（材料加工工程专业论文）热送热装过程的温度场应力场数值模拟及二次开发.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 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：j 牡日期：三旦生星鲥垆日 研究生学位论文版权使用授权声明 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。 激黧监 指导教师签名：趁丝l 日 期：l 趟芦蚪 f 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着钢铁行业的发展，连铸坯热装热送及“热送直轧 技术的应用程度已成为衡量 钢铁生产技术水平的新指标，连铸坯热送热装具有提高生产率、降低能耗和减少铸坯氧化 烧损的作用，生产实践表明，在热装温度为6 0 0 、热装比5 0 时，热轧加热炉的生产率 可提高约3 0 、节约能耗约2 0 9 6 。然而，由于对钢种特性认识的不足，随着铸坯热送率的 升高，产品缺陷暴露的种类逐渐增多，严重时难以修复、甚至报废，造成巨大的经济损失。 本文以武钢二热轧的热装热送工艺为研究对象，通过综合考虑材料热物性参数随温度 的非线性变化、热传导系数及对流换热系数等边界条件，采用有限单元法，借助大型有限 元分析软件a n s y s ，利用v b 建立a n s y s 的二次开发，对铸坯的温度场应力场进行研究。 通过建立的a n s y s 二次开发界面，输入相应的参数，模拟出所需要的温度场应 力场。对比了在空冷和堆冷的情况下铸坯的温度场和应力场，利用等效热容法处理相变潜 热对温度场的影响。得出了在单独空冷和堆冷两种情况下表面应力的变化曲线。通过在现 场用红外测温仪测出单独冷却时的温度场，和模拟值基本吻合，验证了建立模型的正确性 和方法采用的正确性；通过现场采样进行热模拟实验，测出选取钢种的抗拉强度极限和断 面收缩率以及通过膨胀仪测出其膨胀曲线，对比发现，在单独空冷的情况下其表面应力超 过了抗拉极限，而在堆冷时表面应力没有超过抗拉极限。 在加热阶段，通过对模拟进行简化处理，模拟出在不同的中心温度和表面温度组合时 的应力情况，从而得出在何种表面温度与中心温度组合时才不会出现裂纹。 关键词：热送热装；有限元；温度场；应力场；二次开发；数值模拟 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r y , c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tc h a r g er o l l i n ga n d ”h o ts e n d d i r e c tr o l l i n g ”t e c h n o l o g yh a v eb e c o m et h en e w t a r g e tl e v e lt om e a s u r el e v e lo fi r o na n ds t e e l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e s ，b i l l e t h o tc h a r g i n gh a si n c r e a s e dp r o d u c t i v i t y , r e d u c e de n e r g y c o n s u m p t i o na n dr e d u c et h er o l eo fo x i d a t i o nl o s ss l a bp r o d u c t i o n p r a c t i c ei n d i c a t e st h a tt h e t e m p e r a t u r ei nh o tc h a r g eo f6 0 0 ，h o tc h a r g e t h a n5 0 ，h o tr o l l i n gh e a t i n gf u r n a c e p r o d u c t i v i t yi n c r e a s e db ya b o u t3 0 ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nb ya b o u t2 0 h o w e v e r , b e c a u s eo ft h es h o r t a g ek n o w l e d g eo fs t e e lp r o p e r t i e s , w i t ht h er a t ei n c r e a s e di nc o n t i n u o u s c a s t i n g - h o tc h a r g er o l l i n g ，p r o d u c td e f e c tg r a d u a l l yi n c r e a s e di n c l u d i n gs e r i o u s ，o rw e ns c r a p p e d p r o b l e m ，c a u s i n gh u g ee c o n o m i cl o s s e s i nt h i sp a p e r , i ns t u d yw i t hh o tc h a r g er o l l i n gp r o c e s so ft h es e c o n dh o tr o l l i n gp l a n ti n w i s c o ，w i t hc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h e r m a lp r o p e r t i e so fn o n l i n e a rp a r a m e t e r s ， t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r e ，u s e l a r g e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，a n du s i n gv bt oe s t a b l i s h t h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n ti n t e r f a c eo fa n s y s t os i m u l a t et h es t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h es l a b v bc r e a t e ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti n t e r f a c eo fa n s y s ，e n t e rt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s n e e d e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d c o m p a r i s o nt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d s o fs l a ba i rc o o l i n ga n dt h es l a bh e a pc o o l i n g , u s i n gt h ee q u i v a l e n th e a tc a p a c i t ym e t h o dt ot r e a t l a t e n th e a te f f e c to nt h et e m p e r a t u r ef i e l d o b t a i n e di nas e p a r a t ea i r - c o o l e d ，a n dh e a p so fc o l d s t r e s si nb o t hc a s e st h es u r f a c eo ft h ec u r v e t h r o u g hm e a s u r e dt h et e m p e r a t u r et h es i t ew i t h i n f r a r e dt h e r m o m e t e ro ns l a bo fs e p a r a t ea i rc o o l i n g , a n di tb a s i ce q u a lt os i m u l a t e dr e s u l t s ， v e d f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e la n dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h ec o r r e c t n e s so fu s i n g ；t h r o u g h o n - s i t es a m p l i n gt ot h e r m a ls i m u l a t i o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，m e a s u r e ds e l e c t e ds t e e lk i n d u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n da r e ar e d u c t i o nr a t e sa n dm e a s u r e db yd i l a t o m e t e rc u r v eo fi t s e x p a n s i o n ，c o n t r a s tf o u n di nt h es e p a r a t ec a s eo fa i rc o o l i n gt h es u r f a c es t r e s se x c e e d st h et e n s i l e l i m i t ，a n di nt h eh e a pc o o l i n gs u r f a c eo f t h et e n s i l es t r e s sd o e sn o te x c e e dt h el i m i t i nt h eh e a t i n gs t a g e ，t os i m p l i f yh a n d l i n go f s i m u l a t i o n , t os i m u l a t et h es t r e s sc o n d i t i o n sa t d i f f e r e n tc o r et e m p e r a t u r ea n da td i f f e r e n ts u r f a c et e m p e r a t u r ec o m b i n a t i o ns oa st oa r r i v ea t w h a tc o m b i n a t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r ea n dc o r et e m p e r a t u r ew h e nt h ec r a c k si sn o ta p p e a r k e yw o r d s ：h o tc h a r g i n g ；f i n i t ee l e m e n t ；t e m p e r a t u r ef i e d l ；s t r e s sf i e l d ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 1 ：i 目录i i i 第一章绪论1 1 - l 课题研究目的和意义1 1 2 连铸坯热送热装技术简介2 1 2 1 连铸坯热装热送技术的国内外发展2 1 - 2 2 热送热装和直接轧制技术的分类4 1 2 3 连铸坯热送热装经济效益评估5 1 2 4 连铸坯热装热送的条件6 1 3 研究内容6 1 4 本章小结7 第二章有限元理论及其应用、8 2 1 传热学基本理论：。8 2 1 1 热传递的基本方式8 2 1 2 热传导的基本原理9 2 2 热弹塑性理论1 2 2 2 1 热弹性理论1 2 2 2 2 热塑性理论1 3 2 2 3 弹塑性应力应变关系：1 5 2 3 有限元数值模拟技术1 6 2 3 1 有限单元法的发展简史1 7 2 3 2 热力耦合有限元法1 8 2 4 本章小结1 8 第三章a n s y s 二次开发及应用2 0 3 1a n s y s 二次开发的简介2 0 3 1 1 二次开发工具概述2 1 3 1 2a p d l 简介2 2 3 1 3u i d l 简介2 2 3 2 a n s y s 二次开发界面2 3 3 3v b 调用a n s y s 的部分代码2 8 3 4 本章小结3 0 第四章有限元模型3 l 4 1 材料热物性参数的确定3 1 第页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 模拟的初始条件和边界条件3 2 4 3 模拟单元的选择3 4 4 4 武钢二热轧热装热送工艺流程及分析3 6 4 4 1 武钢二热轧简介3 6 4 4 2 热装热送工艺流程及分析3 6 4 5 本章小结3 7 第五章模拟结果及分析3 9 5 1a n s y s 温度场模拟结果3 9 5 1 1 单独空冷3 9 5 1 2 铸坯堆冷4 l 5 2 热模拟试验4 3 5 3 应力场的模拟结果4 6 5 3 1 单独空冷4 6 5 3 2 堆冷冷却4 8 5 4 铸坯加热过程中的表面应力4 9 5 5 其它条件变化对应力的影响5 l 5 5 1 铸坯尺寸对应力的影响5 1 5 5 2 综合换热系数对应力的影响5 1 5 5 3 热传导系数对应力的影响5 2 5 6 本章小结5 2 第六章全文总结与展望5 4 6 1 全文总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢5 8 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 随着连铸连轧技术的发展与应用，目前连铸坯热装热送及“热送直轧一技术的应用程 度已成为衡量钢铁生产技术水平的新指标，该技术的进展将推动炼钢一连铸- - $ l 钢生产的 一体化，从而加速钢铁生产向“连续化、低成本、高质量 的方向发展。 近年来，我国钢铁工业出现了加快发展的势头，我国已成为名符其实的世界头号钢 铁大国，但还远不是钢铁强国。国民经济对高技术含量、高附加值产品的需要日益迫切， 我国钢铁行业必须采用先进技术来满足品种与质量、成本与效益等方面不断提高的要求， 达到提高产品质量、增加效益、减少消耗、获得竞争优势的目的。 连铸坯热送热装具有提高生产率、降低能耗和减少铸坯氧化烧损的作用。生产实践 表明，在热装温度为6 0 0 、热装比5 0 时，热轧加热炉的生产率可提高约3 0 、节约能耗 约2 0 。然而，由于对钢种特性认识的不足，随着铸坯热送率的升高，产品缺陷暴露的种 类逐渐增多，严重时难以修复、甚至报废，造成巨大的经济损失。 根据原杭州湾大桥用钢出现批量结疤缺陷的有关统计分析可知，铸坯入加热炉温度 越高，产生线状和疤状缺陷的可能性越大。一般而言，钢的化学成分、钢中残余元素、钢 水的浇注温度和速度、钢液的凝固和冷却、钢锭的热送方式及均热、加热工艺等，无论哪 个环节出现问题最终都会造成钢锭表面拉应力过大，当其值超过极限时就会产生裂纹。尤 其在冷却和再加热过程中铸坯的表层和心部存在温差，不可避免地会产生热应力和组织应 力，冷却或加热速度越大，温差越大，热膨胀或收缩的不等时性产生热应力越大：同时， 相变不等时性、不均匀性产生相变应力也越大。当热应力和相变应力叠加的拉应力峰值超 过钢的强度和塑性所允许的限度时，就会在铸坯表面产生裂纹，或者铸坯本身存在显微裂 纹的情况下，这些拉应力作用在显微裂纹上时，会促进显微裂纹的扩展。另外高温直装时 铸坯表面氧化状况与低温装炉的状况的不同，使得加热后板坯表面氧化皮生成情况更为复 杂也需要进一部深入研究。裂纹的形貌如图l ，图2 所示： 图1 1 细小的纵向发纹和类似“重皮”的尖角裂纹 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( a ) 裂纹开口前端( b ) s e m 全貌 图1 2 类似。重皮”的尖角裂纹的金相和s e m 照片 由图1 2 ( a ) 可知明显的非基体物质，且有裂纹周围脱碳现象很明显，说明裂纹是在 连铸坯中存在或在运送及加热前期产生，由图1 2 ( b ) 可看出该裂纹长度约1 3 5 咖，根据 相关资料【2 】，认为该类裂纹由铸坯的网状裂纹( 沿晶裂纹) 产生的。此外，通过观察微小 的纵向发纹，其形貌与类似“重皮 的尖角裂纹形貌很相似，只是裂纹长度沿水平方向延 伸短些，因而可以认为两者的产生原因相同。 武钢二热轧生产含n b 低合金钢在热送生产过程中产生表面质量缺陷【3 】，钢卷中部出 现线状和疤状缺陷。分析发现缺陷发生卷的入炉温度集中在5 0 0 以上。通过停止此类钢 种直装，也完全消除了该缺陷。因此，为了避免类似钢种再出现此类疤状缺陷，武钢二热 轧对含铌、含钛钢种规定装炉温度要低于5 0 0 。国内外虽对这类裂纹有所报道，但大多 数资料都是根据生产实际现象进行分析和推测，缺乏系统的研究和深入的理论探索。为此 本课题开展针对武钢二热轧生产含n b 低合金钢在热送生产过程中产生表面质量缺陷进行 机理研究，并进一步制定出避免缺陷产生的工艺方法，优化直装工艺，扩大热送钢种的比 例，从而大幅度地降低轧钢加热炉的燃料消耗和金属烧损，提高劳动生产率及综合经济效 益。 1 2 连铸坯热送热装技术简介 1 2 1 连铸坯热装热送技术的国内外发展 在当今的经济发展过程中，对石油和煤炭的等能源的依赖度越来越高，特别是钢铁 行业，从炼钢到注锭再到初轧开坯都需要大量的能源消耗，特别是在经历了1 9 7 3 年和1 9 7 9 年的两次世界石油危机之后，节能便成为伴随着钢铁行业发展过程中不可避免的课题，所 以，最早进行连铸坯热装试验的是在第一次世界石油危机时的日本钢管鹤见厂【4 】，随后是 日本新日铁大分、坍厂、神户加古川、住友鹿岛厂及川崎水岛厂也不同程度的开发了这一 技术，如表l 所示，其中第一个真正意义上实现直接轧制的钢厂是日本的坍厂 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 表1 1 实现热送工艺或热装工艺的一些日本钢厂的情况 厂名和公司热送或热装情况连铸机及铸坯尺寸 住友金属工业公司鹿1 9 7 6 年开始热装，1 9 8 2 年6 月热装3 台板坯连铸机，板坯尺寸 岛厂量达1 6 万t( 2 2 3 3 0 0 ) 姗x ( 9 5 0 2 1 0 0 ) 衄 1 9 8 2 年1 2 月投产，热送圆坯到轧5 号圆铸坯机，圆坯直径1 7 0 m m 、 日本钢管公司京浜厂 管车间直接轧制2 1 0 r a m 、2 3 0 r a m 日本东伸钢公司姬路1 9 7 6 年投产，1 9 7 9 年8 月开始热装8 流小方坯连铸机，小方坯尺寸 厂 小方坯，热装平均温度5 6 0 1 3 5 - 1 5 0 m m 3 台板坯连铸机，板坯尺寸 川崎钢铁公司水岛厂1 9 7 7 年6 月开始实行热装 ( 1 9 0 - - 3 0 0 ) m m x ( 9 5 m 忍1 0 0 ) m m 新日本钢铁公司大分 1 9 8 0 年底实行热装工艺，形成2 条 5 台弧形板坯连铸机，板坯尺寸 3 0 万t 月的连续作业线。1 9 8 1 年热 厂 2 8 0 m i n x1 8 0 0 m m 送率达8 5 * 旷9 0 日本钢管公司福山厂 三炼钢 1 9 8 1 年5 月投产，7 月开始热装4 流方坯连铸机( 可浇铸工字钢坯) 1 9 8 1 年7 月开始实行板坯热送轧 制。到1 9 8 4 年7 月底，热送量达双流多半径弧形连铸机，板坯尺寸 新日本钢铁公司j 界厂 2 0 0 万t 。1 9 8 4 年l 6 月平均热送率 2 5 0 m m ( 5 8 0 1 3 2 0 ) m i l l 达8 0 从表1 1 可以看出，日本的热送热装技术主要始于7 0 年代末和8 0 年代初期，而这 个时期的欧洲也开始了这一技术的应用，如法国的索拉克有两台板坯连铸机实行这一技 术，而两年后的1 9 8 3 年已达到2 5 的热装率。并且在8 0 年代中期，连铸坯热送热装技术 在在欧美的一些国家得到了长足发展，如美国，德国，比利时，奥地利等，如表1 2 所示： 表1 2 实现热送工艺或热装工艺的一些欧洲钢厂的情况【5 6 】 厂名和公司 热送或热装情况连铸机及铸坯尺寸 一台双流板坯连铸机2 5 4 m mx 加拿大多法斯科厂实现了8 0 热装直接轧制 ( 7 4 0 - 1 6 0 0 ) m i l l 热送温度9 0 0 ，设有6 0 0三台立弯式板坯连铸机( 1 7 0 - - - 3 0 0 ) 奥地利林茨厂 的保温坑 m i l l ( 7 4 肛1 6 5 0 ) i t l l n 1 9 8 1 年初开始热装加热 法国索拉克公司佛罗伦季 炉，1 9 8 3 年热装率达2 5 ， 两台弧形板坯连铸机( 1 9 0 - 一2 5 0 ) 热装温度5 0 0 - - 6 0 0 1 2 ，1 9 8 8 rm m x ( 6 2 0 1 8 6 0 ) m i l l 年实现6 7 热装，8 0 直 接轧制 连铸机与轧钢车间( 距离一台单流弧形板坯连铸机 美国钢公司大湖分厂3 2 0 0 m ) 采用专业保温车 ( 2 4 1 - 3 0 5 ) m i l l x ( 2 4 8 9 乞6 4 2 ) 厢，热装率达5 0 以上 m m 比利时考克里尔公司 1 9 8 9 年热装比超过6 5 一台双流弧形板坯连铸机 c h e r t a lr16 0 r a m 7 0 0 m m 2l5 m mx2 2 0 0 m m 实现1 0 0 的热坯直接轧一台双流弧形板坯连铸机2 4 0 m mx 意大利塔兰托厂 制 ( 6 5 帖1 3 5 0 ) m i l l 而这一时期的日本，连铸坯热送热装技术得到了更迅速的提高，在1 9 8 3 年热装比达 到5 8 ，1 9 9 5 已经超过7 0 ，而在9 0 年代，连铸坯热送热装技术在薄板坯连铸连轧和其 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 它的连铸技术的发展的带动下推向了一个新的台阶。 在我国，武钢的热轧厂和二炼钢厂较早应用这一技术，在1 9 8 4 年的武钢硅钢厂，热 送比可达到8 5 ，近十年来，我国如鞍山钢铁公司，上海第三第五钢铁厂，三明钢铁厂， 莱芜钢厂等许多钢厂，尤其是宝山钢铁公司，已把这一技术纳入正常生产。但总的说来， 我国在连铸坯热装热送这一技术的起步较晚，大大落后于欧美、日本等一些国家，所以 提高这一技术的应用水平任然是我国钢厂面临的重要课题之一。我国部分钢厂的热送热 装技术应用情况如表1 3 所示： 表1 3 我国部分钢厂的热送热装技术应用情况【7 - i s 公司和厂名热装和热送情况 宝钢 目前，连铸板板坯热装率6 5 ，平均温度在6 5 0 ，直接热装率在1 5 目前，连铸板坯热送率可达9 8 以上，热送温度可达8 0 0 。c 以上，装炉温度在5 5 0 武钢 以上热装率6 0 以上。 1 9 9 3 1 9 9 9 年4 月连铸板坯热送总量为2 6 4 3 万吨，总热装率2 9 9 5 ，热装温度在 邯钢 4 0 0 韶关钢厂 1 9 9 9 年连铸方坯热装率为9 3 9 9 ，热装量3 5 9 3 万吨。 三明钢铁厂19 9 9 年连铸方坯热装率为61 2 9 唐钢 2 0 0 1 年7 4 万t 钢筋中，7 7 7 5 热装率，热装温度8 2 0 湘钢2 0 0 1 热装率达到6 0 ，热装温度5 5 0 以上 长沙钢铁厂1 9 9 9 年l - 6 月，热送热装比为7 5 、热装温度5 5 0 7 4 0 ( 2 1 2 2 热送热装和直接轧制技术的分类 由于国内外缺乏对热送热装这一正在发展的新技术的界定和分类的方法，参照其工 艺流程、冶金学特点及其温度曲线可以分为以下几类【1 6 】： ( 1 ) 连铸坯直接轧制。简称c c d r ( c o n t i n u o u sc a s t i n g - d i r e c tr o l l i n g ) ，分类为i 型。指 没有经过加热炉直接进行轧制，由于是在l10 0 条件下通过边角不热装置送入轧机 的，所以在轧前未进过7 专口专y 的相变过程，有粗大的奥氏体晶粒，一些微量元素 也没有经过析出与再溶解的过程，所以这一技术需要去开发新的轧制工艺来细化晶 粒，总体来说，这一技术最为节能，而且减少了生产时间，极大的减少了钢的氧化 程度，一定在将来的发展中能取代现在的工艺。 ( 2 ) 连铸坯热直接轧制。简称c c h d r ( c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o td i r e c tr o l l i n g ) ，分类为i i 型。指不经过加热炉，在运送过程中通过均热和边角补热直接进行轧制，它的温度 介于a 3 线到1 1 0 0 之间，有粗大的奥斯体晶粒，工艺与i 型基本相同，只有少量微 元素的析出和再溶解。 ( 3 ) 连铸坯直接热装轧制。简称c c d h c r ( c o n t i n u o u sc a s t i n g - d i r e c th o tc h a r g i n g r o l l i n g ) ，分类为i i i 型，连铸坯经过运送过程的冷却到a 1 到a 3 线之间后进入加热炉， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 然后再进行轧制，由于铸坯处于a l 到a 3 线之间，也就是处于( 口十7 ) 两相区，所 以在铸坯组织中既有进过厂一口寸7 相变细化的奥氏体晶粒，又有原始粗大的奥氏体 晶粒，一些微量元素的析出和溶解程度不同，特别是电炉钢，由于氮含量较高，还 要特别注意由于a i n 析出而形成的表面裂纹，所以对于特定的钢种，需要制定相应 的轧制工艺来克服这些缺点，以获得合格的成品。 ( 4 ) 连铸坯热装轧制。简称c c h c r ( c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tc h a r g i n gr o l l i n g ) 。分类为 型，指铸坯在4 0 0 到a 1 线之间的温度时装炉加热再进行轧制，一般将4 0 0 作为 热装的低温下线，这个温度段以下由于节能效果较差，故一般不再称作热装。连铸 坯热装轧制的铸坯的晶粒状态和常规冷装炉的基本相同，但对于一些低合金钢，中 高碳钢容易在热装时产生表面裂纹导致表面变坏，所以也需要制定针对一些钢种的 特定工艺来改善。 ( 5 ) 连铸坯冷装炉加热后轧制。简称c c - c c r ( c o n t i n u o u sc a s t i n g - c o l dc h a r g i n gr o l l i n g ) ， 分类为v 型，它已经不属于热装，也是我国现阶段绝大多数钢厂采用的方式，它浪 费的大量的能源，而且由于延长了加热时间，所以增加了铸坯的氧化烧损，所以为 了节约能源和减少氧化烧损，应向热送热装和直接轧制方向发展。 1 2 3 连铸坯热送热装经济效益评估 钢铁行业的由来已久，它是关乎到国计民生的行业，它的发展水平是和整个国家的经 济发展水平相联系的，而热装热送对于钢铁行业又有着里程碑般的意义，所以连铸坯的热 装热送也是关系经济发展的大事。对于热装热送的经济效益评估如下： ” ( 1 ) 提高成材率，减少金属消耗。这是热装热送工艺的主要优点之一，对于传统的冷送 冷装工艺，氧化铁皮在出坯传输过程中约为0 2 加3 ，在加热和轧制过程中约为 1 5 ，其中以加热炉中产生的最多，一般可高达0 6 1 o ，因此减少铸坯的加热 炉加热时间对于减少生成德氧化铁皮量是至关重要的，而连铸坯热送热装可以大大 减少加热炉的加热时间，热别是对于直接轧制工艺，连铸坯可以不经过加热炉就可 以直接进行轧制，因此大大减少了氧化铁皮生成量，提高了金属的收得率。 ( 2 ) 降低能源消耗，提高加热炉生成能力。据有关资料显示，铸坯的入炉温度和节能的 关系如表1 4 所示： 表1 4 入炉温度和节能的关系 入炉温度 4 0 05 0 06 0 08 0 0 节能 o 2 e 6k i l t0 2 5 e 6 k j a o 3 4 e 6k j t o 51 4 e 6k i l t 当采用传统的连铸坯冷送冷装工艺时，从连铸开始到热轧成卷，能源消耗约为 ( 1 2 5 1 6 7 ) x1 0 61 0 t ，其中入炉的加热时间通常大于1 5 0 m i n ，而节能效果集中体现在加热 工序中，即由于入炉铸坯温度的提高，减少了加热时间，因此节省了燃料消耗。n i p p o n 钢 铁公司的s a k a i 钢铁厂在实现c c h d r 工艺后，其加热炉能耗降低了9 0 【1 7 1 ，l 1 v 钢铁厂 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 在1 9 9 3 年采用c c d h c r 技术后，其年产量达到2 0 0 万吨，到1 9 9 4 年末，其节约的生产 成本达到了l 亿美元 1 8 , 1 9 我国制定的目标是到2 0 5 0 年要实现全国大中型钢铁企业直接热装比在6 0 以上，如 果达到这个目标，则每年可以节约燃料消耗为2 1 0 万吨标准煤，直接经济效益1 1 亿元。 ( 3 ) 改善钢材组织性能，提高产品质量。由于加热时间短，氧化铁皮少，生产出的产品 表面质量比冷坯装炉生产出的质量好。 ( 4 ) 简化生产工艺过程，缩短生产周期。当采用连铸坯冷送冷装工艺时，在通常情况下 由于铸坯要离线冷却、检查、精整，整个过程需要1 5 3 0 小时，而热装从连铸开始 到成品的时间大为减少，分别下降了8 9 3 、9 2 4 和9 7 2 ，对于直接轧制其生产 周期甚至下降到1 h 以下，这样产品生产周期的大幅度缩短必定会加快流动资金周转， 给钢厂带来了可观的经济效益。 ( 5 ) 直接轧制可以发挥微合金元素的全部潜在作用，即通过工艺优化控制，根据需要在 板坯变形前使材料中的合金元素处于固溶状态，经变形诱导析出使析出物有更精细 的均匀分布，而剩余的合金元素保留至相变以后析出，造成对材料的进一步强化。 这种状态可最大地发挥合金元素的潜力，减少合金元素的用量。 1 2 4 连铸坯热装热送的条件 连铸坯在热装热送比起通常的冷装炉节省了大量的燃料和减少了氧化铁皮的生成量， 但是它的铸坯及工艺要求方面同样也更加严格，所以需要一定的条件才能保证热装热送的 正常进行： 1 ) 高水平的连铸坯热送热装必须确保各工序协调配合做到生产计划、工作制度协 调一致 2 ) 高水平连铸坯热送热装必须确保连铸坯质量，要求铸坯表面无缺陷率达9 5 以上 3 ) 高水平的连铸坯热送热装必须确保各工序设备运行的可靠性。 4 ) 高水平的连铸坯热送热装必须确保生产出高温连铸坯，并实行保温运送。 1 3 研究内容 针对武钢二热轧直装过程中有关钢种会产生表面质量缺陷，如q 3 4 5 b 、q 3 4 5 c 、a p i5 l b 和x 7 0 等钢种选取一定的钢种进行下列研究： ( 1 ) 利用大型软件a n s y s 进行二次开发，借助v b 的可视化界面后台调用a n s y s 进行 有限元的模拟。 ( 2 ) 依据传热原理，模拟出热装过程中钢坯温度场，并建立钢坯表层和心部的温度场。 ( 3 ) 根据已知的温度场，求出相应的应力场。测出表面的的应力场曲线。 ( 4 ) 对比热装和冷装时的差异，并结合相应的热模拟实验，针对热装裂纹问题提出相应 的解决办法。 ( 5 ) 对于不同材料的材料参数变化时对结果的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 4 本章小结 本章系统的介绍了热送热装和直接轧制技术的分类，叙述了本课题研究的目的和意 义，分析了热装热送研究的经济意义，以及国内外热装热送技术的发展及应用情况，并阐 述了论文的研究内容。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章有限元理论及其应用 2 1 传热学基本理论 2 1 1 热传递的基本方式 同一物体的两个部分间或物体相互之间只要存在温差就有传热发生，只要有温度差存 在，热量总是从高温向低温传递。根据传热过程的物理本质不同。可将传热过程分为传导、 对流和辐射【2 0 ，2 1 1 - - - 种基本方式。其中热传导主要是在固体内部的传热，辐射和对流是指固 体与周围介质的热交换过程，也称为外部传热。 ( 1 ) 传导 当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分； 而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递方式称 为热传导。可以用以下关系式表示 垒= 丝盟掣 ( 2 1 ) t口 式中：q 为时间t 内的传热量或热流量；k 为热传导率或热传导系数；t 为温度；a 为平面面积；d 为两平面之间的距离。 上式所表达的就是著名的傅里叶定律，又称热传导基本定律。 工程上采用热导率来表征物质导热能力大小，通常通过实验的方法测定。导热系数与 材料种类、温度、压力和湿度等因素有关。它是随温度变化的物性参数，一般工程上的处 理【2 2 】： 1 ) 取实验的平均值 2 ) 采用线性的方法近似，即五= a o ( 1 + b t ) ( 2 ) 对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量交 换。高温物体表面常常发生对流现象。这是因为高温物体表面附近的空气因受热而膨胀， 密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气，热对流 可分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述： g = h ( t s 一丁口) ( 2 2 ) 式中：h 为对流换热系数( 或称膜传热系数，给热系数，膜系数等) ；五为固体表面 的温度；詹为周围流体的温度。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 图2 1 对流换热的类型 ( 3 ) 辐射 热辐射是指物体发射的电磁能，并被其他物体吸收转变为热能的热量交换过程。只有 绝度温度零度即2 7 3 时，才不放射能量。当物体受热时候，内部电子激动增加，放出的 辐射能也增加，物体温度越高，单位时间辐射的热量越多，同时也不断的吸收外界投射来 的辐射能。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质，也不需要相互接触。 实际上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收 热量。它们之间的净热量传递可以用史蒂芬波尔兹曼方程来计算： q = 6 e r a l e 2 ( 正4 一疋4 ) ( 2 3 )矗 式中：g 为热流率；占为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值处于0 , - - 1 之间；盯为 史蒂芬波尔兹曼常数，约为5 6 7 x 1 0 8 w m 2 k 4 ；4 为辐射面1 的面积；互：为辐射面l 到辐射面2 的形状系数；五为辐射面1 的绝对温度；五为辐射面2 的绝对温度由上式可以 看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。 其中占可以用实验的方法确定 旦旦 g ：e 0 z ：岛 ( 2 4 ) 当黑度e 为l 时称物体为黑体，占处于叽l 之间时称为灰体，自然界中的绝大多数物 质都是灰体。 2 1 2 热传导的基本原理 热传导控制方程大都在傅里叶( f o u r i e r ) 定律例和能量守恒定律的基础上推导出来的， 其中傅里叶定律是法国数学家傅里叶( f o u r i e r ) 1 8 2 2 年在实验研究基础上研究发现的，它 流 流 蝴 热 热 对 对 陵 换 换 制 然 狯 腾 结 一 删 一 一 一 厂iil 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 可以表述为：在任意时刻t ，在各向同性的连续介质中任何位置，局部导热热流密度数值 上与该点的温度梯度成正比，方向与温度梯度相反。其数学表达式为： g ：一a g r a d t ：一后挈刀 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中：负号表示温度梯度方向和热传导方向相反 g 沿x 方向上单位时间的热流密度，州盼； 兄材料的导热系数，g y ( m xk ) ； a r 叙空间某点法向方向的温度梯度； 其热传导方程是在考虑了温度场应力场、组织场之间相互耦合的作用下得出的，其表 达式为： 九c 窘+ 矿0 2 t + 窘m = 昨警 。2 式( 2 6 ) 中：五材料的导热系数，w ( m xk ) ； p 材料密度； r 铸坯的瞬态温度； g 考虑铸坯相变潜热的热流密度； 勺为定压热容比 g 定义为 g ，：脯业 1 研 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，胡为单位体积的相变潜热，矿为体积。 2 1 3 三种边界条件 ( 1 ) 第一类边界条件【2 4 。2 6 】 指铸坯边界上的温度函数或是温度已知，用公式表示为 t ir = t 。：丁| r = 乃乞力 ( 2 8 ) 其中：f 为铸坯边界；瓦为已知的温度；而厂( x ，y ，z ，f ) 则为铸坯表面的温度函数，它 是位置、时间的函数。 ( 2 ) 第二类边界条件 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 指铸坯边界上的热流密度g 已知，它的方向等同于边界法线刀的方向，其表达式为用 公式表示为 一后罢i r = g _ 4 , 0 i t = 如弘z ，d 册 ： 绷 ( 2 9 ) g 为铸坯表面的热流密度( 常数) ；如弘z 力为热流密度函数。 ( 3 ) 第三类边界条件 指与物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知，用公式表示为： 一五到：吼( l 一乙) 佣b ( 2 1 0 ) z 为流体介质的温度；以为换热系数。i 和风可以是常数，也可以是随时间和位置 而变化。 在工程计算中，为了简化运算，通常将三种边界条件统一为第三类边界条件 对于第一类边界条件，取艺= 乏，峨取一极大值即可。 o t i ：0 对于第二类边界，常用锄l ，此时取以= 0 即可。 对于三类边界条件，通常用对流和辐射混合的换热边界，其表达式为 一名孙( 瓦+ 积艺却 = k ( 乙一z ) + 只( 乙一互) = 日( 瓦一乃) ( 2 11 ) 式中，日为对流和辐射系数的叠加： 日= 耳+ 耳 ( 2 1 2 ) 其中以为辐射换热系数： 只= 伲( 巧