹持爪附近的温度剧烈变化情况，分析了温度对夹持爪处黑印的影响； ( 5 ) 从弹塑性力学的基本原理出发，给出了热应力计算的基本过程和三类基本控制方程， 给出了空冷过程应变场计算的基本假设和热弹塑性应力应变关系，说明了a n s y s 中对热应 力问题的求解方法，求解过程 ( 6 ) 根据热应力计算的有限元原理建立了一系列的有限元模型，结合7 种不同温度下硅钢 应力一应变曲线、变形抗力韫度曲线的测试，根据三维热结构耦合方法进行应力场建模仿真， 得到各时刻的应力分布情况和应力时问关系曲线； 连续冷却转变曲线( c c t 曲线) 的测定及影响因素。 1 5 本章小结 本章介绍了硅钢的微观结构，用途以及影响硅钢性能的因素；国内外硅钢生产的发展 历史和研究现状：硅钢冷轧试生产中遇到的问题以及研究硅钢温度场、应力场和组织转变的 意义，最后介绍了本论文的主要内容和研究方法。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章硅钢板坯温度场的测定 2 1 测试目的 ( 1 ) 通过测龟硅钢板坯表面和内部的温度及其随时间的变化规律。对温度场有限元仿真模型 进行校正，使仿真结果更接近生产实际； ( 2 ) 为生产中的工艺流程的制订提供参考； ( 3 ) 为今后的组织分析提供基本数据； ( 4 ) 为制订碎钢适宜的加热时间、加热温度等热处理参数提供参考。 2 2 温度测试原理 目前常用的温度测量方法主要分为非接触式和接触式两种。使用的测温传感器品种很 多，如红外测温传感器、热电偶，核磁共振温度检测器、热噪声温度检测器和晶体管集成 电路温度检测器等等。由于本实验要求同时测量模拟硅钢板坯试样表层和内部的温度场，因 而同时采用了接触式和非接触式两种测温方法。在接触式的撄4 温方法中选用比较成型的热电 偶测温传感器，用于测量板坯内部温度；非接触式方法中采用手持式红外到温仪，用于测量 板坯表面温度。 2 2 1 热电偶测试原理 ( 1 ) 热电偶的选用 根据实验条件及对精度和响应时间要求，本实验选用k 型铠装热电偶，该型热电偶由铂 铑合金制成，额定测量范围- 2 0 1 3 7 0 。 ( 2 ) 热电偶测温原理 根据实验条件及对精度和响应时问要求，本实验选用k 型铠装热电偶。该型热电偶由铂 铑合金制成，额定测鼋范围一2 0 1 3 7 0 c 。热电偶的坝4 温原理基于1 8 2 1 年赛贝克发现的热电 现象：两种不同的物体a 和b 连接在一起构成一个闭合回路。当两个连接点l 和2 的温度不同 时( 见图2 1 ) 在回路中就会产生熟电动势，此种现象称为热电效应。该热电动势就是著名的 “赛贝克温差电动势”，简称“热电动势”，计为b 岫导体 b 称为热电极。接点1 称为测 量端，通常是焊接在一起，测量时将它置于测温场所感受被测温度。接点2 要求温度恒定。 称为参考端。热电偶通过测量热电动势来实现温度测量。锴装热电偶作为一种温度传感器。 它比装配式热电偶直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场 合通过温度传感器，可将控制对象的温度参数变成电信号，传给无纸记录仪 7 第二章硅钢板坯温度场的铡定 ( 3 ) 热电偶参考端温度的选择 由热电偶测温原理可知。如图2 1 e ( t ，t o ) = e n ( t ) 一e 。f r o ) 图2 1 热电效应示意图( 1 _ t 0 ) f i g 2 1s k e t c hm o ft h e r m o e l e c t r i ce f f e c t ( 2 1 ) 热电偶在温度变化下会产生热电势，其大小是测量端温度与参考端温度的函数差。如果 参考端温度保持恒定，那么热电动势就变成测最端温度的单值函数。我们经常使用的分度 表及显示仪表，都是咀热电偶多考端为0 作先决条件的。因此。在使用时必须保证这一条 件，否则就不能直接使用分度袭。如果参考端的温度是变化的，则引入的测量误差也是变量。 由此可见，参考端的温度的变化将直接影响温度测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶 眭度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难以保持o ， 而且参考端温度往往是波动的，无法进行参考端温度修正。要把变化很大的参考端温度恒定 下来，通常采用补偿导线法及参考端温度恒定法。 通常参考端温度的形式由以下几种 冰点参考端：电子式参考端；恒温槽式参考端：补偿式参考端：室温 式参考端。根据试验现场实际情况，本实验采用室温式参考端形式。 参考端温度修正法的具体表述如下一当参考端温度恒定不变或变化很小又不为0 1 c 时， 采用计算法进行修正。由热电惘测温原理可知，热电偶实际的热电动势应为测量值与修正值 之和 e 肚( q o ) = e 丑( t t i ) + e 柚( t 1 ，t d ) ( 2 2 ) 式中，e 墟化t 。) 一当参考端温度为t l 时，显示仪表的数值； e 肺( t i ，t o ) 参考端温度为t i 时，热电动势值的修正值。 测试中选用余姚视迈公司研制的s m e o x h - a 无纸记录仪连接热电偶井记录热电偶测量数 据，该型无纸记录仪可最多同时连接8 个通道，并允许各通道测量信号类型不一致，其上位 机软件系统可记录全部测量数据并实时显示，无纸记录仪数据库管理软件运行界面如图2 2 图2 2 无纸记录仪数据库管理软件运行界面 f j 9 0 2 d a t a b l e m a n a g c m c a ts o f t w a r er u n n i n g i n t e r f a c e0 f n o n p 单c r 帅r d 盯 若要查看关注的数据段曲线，不管是测量时还是测量结束后，都可以通过左下角的“首 段”，。上段”，“下段”，“末段”等按钮也可以通过“转到一按钮直接定位查找，定位 时间的格式是“年一月一日时：分：秒”比如“0 6 - 0 7 1 60 8 ：0 8 ：0 8 一，也可以采样模糊 查找，比如直接输入“0 6 - 0 7 _ 1 6 一 界面的右下角显示该段数据的时间、最大值、最小值，已经该通道的时间等。每段数据 曲线默认是6 0 0 个记录点，记录点可以根据需要进行调节。 该对话框中列举所有创建过的数据库及其对应的数据表，以及数据表下的每个通道的历 史数据。鼠标左击选中某一通道。被选中的通道以蓝色高亮度显示。点击“打开一按钮，系 统出现数据列表界面，如图2 3 图2 3 数据列表界面 f i g 2 3d a m l i s th - f a c c 9 第二章硅钢板坯温度场的测定 2 2 2 红外测温仪测试原理 1 、红外测温原理 红外测温仪由光学系统，光电探测器，信号放大器及信号处理，显示输出等部分组成。 光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量红外能量聚焦在光电探测器上井转变为相应的 电信号，该信号再经换算转变为被铡日标的温度值。 当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在会不断地向四周辐射电磁波， 其中就包含了波段位于0 7 5 t u n i o o 岬红外线。在给定的温度和波长下，物体发射的辐射 能有一个屉大值，达到最大值的这种物质称为黑体，并设定它的反射系数为l 。其它的物质反 射系数小于l ，称为灰体- 由于黑体的光谱辐射功率p b ( 九t ) 与绝对温度t 之间满足普朗克 定理 p b ( z t ) = c i x 。l e x p c 2 盯一l 】 ( 2 3 ) 其中p b ( n ) 为黑体的辐射出射度；九为波长；t 为绝对温度；c l ，c 2 为辐射常数。它说明 在绝对温度t 下，波长丑处单位面积上黑体的辐射功率为p b r ) 。根据这个关系可以得到 图2 4 的关系曲线。由图可知：随着温度升高，物体的辐射能量越强，辐射峰值向短波方向 移动( 向左) ，并满足维恩位移定理t 丸竺2 8 9 7 8 ( | i mr k ) ，峰值处的波跃k 与绝对温 度t 成反比，虚线为五m 处峰值连线。 苦 唁 奢 萎 0 24 6 01 01 2 1 4 k ( i i m ) 图2 4 红外波长与辐射功率关系曲线 f i g 2 4r e l a t i o n s h i pc u i v o sb e t w e e w a v e l e n g t ha n dr a d i a t i o np o - e ro fi n f r a r e dr a y 根据斯特藩一玻耳兹曼定理：黑体的辐出度( 黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐 ”奶眦毗 射功率) r ( 1 ) 与温度t 的四次方成正比，即 rc 0 2 a - t 4 ( 2 4 ) 式中，盯为斯特藩一玻耳兹曼常数，t 为热力学温度。 如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物 体的单色辐出度p ( d 小于黑体的单色辐出度p bc o ，将它们之比称为物体的单色黑度 s ( 五) ，即实际物体接近黑体的程度。 s m ) p ( t ) p b ( t ) ( 2 5 ) 考虑到物体的单色黑度( z ) 是不随波长变化的常数，即君( 五户，称此物体为灰体。它是随 不同物质而值不同。即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体占= 1 ，而般灰体 0 l 由式2 4 可得： p ( r ) 2 s p bc r ) p ( d = 阳t 所测物体的温度： t ； p 盯) 口r g ，6 ) 式2 6 正是物体的热辐射在红外波长范围内测温的理论基础。 2 、红外测温系统的组成 红外测温系统的组成如图2 5 所示，它是由光学系统探测器，信号处理电路及显示终端 等组成核心部分是红外探测器，其基本原理是把入射的红外辐射能变换成可测量的其它形 式的电信号。 图2 5 红蚪测温系统组成 f i g 2 5c o n 8 t i t u t i o fi n f r a r e dt e m p e r a t u r e 唧s u r es y s t e m 当处于某一背景的被测物体辐射的红外能量通过大气媒介传输到红外测温仪上时，它内 部的光学系统将目标辐射的能量会聚到探测器( 传感器) ，并转换成电信号，再通过放大电路 第二章群铡板坯温度蛹的测定 嫠电黪及线性娃壤蓐，在显承终端帮驻汞鼓涮黪律靛溢盛投器配鬟瓣红癸黧跨娃理软 件o 百舳7 0 运行界面如图2 6 所示，软件主界面魁现场红外相片右侧显示相片巾各颜色 代表的温度范匿该软件数据处理功能完罄，读取某点温度时只需将鼠标放在该点位鼍即可， 或者使瑶定点劫镜连续读取举弼时捌在鞠一点豹滴魔值 2 3 测试方案 留2 6 软件o l 到i 嘞帮运行羿蕾 f i g 26r u n n i n g i n t e r f a c e o f o r i g i n p r o t o 2 3 1 谴钢板坯的化学成分 可 奉漾题孛要遴簿渥度缓和蒸疰力殛鹾兖瓣硅销共有七羚，宅搬懿骥、娃窘：罄翔裘2 ，l 袋 袭2 1 屯稚砖镊的骥、硅台董 c 蚝) s i ( ) 0 0 4 00 曲7 20 0 5 4o o 阮0 0 0 2 40 ，0 0 2 40 0 2 3 1 33 1 63 2 5 3 1 00 6 51 4 8 93 1 5 由予材料的狠多参数的锲l 试还没有鬼成，所潋藏本论文昀测试、计算均是针对同一种材 料进行的，硅钢板坯空冷测试刊温度场应力场计算中用的都是第六号材料。其余五种材料的 糖囊蒋蠡v c 牙发静器蓠逶遘键臻捌s ￥s 程筹葬修改誊| 辩建瑗鼙掰实现，载锌运行雾辩请参趸 第三章。 浙江_ ： = 学硕士学位论文 2 3 2 温度测试工况 本文只研究一种最简单的情况，即硅钢只是与空气接触。生产车间里l 1 2 月的环境温 度分别为：4 ，5 ，8 ，1 4 1 9 ，2 3 ，2 8 ，2 8 2 4 ，1 8 。1 3 ，7 ( ) 测试所用箱式电阻加热炉主要参数 见表2 2 表互2 加热炉参数 从可比性的角度出发，试样的化学成分和物理特性要与实际坯料一样。由于试验条件 ( 例如加热炉尺寸) 的限制，试样不能也没必要做得与实物一样大小，可以比实物小数倍，但 是试样在几伺方面耍与实物相似，而且试样要能形成系列，便于从不同大小的试样的换热系 数推算实物的换热系数。由此本文按下述方法确定试样的大小。 第一组试样的由宽度和高度组成的端面与实物的相应端面构成几何相似，即试样与实物 的宽度，厚度分别成比例，面积比例系数为l ，8 ，即 鲁= 鲁= 店8kk v 式中k ，、k ，分别为试样和实物的宽度和厚度。以同样的方法确定第二组和第三 组试样的宽度和厚度只是面积比例系数分别变为1 1 1 6 和1 3 2 ，由此得到三组试样的尺寸 如表2 3 所示。 表2 3 三组测温试样的尺寸 2 4 温度测试过程 测试前先用加热炉将试件加热到试验温度( 1 2 0 0 ( 2 ) 。保温一段时问后用叉车将板坯取 出并迅速放到测试台上，并记录板坯山炉时间，然后将热电偶放入事先在板坯侧面打好的孔 内。热电偶开始检测温度，热电偶测量的数据通过连接线导入旁边的仪器中实现同步显示； 另外，用事先架好的的红外测温仪每隔一定时间间隔记录板坯表面的温度场图片。当板坯表 面温度降低到一定温度后测量结束，下图2 6 是热电偶的测试原理图。 锖二章琏饷撮坏溢度精的铡定 l ：5 瓣2 7 用热电羁舞扳垤内部温宦最瑾黼 f i 啦石s k e l e 惦nd r 删i 峰o f 鼢i d c 姗p e m u r e 耶葡鲫“雌p 一瞄i 蛳 为貉斑加热过程串空孛静麓辩氧他影响燕电旗铡量精鹱，翻工试徉对在试样辩匿孛。 上预留一个孔，加热时在孔中放置一个空心耐火材料管铡试时将热电偶赢接插入空心管中 p 可。雾錾注意戆楚要霖涯热电偶数端掷帮试撵接魅蠡磐势毒一定鳇压力，鞋馒测麓篷保挣 稳定。 2 。5 溯蓬结暴 l 熙摸型热电嚣麓撬a 渫发为6 0 w , m ，1 1 1 6 鬟燮熊窀稿约插入澡瑾麓5 弧l 整，嚣纸记录 仪具有自幼记录功能，可自动生成温度一时问关系曲线，以下数据是从鬻纸记录仪中按照温 度下降的速度按照一定的时闻阐隔进行取样得到的，默两个铸蜒一个中潮坯进行测整的热电 偶数据鲡2 s , 一2 1 0 崭示。 1 2 0 0 1 0 蓑。 4 0 0 o 1 0 2 0帅鼬 时搏t 靠) 翻2 s 铸垤中心温度下降曲线c i 1 6 楼璺) f i g 2 8 t e r n p e r s t u r e d e s c e n d c t t r w o f c a s t i n g b l a a k c , c n t e r ( 1 t 1 6 r o o d 0 1 ) 新挠夫学硕士学位论文 - 2 002 04 0e o舯1 0 0 ，押1 4 01 栅 畦播t 势 图生9 铸坯中心温度下降曲线( 1 ，8 模墅) f 毽鲁9 勰蹿瞅峨搬d e s c e n d o f 蛾雌b l a n k 黯脯# 蹲m 醚e l 1 2 饕 1 。 o 萋。 舯。 对阿分， 留2 a 0 中间瑾中心温度下降曲线( 1 8 模想) f 21 0 n p “m d e s c e n d c t h - v e o f m i d s tb l a n k c e n t e r ( 1 8 m o d e l ) 红外测温仪的测量结果为温度场的红外图片，斌过仪器自带软件o r i g i n p r 0 7 0 处理后温 度麴辕蠡寿式畜翔下尼秘方式； ( 1 ) 赢接在界面上取某一点的温度值； ( 2 ) 程嚣冀上磷出一条轨涟，然后霹以褥到沿该轨迹的澄度变化情况； ( 3 ) 避定一定韵嚣域取得该区域的漱度的均值。 图2 1 l 2 1 3 是根据各点随时问变化的温度的测量值在实验数据处理软件o r i g i n 7 0 中 整理磊熬滋度薅淹荧系强。 ，。，。，；，。，；l 础 晰 啪 脚 栅 辨 兰三堡壁塑堡堡塑鏖塑竺型塞 簧 时同( 分) 图21 1 铸坯表面温度下降曲线( 1 3 2 模型) f i g 2 1 0 t e a _ 0 e r a t u r e d e s c e n dc u l w e o f c