（材料加工工程专业论文）spah集装箱板连铸坯辊底式加热炉内加热过程研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i i l l l l lii i i ji l l li ii ii ji y 17 3 9 3 5 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：左磊日期：掣6 i 研究生学位论文版权使甩授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：左盘 指导教师签名：婢 日 期：逸酶生耻亟 第1 页 c s p 不能生产集装箱板的禁 区，但是扩大生产规模后，生产过程中暴露了一些薄弱环节，如板卷在冷弯过程中时常出 现微裂纹等，而加热过程是s p a h 钢产生缺陷的一个重要环节，所以有必要对其进行研究。 本文主要结合珠钢辊底式加热炉的实际生产情况对s p a h 集装箱板连铸坯在加热过 程的一些特性进行了一系列的研究。通过实验，研究了板坯加热氧化过程c u 的富集现象， 找出了加热条件对于c u 的富集的影响，并且对连铸坯进行了高温热塑性实验，找出了板 坯的高温塑性随温度及加热条件变化的关系。同时，研究板坯在炉内的氧化烧损情况，找 出了板坯的氧化烧损动力学曲线。为了弄清楚在加热过程中板坯实时温度对于裂纹产生和 c u 富集的影响，本文使用v b 2 0 0 8 编写了板坯炉内温度预报程序，计算了板坯在炉内运动 过程中的实时温度并对温度进行了一定的优化。本文的研究，对找出成品冷弯裂纹成因具 有一定的指导意义，为制定合适的加热工艺及预报板坯温度提供了一定的理论依据。 关键词：s p a h 集装箱板；氧化烧损；c u 的富集相；温度模拟；高温塑性 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 u s i n go fe a f - c s pi np r o d u c i n gc o n t a i n e rp l a t ei nz h u j i a n gi r o na n ds t e e lc o ，l t db r e a k s t h ee x c l u s i o na r e at h a tt h ec s pc a n n o tb eu s e dt op r o d u c ec o n t a i n e rp l a t e b u ta f t e rt h ee x p a n s i o n o fp r o d u c t i o ns c a l e ，t h ep r o d u c i n gp r o c e s sr e v e a l ss o m ew e a k n e s s e s ，s u c ha sm i c r o c r a c k so ft h e c o i l si nt h ec o l d - b e n d i n gp r o c e s sa n ds oo n i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h er e h e a t i n gp r o c e s so f s p a hs t e e lb e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ei nl e a d i n gt od e f e c t s i nt h i sp a p e r , as e r i e so fs t u d i e sw e r ec a r r i e do u tc o n s i d e r i n gt h ef i e l dp r o d u c t i o ns i t u a t i o no f s p a hc o n t a i n e rp l a t eb i l l e ti nt h em i l e rh e a r t hf u m a c e t h ee n r i c h m e n to fc ui ns l a br e h e a t i n g p r o c e s sw a ss t u d i e da n dt h ee f f e c t so fr e h e a t i n gc o n d i t i o n so nt h ee n r i c h m e n to fc u w e r ef o u n d o u tt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nh e a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h e h i g l l t e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i co fs l a b w a sf o u n do u tt h r o u g hh i g ht e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i c e x p e r i m e n t so ft h es l a b m e a n w h i l e ，t h eo x i d a t i o nl o s so fb i l l e ti nt h ef u r n a c ew a ss t u d i e di n o r d e rt of i n do u tt h ek i n e t i c so fo x i d a t i o n i no r d e rt oc l a r i f yt h ee f f e c t so fr e a l t i m et e m p e r a t u r e o ft h es l a bi nt h eh e a t i n gp r o c e s so nt h ec r a c kg e n e r a t i o na n de n r i c h m e n to fc u ，p r o g r a mt h a t p r e d i c ts l a bt e m p e r a t u r ei nt h ef u r n a c ew a sw r i t t e nu s i n gv b 2 0 0 8 ，t h u sr e a l t i m et e m p e r a t u r eo f t h es l a bi nt h ef u r n a c ec a l c u l a t e do u ta n dac e r t a i no p t i m i z a t i o no ft e m p e r a t u r ec a r r i e do u t t h e s t u d yi n t h i sp a p e rp r o v i d e ss o m eg u i d a n c ei ni d e n t i f y i n gt h ec a u s e so fc o l d - b e n d i n gc r a c k si n t h ep r o d u c t sa n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fas u i t a b l eh e a t i n gp r o c e s s a n dp r e d i c t i o no fs l a bt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：s p a - hc o m a i n e rp l a t e ；o x i d a t i o nl o s s ；c o p p e re n r i c h m e n t ；t e m p e r a t u r es i m u l a t i o n ； h i g ht e m p e r a t u r et h e r m o p l a s t i c 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t 有订言1日u舌。 第一章文献综述2 1 1s p a h 集装箱板简介2 1 2 辊底式加热炉介绍3 1 3 加热过程研究的意义4 1 4 加热过程的研究内容。4 1 5 国内外关于加热过程的研究4 1 5 1 燃烧过程研究4 1 5 2 板坯的氧化烧损研究5 1 5 3 炉膛内的热交换研究7 1 5 4 辊底式加热炉内温度场数值模拟的研究9 1 5 5c u 对钢性能的影响以及氧化过程中的残余元素富集现象的研究1 1 1 5 6 加热温度和含c u 量，n i 含量对c u 脆影响。1 4 1 5 7 关于减轻铜脆的研究1 7 1 6 本文研究的内容以及意义1 9 第二章氧化烧损实验研究2 0 2 1 实验器材2 0 2 2 实验过程及方法2 0 2 3 实验数据处理与分析2 0 2 4 氧化动力学规律研究2 2 2 5 分析与讨论2 3 2 5 1 加热温度对氧化的影响2 3 2 5 2 加热时间对氧化的影响2 3 2 5 3 其他因素对连铸坯加热氧化的影响2 4 2 5 4 炉内氧化烧损量估算2 4 2 5 5 不同材料氧化激活能比较2 4 2 6 本章小结2 5 第三章氧化层富集现象观察。2 6 3 1 实验材料及方法：2 6 3 2 实验结果与分析2 7 3 2 1 不同加热温度条件下界面处c u ，n i 富集相的形态和分部2 7 第页 武汉科技大学硕士学位论文 3 2 2 分析与讨论3 4 3 3 不同加热时间下c u ，n i 富集情况3 7 3 4 本章小结3 9 第四章加热过程温度预报与优化4 1 4 1 珠钢辊底式加热炉概况4 1 4 2 使用软件编程计算时对于实际生产的一些假设和简化4 2 4 3 炉内传热形式和板坯数学模型4 2 4 3 1 辐射换热4 2 4 3 2 热传导4 3 4 - 3 3 对流传热4 3 4 3 4 炉内板坯温度数学模型4 4 4 4 板坯温度数学模型的求解4 4 4 4 1 板坯温度初始条件4 4 4 4 2 板坯加热过程边界条件4 5 4 5 板坯导热微分方程差分处理4 6 4 5 板坯温度计算5 0 4 6 板坯头尾温度计算5 2 4 7 板坯温度计算优化5 3 4 8 加热炉温优化以及对流对于板坯温度影响5 3 4 9 对流对于板坯温度的影响s 4 4 1 0 本章小结5 4 第五章铸坯高温热塑性实验研究5 5 5 1 实验材料5 5 5 2 实验方法5 5 5 3 实验结果及分析5 7 5 3 1 温度对铸坯断面收缩率的影响5 7 5 3 2 应变速率对断面收缩率的影响5 8 5 3 3 断后试样s e m 观察和e d s 成分分析5 8 5 4 本章小结6 2 第六章结论及建议6 3 6 1 结论6 3 6 2 建议6 4 参考文献6 5 致 谢6 9 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 前言 随着中国经济的发展，中国与外界的交流越来越广泛，对外商品进出口越来越发达， 而运输所需要的集装箱的需求量则越来越大。同时，我国是世界上集装箱生产大国，2 0 0 9 年中国金属集装箱产量为2 2 3 8 3 3 6 8 5 1 立方米，约占世界集装箱需求的9 0 。我国集装箱 用钢年需求量约为3 0 0 万吨以上，而且需求量每年呈递增趋势。但是，我国目前还有4 5 左右的集装箱板依靠进口，我国钢企自行生产的集装箱板在质量上与国外产品存在一定差 距，生产工艺和技术方面有待进一步提高。这主要是由于s p a h 钢含有的合金成分多，特 别是c u 、p 含量较高，导致钢板容易发生内外裂纹，同时，为了满足性能方面的要求，需 要该钢种有优良的冷弯性能以及钢中夹杂物含量低，而且由于钢中合金元素的作用，使得 表面氧化铁皮不易清除。这一系列的原因，导致了该钢种的开发难度较大【l 2 1 。 我国生产集装箱板的钢厂较多，有武钢，宝钢，鞍钢，珠钢等，但是珠钢是我国第一 条电炉叫s p 薄板坯连铸连轧生产线，2 0 0 0 年珠钢突破了国外关于c s p 线不能用于生 产s p a h 集装箱板的禁区，成功试验集装箱板钢的轧制。薄规格轧制是珠钢的一大优势， 能够成功生产出薄规格的集装箱板，对短流程c s p 厂是一个新的技术和生产突破，使得珠 钢成为国内最宽热轧薄带钢生产基地之一。广东现在已经成为我国最大的集装箱生产基地 之一，占全国集装箱总产量的六成左右。但是珠钢在扩大s p a h 集装箱板生产规模后，生 产过程中出现了一些问题，如连铸坯经常出现一些表面缺陷，比如星形裂纹等，板卷在冷 弯过程中经常出现冷弯裂纹等缺陷。这些因素成了珠钢集装箱板规模化大生产的瓶颈【3 】。 因此对珠钢薄板坯连铸连轧生产工艺各过程进行研究，找到产生连铸坯表面裂纹和引起冷 弯裂纹的原因，对于优化生产工艺，扩大生产规模，节约能源，提高成材率有着重要的意 义。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 1s p a - h 集装箱板简介 第一章文献综述 s p a h 钢是同本开发的一种低碳低合金结构钢，广泛的应用于集装箱板的生产 4 1 。该 钢种利用铜的时效析出强化以及c r 、t i 等元素的微合金化作用而具有高强度、高韧性等 良好的机械性能，同时，c u 能够有效的提高集装箱板耐大气和海水腐蚀性能s ，副。 s p a h 集装箱板采用同本钢号s p a h ，其成分，力学性能参数执行日本标准j i s g 3 1 2 5 2 0 0 4 高耐候性轧制钢材。s p a h 化学成分如下表： 表1 1s p a - h 钢化学成分 cs i m n p sc uc rn i s 0 1 20 2 5 0 7 50 2 “0 50 0 7 0 1 50 0 1 50 2 5 o 60 3 0 ”1 2 50 6 5 集装箱板一个最主要的性能要求就是要具有良好的耐候性。s p a h 集装箱相 以下几条措施来提高其耐海水和大气的腐蚀性能：一是在钢中加入c u ，p ，c r ， 元素，利用这些合金元素在大气和海水腐蚀过程中活化阴极，实现阳极钝化，减笔 速率【7 1 ，同时利用c u ，n i ，s i 等元素在氧化过程的富集作用，由于富集相容易乡 层与基体的界面处，促进了致密的非晶念羟基氧化铁的形成，从而具有保护钢差 化的作用【8 】；二是通过降低钢中碳含量和使用控轧控冷的手段使成品组织单一 蚀发生及发展；二是通过精炼钢水，促进钢质纯净化，减少残余元素在晶界的棚 达到使腐蚀沿晶界向基体深层扩展速度减缓的目的【2 1 。 集装箱板对钢材的力学性能也有较高的要求，s p a h 钢板及钢带力学性能要 表1 2s p a - h 钢力学性能要求表 厚度屈服强度抗拉强度伸长率弯曲实验 m m m p am p a | 1 8 0 。 h 6 03 4 54 8 0 2 2d = a h 6 0 3 5 54 9 0 1 5d = 3 a 为了达到所需要的力学性能，主要利用c r ，n i 等元素的微合金化作用和宅 中利用控制轧制控制冷却等工艺来达到实现细化晶粒的效果，实现集装箱板的拍 耐疲劳性等力学性能的同步提高。 国内外学者的研究表明，在耐候钢中加入适量的c u 和p 能够使钢获得优 能。所以一般集装箱板都含有较高含量的c u 和p ，但是磷在钢中会引起冷脆性， 的韧性和焊接性能，所以为了保证钢材的韧性和焊接性，要适当控制c 的含量， 在0 1 2 以下，一般集装箱板的c 含量都在0 1 2 以下，珠钢生产的s p a h 钢c 为0 0 5 。一般认为s i 和p 同时存在，可以使耐候钢获得良好的耐候性和力学十 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 以阻止表面热缺陷的形成。主要是由于s i 能够增加钢的强度，屈服点和耐磨性，可以弥补 p 造成的力学性能的损失【啦! 0 】。 s p a h 集装箱板的主要生产工艺分为2 种，第一种是传统的热连轧，生产工艺为：铁 水预处理一转炉冶炼l f 精炼一板坯连铸一热送热装一加热一高压水除鳞一四辊可逆粗 轧一热卷箱一开卷一飞剪切头尾高压水除鳞一精轧机组一层流冷却一卷取一打捆一运 输一喷号一收集堆放。 第二种为珠钢的薄板坯连铸连轧，典型的生产工艺流程为：电炉炼钢一板坯连铸辊底 式加热炉内均热一高压水除鳞7 机架连轧层流冷却卷取一打捆一运输一喷号一收集堆放。 连铸连轧相比于传统的连热轧，具有以下优点：连铸坯头尾温差小，断面温度均匀，轧制 薄规格的产品能力强等。 1 2 辊底式加热炉介绍 直通辊底式加热炉是一种经过特殊设计的炉型为隧道式的加热炉，一般长度为1 6 0 3 0 0 m ，具有旋转摆动段或平移段，当连铸有二流时，用来向轧机输送高温板坯。整个加热 炉沿炉长方向安放有一百多个炉辊，平均距离为1 0 0 0 1 2 0 0 r a m ，烧嘴分布于炉内2 侧，加热 方式有单面加热和双面加热2 种，有些钢厂使用侧面上加热，有些使用双面加热，珠钢使 用的侧面上下供热，双面加热具有加热速度快，断面温差小的优点，但是能耗大，成本高。 辊底式加热炉的主要作用是对高温连铸坯进行再加热，均热和保温，同时根据生产的 需要，将铸坯以铸机拉速，轧机入口速度或更高的速度从上一工序送到下一工序，当连轧 生产线上的任一环节出现故障，生产不顺利时，具有缓冲能力，如下游轧机或卷取因故障 停机，上游铸机不能停机，将连铸坯领储存在加热炉内，待下游工序故障排除后，继续恢 复生产，保证生产的顺利进行，隧道式加热炉炉温控制精度高，能保证板坯横截面和纵断 面的温度分布较好，以及整个板坯长度方向的温度分布较均匀，加热炉与轧机在同一条生 产线上，其出口距离f 1 机架只有十米左右，当板坯头部进入轧机时其它部分仍在炉内保温， 出炉后的板坯在较短时间内进行轧制，因此，在整个轧制变形过程中，板坯的温度较均匀， 勿需常规轧制时因头尾温差大而采用升温轧制等，由于温度较均匀，轧制力的波动也较小， 加热炉的出口距离f 1 机架距离短，因而板坯温降也较小，当轧制板坯时，各机架的负荷也 较小，有利于板坯的稳定轧制，尤其是对薄规格带钢的生产，加热炉的温度设定也不需过 高。各机架也能获得较小的负荷，这样，节约了能源。 全炉在长度方向上按加热段，输送与缓冲段，旋转摆动段和存储保温炉段四段供热， 具有加热、均热、保温、输送及缓冲等功能。加热炉段的作用主要是对入炉的高温板坯进 行加热，以达到轧制所需要的温度。在整个加热炉段，板坯以连铸速度运行，当板坯尾部 温度达到温度要求后，立即加速进入输送缓冲段。输送与缓冲炉段主要作用是对加热后的 板坯进行保温，运输和缓冲的作用，该炉段的长度是变化的，可以根据加热需要适当的减 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 短或者延长，加热段长度减小时，该炉段延长，反之则缩短。但是在珠钢c s p 均热炉中， 加热段和输送保温段的总长度为一定值。为了扩大生产规模，一般钢厂都使用2 流连铸， 旋转摆动段主要作用是将2 流的高温板坯源源不断地送入轧机，该炉段是旋转移动的，可 以将加热后的板坯输送到有轧机一侧的炉内，同时具有一定的保温和缓冲作用。最后一段 是出料存储保温炉段，该段主要用于向轧机运送板坯，并对板坯进行保温，当下游出现故 障时，该炉段可以使板坯来回摆动，具有缓冲功能【1 1 ，1 2 】。 1 3 加热过程研究的意义 连铸坯在进行轧制之前，一般都要经过加热炉的加热，使得连铸坯达到一定的温度才 能进行轧制。加热是金属的热加工过程中一个必要的环节。加热的目的主要有：( 1 ) 提高板 坯在轧制时候的塑性，因为金属在低温情况下的可塑性很低，为了使连铸坯能够进入轧机 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 量方程和组分方程来描述。燃烧温度可以根据热量收支平衡关系，通过联立燃烧过程的各 种方程求出。平均化学反应速率是影响湍流燃烧速率的一个重要因素，目前常用的计算平 均化学反应速率的模型主要有：扩散燃烧计算的k 一g 模型，预混火焰的旋涡破碎模型， 平均反应速率的输运方程模型，几率分布函数的输运方程模型1 5 1 等，以及目前尚在发展中 的e s c i m o 湍流燃烧理论。 1 5 2 板坯的氧化烧损研究 加热炉内板坯氧化烧损是各大钢厂普遍面临的棘手的难题。钢坯氧化烧损不仅会浪费 大量的金属，降低成材率，在很大程度上造成资源的浪费，同时由于加热过程中板坯表面 部分氧化铁皮会掉入炉底，如果板坯氧化烧损严重，会使得炉底氧化铁皮上涨速度加快， 缩短清渣周期，增加停炉的次数，降低生产效率。此外，如果钢坯氧化烧损严重，钢坯表 面附着的氧化铁皮就会比较厚，比较硬，增加了氧化铁皮去除的难度，迫使除鳞水压的增 大，从而使得钢坯断面的温降加大，影响后续的轧制过程。同时，除鳞不尽会使氧化铁皮 在轧制过程被压入钢基体，对成品的质量产生影响。因此，控制和减少氧化烧损具有十分 重要的意义1 6 1 7 。 亭 1 5 2 1 氧化铁皮生成机理 钢在高温下，表面与空气接触与空气中的氧发生反应，生成氧化物，形式有三种类型： 氧化亚铁( f e o ) 、氧化铁( f e 2 0 3 ) 和四氧化三铁( f e 3 0 4 ) ，氧化物形成的反应式为： 0 2 + 2 f e = 2 f e of e + f e 2 0 3 2f e 3 0 4 3 0 2 + 4 f e = 2 f e 2 0 3 其中，最内层是氧化亚铁，此种氧化物仅存在于温度高于5 7 0 时，氧化亚铁在氧化铁 皮中的含量随钢坯的表面温度的增加而增加，当钢的温度超过7 0 0 时，氧化亚铁在氧化 铁皮中的含量大约有9 5 。 四氧化三铁是氧化层的中间一层，当钢的温度低于5 0 0 时，氧化铁皮只是由四氧化 三铁单一相组成，温度增加到7 0 0 时，四氧化三铁开始分解形成氧化亚铁，并且在高温 的情况下四氧化三铁只占氧化皮层的1 。氧化铁处于最外层，它通常在温度高于8 0 0 时 形成，并且在高温下存在，氧化铁只占氧化皮层的4 【1 剐。 氧化铁皮的最初形成是氧在金属表面与铁反应形成氧化膜，然后氧原子通过扩散过程 进入氧化膜与金属表面接触的内表面，不断反应生成越来越厚的氧化铁皮，这种扩散过程 可以由一个一般关系的关系式描述： m = a p t ( 三+ 专 ) e x p 一b = i = j ：面】 ( 1 1 ) 式中，h 、w 、卜- 板坯的厚度、宽度和长度 m 一单位板坯质量氧化铁皮的损失重量 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 r 生成氧化铁皮的时间 卜板坯温度 厂板坯的密度 a 、b 一常数，与钢种和加热炉气氛有关 从此关系式中可看出，除板坯密度外，加热时问及温度、钢种和加热炉气氛对氧化铁 皮的生成关系很大。许多研究表明板坯在炉内的加热时间和加热温度对氧化铁皮的形成有 很重要的影响，随加热时间的延长氧化铁皮的厚度逐渐增加，并且随着加热温度的提高， 氧化铁皮的厚度也逐渐增厚。不同的钢种，由于成分的差异所以产生氧化铁皮的速度不一 样，一般认为碳、硅、镍、铜可促进氧化铁皮的生成，而锰、铝、铬可以减缓氧化铁皮生 成或使氧化铁皮结构更疏松，以便除去1 1 9 1 。 炉内板坯周围的气氛中气体大致分为两类，即氧化性气体和还原性气体。氧化性气体 和还原性气体又分别包括： 氧化性气体：二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸气( h 2 0 ) 、氧气( 0 2 ) 还原性气体：一氧化碳( c o ) 、氢气( h 2 ) 炉内的氧含量越高即氧化性气体多，板坯的氧化程度就越高，氧化铁皮就越厚。另外， 炉气的另一组成成分是二氧化硫，在高温下与钢发生化学反应形成液态的硫化铁，而硫化 铁能促进氧化铁皮的生成，硫化物会增加氧化铁皮与钢坯间的接触黏度，导致氧化皮难以 除净。 气体流动速度是影响氧化铁皮生成速度的另一重要影响因素。研究表明，随着气流速 度的增加，钢的氧化速度加快，直至临界值，这个临界值对于空气和二氧化碳是1 5 m m i n ， 对于水蒸气是7 m m i n 。所以尤其是加热炉内的炉压及助燃空气和废气要控制好。 在所有这些影响氧化烧损的因素中，最主要的一个是氧化温度，温度对氧化的影响最 为显著，合理的钢坯加热曲线是使氧化烧损达到最低的关键。根据铁一氧平衡状态图可以 看出，铁在5 2 7 ( 2 以上开始氧化，并且生成氧化铁皮，温度低于5 2 7 c 氧化量很少。温度升 高后，钢的氧化速度开始急剧增加。所以，为了减少氧化，在加热初期，应该使板坯温度 缓慢升高，并且使得板坯断面温度尽量均匀，待整个断面温度达到氧化加速点后，便开始 迅速升温，尽量缩短板坯在高温停留时间，减少板坯在高温下的氧化烧损。对于连续加热 炉，由于板坯入炉温度为室温，为了减少氧化，可以在满足轧制要求的i j 提下尽量缩短钢 坯在强加热段停留的时问，而对于辊底式加热炉，由于板坯连铸后直接热装，板坯入炉温 度较高，加热过程较短，需要设定合适的加热段温度和保温温度，减少板坯在轧前停留的 时间【2 0 l 。 解决好钢坯的氧化烧损问题意义重大。钢坯要进行轧制，加热就必不可免，所以加热 过程板坯产生氧化烧损是不可避免的。对于钢坯的氧化烧损，只能尽量减少，应该根据不 同钢种的氧化特点，从影响氧化烧损的因素着手，制定合理的加热工艺，尽量弱化形成氧 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 化铁皮的条件。合理的控制加热温度，缩短加热时间，保持炉内气氛呈还原性是降低氧化 烧损的根本办法。 1 5 2 2 氧化烧损模型研究 对于钢坯氧化烧损的计算，国内外的学者提出了多种计算方法或经验公式 有国内外普遍接受的抛物线规律，其公式如下： ( a g s ) 2 = k ，f( 1 2 ) 式中：g 氧化增重，r a g ；卜面积，c m 2 ；髟。氧化速度常数，m 9 2 c m 。4 h - 1 ； t 时间，h 其中，k 。为氧化速度常数，其增长规律满足a r r h e n i u s 定律，随着加热温度的提高， k 。值迅速增大，即 k p = a e - - o 邶n 1 3 ) 式中：k 。为氧化速度常数，m 9 2 c m 4 h - 1 ；a 为常数，m 9 2 c m 4 h - i ；卜热力 学温度，k ；卜为反应激活能，j m 0 1 2 1 l 苏联学者埃万斯提出的计算钢坯氧化烧损的经典公式为2 列， 等= 丽a l 吲志)1 - 4 4 - 2 7 3 ) 4 - 2 7 3 ) 蔓 = 一e x p i j 1 1 1 o d r j l l f f 、f 式中： h 一板坯的氧化量，k g m 2 口l ，口2 钢坯的氧化动力学常数 1 5 3 炉膛内的热交换研究 炉膛内的热交换机理是相当复杂的。参与热交换过程的基本上有三种物质：高温的炉 气、炉壁、被加热的金属，它们三者之间相互进行辐射热交换，同时炉气还以对流给热的 方式向炉壁和金属传热，炉壁又将热辐射给金属，炉壁在其中起一个中间物的作用。此外 炉壁又通过传导损失一部分热量。 对于炉内复杂的热交换过程进行一些必要的假设以后，可以得到一些用于实际计算的 公式。这些假设是：( 1 ) i j n 热炉膛是一个封闭体系；1 2 ) 炉气、炉壁、金属的各自温度都是均 匀的；( 3 ) 辐射射线的密度是均匀的，炉气对射线的吸收率在任何方向上是一样的；( 4 ) 炉气 的吸收率等于其黑度，黑度是就气体温度而言，炉壁和金属的黑度不随温度而变化； ( 5 ) 金属布满炉底，其表面不能“自见“；( 6 ) 炉壁内表面不吸收辐射热，即投射到该表面的辐 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 射全部返回炉膛。这时通过炉壁传导的热损失可以近似认为刚好由对流传给炉壁表面的热 量来补偿删。 1 , 5 3 1 辐射换热数学模型求解 辐射换热是加热炉炉膛内传热的主要方式，炉膛内辐射传热数学模型一般都采用一维 长炉模型，沿炉长将加热过程分成若干段，假设每段温度保持一定值，每一炉段内温度分 布用平均炉气温度来代替 2 3 - 2 5 l 。目前，研究加热炉内辐射换热数学模型的方法主要有：区域 法、通量法、蒙特卡洛法和离散传播法等几种【2 6 1 。这几种方法各有其特点，对于某一具体 的加热炉辐射传热问题，使用何种方法较好，这主要取决于实际生产条件和所需要达到的 计算精度。 1 5 3 2 加热炉内钢坯传热模型 为了获得钢坯加热过程的内部温度场，必须建立板坯加热过程的数学模型。板坯加热 过程数学模型主要有：一维稳态导热数学模型和非稳态导热数学模型，二维稳态导热数学 模型和非稳态导热数学模型，三维稳态导热数学模型和非稳态导热数学模型等【2 7 l 【2 8 1 。一维 数学模型由于其计算速度快，形式简单而广泛的应用于实际生产中。也有一些钢厂使用二 维模型，三维模型主要用于离线模拟和计算。可以相信，随着计算机技术的发展和计算机 运算速度的加快，三维模型必定将用于加热炉实际在线控制中。典型的三维模型控制方程 为： 丢c 力等+ 杀c 五筹，+ 昙c 允挈o z ，= 以孥d t t 1 剐 呶0 x鲫0 vo z 1 5 3 3 数学模型的求解方法 可以使用一些基本微分方程组来描述加热炉内气体湍流运动及钢坯传热过程，这些方 程构成一个耦合的非线性系统。为了得到加热过程中的各种温度分布，有必要对炉内的加 热过程的相互耦合的守恒方程组进行求解。求解温度场的方法主要有分析解法和数值解 法。分析解法可以直接给出温度场的分析形式，即t 与x , y , z ，t 之间的函数关系，具有普遍 的意义，也便于分析各因素对温度分布的影响。但此法仅适用于数量有限的经典问题，主 要用于几何形状简单及边界条件简单的情况，实际情况有时和这些条件有较大出入，应用 时不得不作很多假定，因而给计算带来很大误差。数值解法可以解决这类问题，这种方法计 算简单，但计算工作量很大，不过自从运用了电子计算机这种手段以后，这已经不成问题。 炉内传热过程是一个复杂的耦合系统，使用分析解法求解非常困难，尤其在炉内还有燃烧 的化学反应存在，加大了使用分析解法求解的难度，必须采用实验研究或数值解法。随着 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 计算机的发展和应用，数值计算解法越来越广泛的应用求解非线性系统 2 9 j 。 目前，研究较多的用来计算工业加热过程的数值解法主要有：有限差分法、有限元法 和有限体积法。它们的主要区别在于求解区域的划分和节点的确定，以及离散方程求解这 几个方面。 1 5 3 3 1 有限差分法( f d m ) l 3 0 , 3 1 1 有限差分法( f i n i t ed i 仟e r e n c em e t h o d ) 基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点 构成的网格来代替，把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数 来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，然后再利 用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。关于差分格式的构造一 般有以下3 种方法。最常用的方法是数值微分法，比如用差商代替微商等。另一方法叫积 分插值法，因为在实际问题中得出的微分方程常常反映物理上的某种守恒原理，一般可以 通过积分形式来表示。此外还可以用待定系数法构造一些精度较高的差分格式。 1 5 3 3 2 有限元法( f e m l 2 9 】 有限元法是一种高效能、常用的计算方法有限元法在早期是以变分原理为基础发展 起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。基本思 想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。其基本计算步骤可以分为：剖分，单 元分析，求解近似变分方程。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代 数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。 1 5 3 3 3 有限容积法( f 、，ml 有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域 划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方 程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数 值。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可去 掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 1 5 4 辊底式加热炉内温度场数值模拟的研究 关于炉内温度场的模拟研究主要有使用计算机语言编程进行模拟计算和使用有限元 软件模拟加热过程，二种方法各有优缺点，实际生产中应用较多的主要是使用编程计算。 由于编写程序能够较好的满足实际生产中的各种需要，将需要输入的参数都可以显示在界 面上，用户能够很方便的进行输入，设定和查询，而使用有限元模拟时，最大的优点是软 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 件已经将计算算法写好，不需要用户再进行编写算法，节约了很多时间。但是在有限元软 件中，大多数参数的设定都在软件内部，用户很难迅速反应，所以使用有限元软件主要是 在模拟过程中使用。对于炉内温度场数值模拟许多学者都进行了许多研究，大多数都是使 用计算机语言编写程序实现，编写程序求解的主要的不同点在于求解偏微分方程的思想， 以及计算方法等。而不同的学者对于实际生产中所进行的不同的假设，也导致了不同的计 算方法。 杨占春，武文斐研究薄板坯连铸连轧辊底加热炉内传热过程的数学模型时，求解辐射 传热方程和固体导热模型时采用控制体积法进行离散，以固体壁面作为求解的起始条件， 使用显式格式计算离散方程，开发了计算辊底加热炉内传热的通用软件，为确定c s p 生 产线的高拉速、多钢种的生产工艺参数创造条件 3 3 , 3 4 。 程素森等采用全隐式有限差分法对加热的板坯物理模型和数学模型进行了离 算机仿真界面，并通过该模型分析了板坯在加热炉内的温度变化情况以及在 下的升温情况。计算结果步进梁式加热炉内加热板坯过程优化提供了一定的 李义科，张欣欣等依据c s p 工艺辊底式加热炉实际结构和热工特点，考虑了 不均匀温度场的炉内情况，采用区域法建立了长一维辊底式加热炉内辐射换 通过采用蒙特卡洛法求解总辐射交换面积，建立了整个炉内封闭体系的气体 表面区的非线性能量平衡方程组。炉内薄板坯和炉衬导热方程的热流边界条 体表面能量平衡方程获得。通过联立求解炉内辐射换热模型，炉衬及薄板坯 到了炉内温度场分布情况。模型还进一步计算分析炉内加热段薄板坯移动速 内换热的影响 3 6 , 3 7 】。 进行薄板坯的温度场计算时，综合考虑了辊底式直通炉的结构、热工特性和 状，采用优先差分法对炉中板坯温度场进行了计算，利用计算机进行数值求 时刻的板坯断面温度场【3 8 l 。 计算环形加热炉加热过程温度分布情况时，采用了一维长炉模型，不考虑各 辐射换热。计算过程中，采用网格法将板坯温度，炉墙四周，以及炉气辐射 求解，得到了板坯温度加热过程的温度分布。该模型成功的应用实际生产中， 1 3 9 1 0 虑了各炉段之间的纵向辐射换热，同样采用了一维长炉模型，模拟计算了辊 程。求解参与换热的总交换面积时，采用了蒙特卡罗法。钢坯导热、炉墙和 炉内换热耦合方程组的建立采用了区域法。这样，使得钢坯表面温度以及炉 相关的温度耦合在一起，相互提供边界条件。方程组的求解采用了罗亦登法 计算删。 一系列假设的基础上，考虑到了辊底式加热炉的实际工艺特点，建立满足加 板坯温度数学模型。为了求解导热微分方程，首先确定了板坯加热的边界条 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 件以及初始条件。然后对导热微分方程进行了离散，代入边界条件和初始条件，得到了板 坯加热过程的温度分布，同时，在计算中考虑到了炉内氧化烧损的情况，根据氧化层厚度， 对一些参数进行了修正【4 l 】。 1 s sc u 对钢性能的影响以及氧化过程中的残余元素富集现象的研究 通过研究c u 对钢性能的影响表明：c u 能提高钢耐大气腐蚀性能，提高钢的屈服强度， 冲击韧性、淬透性、淬硬性等【4 引。随着对含c u 钢研究的深入，含c u 钢的应用也越来越广 泛。近年来，通过在钢中加入一定量的c u ，大力开发了管线钢、超细晶高强度钢、耐候结 构钢及耐蚀海洋平台钢等钢种，钢的强度和耐腐蚀性能有了很大的提高f 4 3 j 。 耐大气腐蚀钢为了具有良好耐腐蚀性能，主要通过添加p 、c u 、c r 、n i 、m o 、v 、t i 、 r e 等少量合金元素来实现【槔则。由于长时间暴露在大气中耐候钢表面上会形成的一层致 密、连续、粘附性好的防护锈层，使得其具有良好的耐大气腐蚀性。它的耐大气腐蚀性 能为普通碳钢的2 8 倍，并且耐候作用随着使用时间的延长表现越显著。但是耐候钢中 的昂贵的合金元素以及含c u 钢的一些缺陷，使得耐候钢未被广泛使用。因此研究含c u 钢 的缺陷产生原因，找到能够消除缺陷的办法，使用低廉丰富的合金元素替代或部分替代c r 、 n i 等较贵重元素来降低耐候钢价格，必将推动耐候钢的广泛运用【5 u 。 1 5 5 1c u 对热轧薄板性能的影响 研究表明，钢中加入c u 不仅能够使钢具有良好的耐腐蚀性，而且在低碳钢中加入c u ， 能够显著的提高钢的强度，改善钢的力学性能。c u 能够改善力学性能主要是由于c u 的以 下2 方面的作用；1 c u 能够扩大y 相区，改变y 一瓴相的转变温度，同时，适当的c u 可以 在在铁素体中产生c u 的弥散沉淀从而提高强度。2 c u 容易在晶界偏聚，使得c 晶粒长大 速度变缓，从而可以起到细化原始晶粒的作用5 2 ，5 3 】。 c u 在改善钢的耐候性和力学性能的同时，也会对钢产生一些不利的影响。其中最主要 是c u 脆引起的表面微裂纹。这是因为，当钢中c u 含量超