（材料加工工程专业论文）核电用304316奥氏体不锈钢宽厚板加热和热轧过程的数值模拟.pdf

u s e df o rn u c l e a rp o w e rp l a n t s b yw a n gb i n s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o rw a n gg u o d o n g p r o f e s s o rl i uz h e n y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： e l 期：卅，扫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 。歌矿 、v q 东北大学硕士学位论文 摘要 核电用3 0 4 3 16 奥氏体不锈钢宽厚板 加热和热轧过程的数值模拟 摘要 依据目前国内核电用不锈钢的科研现状和发展趋势，本课题以3 0 4 3 1 6 奥氏体不锈 钢中厚板的实际生产过程为计算条件，利用有限差分和有限元方法建立加热和热轧过程 中的数值模型，考虑不同工艺参数的影响，获得板坯内部瞬时温度场和应力一应变场， 从而选取最佳的工艺制度以指导实际生产。 在加热过程中考虑了比热、弹性模量和膨胀系数等物理参数随温度变化的情况，根 据实际生产工艺，建立了四阶段加热的瞬态温度场有限差分模型，并分析了不同加热工 艺参数造成的影响，其中包括不同加热时间对温度变化规律的影响，不同入炉温度对加 热温度的影响，不同板坯尺寸对均热时间的影响，以及走钢温度对均热时间的影响等。 利用a n s y s 有限元软件，建立加热过程中热应力耦合场模型，研究瞬时温度场的 变化规律，描述在加热过程中由于内部温差造成热应力分布情况，并分析热应力随工艺 参数变化的规律，包括不同炉温和不同初始入炉温度对热应力的影响。 中厚板的热轧过程中考虑辐射、对流、热传导、水冷等热损失过程，以及轧制过程 的变形热、摩擦热等，利用有限差分方法建立了钢坯瞬态温度场模型，计算从热轧过程 中的轧件横截面温度，得到了钢坯在整个过程中内部温度随时间的变化规律。该模型可 以灵活的适应不同道次的轧制工艺。 应用l s d y n a 软件，建立了s l n 过程中动态显式的有限元模型，可以得n s l n 过 程中板坯的应力和应变的分布情况，以及轧制力随时问的变化情况，该结果对中厚板轧 制过程模拟具有一定的参考意义。 关键词：奥氏体不锈钢3 0 4 3 1 6 ；核电；数值模拟；温度场；热应力；a n s y s ；l s d y n a n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e h e a t i n ga n dh o tr o l l i n g p r o c e s s e sf o r3 0 4a n d316a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lp l a t e s u s e df o rn u c l e a rp o w e rp l a n t s a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e s e n tm a n u f a c t u r i n gs i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fs t a i n l e s ss t e e lf o r n u c l e a rp o w e ri nc h i n aa tt h ep r e s e n tt i m e ，t h i st h e s i sa i m e dt od e v e l o pa ni n t e g r a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo f30 4 316a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lm e d i u mp l a t ew i t hf i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dd u r i n gr e h e a t i n ga n dh o tr o l l i n g ，t od e s c r i b et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s - s t r a i nf i e l dt h r o u g ht h et h i c k n e s so f t h ew o r k p i e c ea c c o r d i n gt o t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u st e c h n i q u ep a r a m e t e r s ，i no r d e rt oa c q u i r et h eo p t i m u ms c h e m et o d i r e c tt h eo p e r a t i o ni np r a c t i c e t h em a t e r i a lp a r a m e t e r s ，s u c ha ss p e c i f i ch e a t ，y o u n g sm o d u l u s ，e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t e t c ，a l t e rw h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sd u r i n gr e h e a t i n g a c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a l o p e r a t i o no fr e h e a t i n gf u r n a c ei nf a c t o r y , t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fa4 - s t e p r e h e a t i n gp r o c e s sw a sd e v e l o p e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt oa n a l y z et h ee f f e c to ft h e v a r i o u sr e h e a t i n gp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h er e h e a t i n gt i m e ，t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e ，t h e t h i c k n e s so ft h ew o r k p i e c e ，t h em o v i n gt e m p e r a t u r ee t c t h ec o u p l e df i e l dm o d e lw a ss i g n e dt oa n a l y z et h et h e r m a ls t r e s so ft h es t a i n l e s ss t e e l d u r i n gr e h e a t i n gb ya n s y sw i t h f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ee v o l u t i o no ft r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht i m ec o u l db ea n a l y z e db yt h i sm o d e l f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m a ls t r e s s d i s t r i b u t i o nw a sd e s c r i b e dd u r i n gr e h e a t i n g ，o w i n gt od i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ei n s i d et h e w o r k p i e c e t h ee f f e c t so ft h ef u r n a c et e m p e r a t u r ea n di n i t i a lt e m p e r a t u r eo fs t e e lw e r et a k e n i n t oa c c o u n t t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fh o tr o l l e dm e d i u mp l a t ew a sd e v e l o p e dw i t h f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt oc a l c u l a t et e m p e r a t u r et h r o u g ht h et h i c k n e s so ft h ew o r k p i e c ef r o m e x i to fr e h e a t i n gf u r n a c e t h ee f f e c t st a k e ni n t oa c c o u n tw e r er a d i a t i o n ，c o n v e c t i o n ，h e a t c o n d u c t i o n ，w a t e rc o o l i n ga n dt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s ed u et od e f o r ma n df r i c t i o nw h e nt h e m a t e r i a lw a si nt h er o l lg a p t h et e m p e r a t u r ee v o l u t i o no fw o r k p i e c ew i t ht i m ed u r i n gh o t 。一1 1 1 一 一l v 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明 摘；要 a b s t r a c t 第l 章绪论 1 1 奥氏体不锈钢概述 1 2 奥氏体不锈钢的核电用途 1 3 奥氏体型不锈钢的热物性参数 1 4 数值模拟 1 5 课题意义 1 6 课题内容 第2 章热物性测试 2 1 不同温度下的屈服强度和抗拉强度 2 2 不同温度区间的线性膨胀系数 2 3 不同温度的弹性模量 2 4 不同温度的热传导系数和比热容 2 5 本章小结 第3 章3 0 4 3 1 6 中厚板加热和热轧过程中温度场的计算 3 1 传热学的模型 3 2 初始条件和边界条件 3 3 加热炉传热分析及模型假设 3 4 加热炉内的温度场计算1 3 3 4 1 物理参数1 3 3 4 2 工艺条件1 3 3 4 3 计算结果与分析1 4 3 5 热轧过程的传热现象1 9 3 6 热轧过程温度场计算2 0 3 6 1 工艺条件2 0 3 6 2 计算结果与分析2 1 3 7 本章小结2 3 第4 章加热过程中的有限元分析2 5 4 1 温度场模拟2 5 4 1 12 d 建模2 5 4 1 2 单元类型和材料特性2 5 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 3 网格划分2 6 4 1 4 加载时间和边界条件2 6 4 1 5 对流与辐射2 7 4 1 6 结果图片与分析2 8 4 2 预热段的热应力分析2 8 4 2 1 单元类型和材料特性2 9 4 2 2 加载时间和边界条件2 9 4 2 3 结果图片与分析3 0 4 3 不同炉温对热应力的影响3 6 4 4 不同入炉温度对热应力的影响4 1 4 5 本章小结4 1 第5 章热轧过程中应力应变场的模拟4 3 5 1 变形抗力分析4 3 5 1 1 实验方案4 3 5 1 2 变形温度对变形抗力的影响4 4 5 1 3 变形速率对变形抗力的影响4 5 5 1 4 变形程度对变形抗力的影响4 7 5 i 5 建立变形抗力模型4 8 5 2 热轧过程中的有限元模拟5 0 5 2 1 单元类型和材料特性5 0 5 2 2 几何模型5 l 5 2 3 网格划分5 l 5 2 4 加载时间和约束条件5 2 5 2 5 模拟结果与分析5 2 5 3 本章小结5 4 第6 章结论5 5 参考文献5 6 致谢5 8 的合金元素还有n i 、m o 、t i 、n b 、c u 、n 等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的 要求【2 1 。 不锈钢按热处理后的显微组织通常可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不 锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢以及沉淀硬化型不锈钢【3 训。其中奥氏体不锈钢自从 1 9 1 3 年在德国问世以来，在不锈钢中一直扮演着最重要的角色，其生产量和使用量约 占不锈钢总产量及用量的8 0 9 0 【5 】。钢号也是最多的，当今我国常用奥氏体不锈钢 的牌号就有4 0 多个，最常见的就是1 8 8 型。 奥氏体铬镍不锈钢【6 】包括著名的18 c r - 8 n i 钢和在此基础上改变c r 、n i 含量并加入 m o 、c u 、s i 、n b 、t i 等元素发展起来的c r - n i 系列钢，以及用m n 、n 部分或全部代 替n i 的c r - n i m n ，c r - n i m n n ，c r - m n n 系列钢。 奥氏体不锈钢，是常温下具有奥氏体组织的不锈钢【7 1 。3 0 4 3 1 6 铬镍不锈钢在室温下 具有稳定的奥氏体组织。其中，3 0 4 含c r 为1 7 1 9 ，n i 为8 - - 1 1 ，c 小于0 0 7 ； 3 1 6 比3 0 4 多添加了m o 元素，含c r 为1 6 - - 一1 8 ，n i 为1 0 1 4 ，c 小于0 0 8 ， 含m o 约为2 ；3 1 6 l 比3 1 6 有更严格的碳含量要求，含c 小于0 0 3 。 c r 是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，钢中含铬量愈高，抗腐蚀性能就愈强。此 外，c r 对钢的机械性能和工艺性能也能起到很好的强化作用【8 】。n i 是奥氏体形成元素， 在不锈钢中增加n i 可以形成奥氏体晶体结构，从而有改善诸如可塑性、可焊接性和韧 性等性能的作用。c 在不锈钢中具有两重性：方面，不锈钢的强度因含碳量的增加而 提高；另方面，由于c 和c r 的亲和力很大，与c r 形成系列的碳化物，造成钢的 耐腐蚀性能降低了，在焊接后会出现敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。m o 的作用主要 是提高钢在还原性介质的耐蚀性，并提高钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等性能【9 1 。 奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强 化，仅能通过冷加工进行强化。如加入s ，c a ，s e ，t e 等元素，则具有良好的易切削 缺点，在反应堆上使用时必须设法避免产生应力腐蚀造成破裂。 另外，奥氏体不锈钢在热中子堆中其辐照性能变化很小，但作为快中子堆燃料的包 壳材料，经受到快中子注量达一定值时，会出现体积肿胀问题。同时当燃料包壳工作温 度过高，材料也会发生脆化现象，因此，奥氏体不锈钢一般不作燃料包壳材料。 1 3 奥氏体型不锈钢的热物性参数 对奥氏体不锈钢加热过程进行模拟分析时，材料参数的输入是必不可少，而且材料 参数的准确性是模拟结果准确性的前提条件。本文为了计算的精确性，模拟所需的参数 都考虑了温度变化的影响。这里主要材料参数有弹性模量、线膨胀系数、比热容和热传 导系数。 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量。工 程上，弹性模量是材料刚度的量度，可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其 值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，或在一定应力作用 下，发生弹性变形越小【1 3 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在常温下奥氏体不锈钢与碳钢的弹性模量相差不多，都在2 0 0 g p a 左右【1 4 1 ，而且钢 的弹性模量一般都是随温度升高而下降的。奥氏体不锈钢在加热过程中，板坯受热发生 膨胀，在弹性变形区内，板坯的弹性模量越大，膨胀时产生的应力也就越大。 线膨胀系数是指由于外界温度变化时，物体的线性尺寸随温度的变化率。与真线膨 胀系数相比，材料的线膨胀系数一般用平均线膨胀系数表征。对于金属线膨胀系数影响 最直接的最大的因素就是温度，通常随温度升高而增加【l5 1 。而合金元素对钢热膨胀性的 影响迄今尚未发现普遍的规律。就n i 来说，当钢中n i 含量逐步增加时，钢的线膨胀系 数逐渐减小：n i 含量达到3 6 左右时，线膨胀系数为最低值，n i 含量再增加线膨胀系 数又急剧上升。奥氏体不锈钢具有较大的线膨胀系数，比碳钢大约4 0 ，并随着温度的 升高，线膨胀系数的数值也相应地提高。 比热容是单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的能量。固体材料受热引起的 体积膨胀是晶格振动的结果，而晶格振动的加剧也就是原子热运动能量的增大，升高单 位温度的能量的增量也正是热容的定义。所以，很多材料的比热容和热膨胀系数对温度 关系的两条曲线变化趋势相同。 导热系数的大小代表着材料导热能力的强弱，导热系数的数值取决于物质的种类和 温度等因素。与电的传导一样，钢的热传导也是靠自由电子来进行的【1 6 】，非合金钢的导 热系数一般随含碳量的增加和温度的升高而降低，大约在8 5 0 左右降到最低，然后又 随温度升高而稍有提高。与非合金钢相反，奥氏体铬镍不锈钢的导热系数随着温度的升 高而增大。 在合金钢中，由于溶入固溶体的合金元素破坏了晶体点阵结构和其中势能体系的规 律，增加了电子运动的阻力，使电子难以顺禾i j 通过，这就必然会降低钢的导热系数。所 以一般合金钢的导热性能比非合金钢差，而且合金含量越高导热性能越差【1 7 】。奥氏体不 锈钢的合金含量非常高，合金元素c r 和n i 在奥氏体不锈钢中在的总含量就已经超过了 四分之一，因此导热系数很低，大约只是碳钢的三分之一【1 8 1 。所以，奥氏体不锈钢的加 热过程需要制定具有针对性的工艺制度，避免在加热过程中出现开裂现象。 1 4 数值模拟 数值解法是以离散数学为基础的一种求解方法，它通过求解有限个离散点上的数值 来近似代表所研究区域内连续的数值分布。通过数值模拟可以近似求解不锈钢生产过程 中板坯的温度场和应力应变场分布。目前，数值解法通常用包括有限元法和有限差分法 等方法。 移 矗 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 传统上经常应用的数值模拟方法是有限差分法。这种方法通常是借助泰勒级数展开 式将问题的基本方程离散成代数方程组，在求解区域网格各节点处用差商近似代替微 商，使微分方程转化为差分方程，使问题得到逐点近似【1 9 】。在二十世纪五十年代，有限 差分法开始应用于金属传热问题的研究之中。s a d a n t 等【2 0 】应用有限差分法对钢锭的温 度场进行了分析。 随着计算机技术的不断发展，速度快、容量大的计算机相继产生【2 1 1 。数值分析方法 中的另一种主要方法一有限单元法，开始逐步应用于金属传热、变形及应力分析等问 题的研究。有限单元法的基本思想是将连续的求解域离散为一组有限个数的、按一定方 式相互联结在一起的单元组合体，对每一单元假定一个合适的较简单的近似解，然后推 导这个域总的满足条件，从而得到问题的解【2 2 1 。由于单元能按不同的联结方式进行组合， 且单元本身又可以有不同的形状，因此可以使几何形状复杂的求解区域模型化，而且计 算精度高。但这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被简单的条件所代替。 从二十世纪七十年代开始，科研工作者开始应用有限单元法研究传热问题。s o l i m a n 等【2 3 1 应用有限元法研究了复杂形状钢锭的传热问题。c o m i n i 等【2 4 】在传热问题的有限元 法分析中研究了相变问题，并且考虑了与温度有关的材料热物性参数以及复杂的辐射对 流边界条件。r e b l o 等人进行了非稳态过程的热力耦合计算，分析了拉拔、挤压、轧制 等工艺过程【2 5 】。 由于有限元法具有求解复杂，计算数据量大，需要较大的计算机存储容量等特点， 通常应用于变形、应力分析、耦合场分析等复杂问题的求解，而对于一般传热问题，如 温度场分布，仍采用有限差分法计算。 1 5 课题意义 目前，国内对核电发展的认识逐渐统一。国家首次明确核电在国家能源结构中的战 略地位，确定了“积极推进核电建设”的方针，为核电发展指明了方向。国务院批准发布 的核电中长期发展规划( 2 0 0 5 2 0 2 0 ) ) ) ，明确到2 0 2 0 年，我国核电运行装机容量达到 4 0 0 0 万千瓦、在建1 8 0 0 万千瓦的发展目标。核电占全部电力装机容量的比重将从现在 不到2 提高到4 ，我国核电进入到批量化规模发展的新阶段。 未来中国发展电力能源的主要途径是核电。而2 0 0 5 年我国仅有9 台核电机组正在 运行，总装机容量为6 8 4 6 万千瓦，核电占中国电力装机容量的比重只有1 左右，而 世界平均比例是1 6 。至2 0 2 0 年中国还将新建3 0 4 0 个反应堆，即未来5 - 1 0 年核电 业对不锈钢的需求量将达到4 6 万吨。因此，发展核电成为中国未来电力建设的重中 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 之重。 然而长期以来，国内核电建设基本参照法国技术标准执行，其所需不锈钢材料按照 法国核电标准直接从法国进口。因此，与企业合作，建立相应的研究课题，对相关的不 锈钢生产加热、轧制等工艺进行系统研究，才能高效生产不锈钢板。 2 0 0 6 年初，岭澳核电二期项目的指定备件生产商上海电气集团公司下属上海动 力设备厂招标其产品的不锈钢原料，其招标的部件主要是常规岛中的二回路系统。最终 宝钢成为不锈钢供应商。产品以中厚板为主，牌号以3 0 4 1 3 1 6 l 为主，生产途径主要是 由不锈钢分公司提供板坯，浦钢公司加工成不锈钢中厚板，经过一年的努力，已向动力 设备供应核二、三级板1 0 0 0 余吨。经过业主的使用反馈，宝钢不锈钢产品的实物质量 及技术性能达到甚至超过世界一流企业的同类产品，一举确立了宝钢成为核电不锈钢材 料合格供应商的地位。 按照宝钢集团公司要求，在浦钢罗泾4 2 0 0 m m 厚板轧机投产前，需宝钢分公司厚板 厂在0 7 年四季度开始至0 8 年上半年生产4 套c p r l 0 0 0 压水堆堆内构件用不锈钢中厚 板，要求核一级，同时要生产目前浦钢厚板厂生产的核二级中厚板。而分公司厚板厂现 有的产品大纲无不锈钢产品，无不锈钢生产经验，相关的不锈钢生产加热、轧制、矫直 工艺等需要进行系统研究，才能高效生产不锈钢板。为此建立的相关研究课题，依靠集 团公司的力量开展技术研究，将对宝钢分公司3 0 4 3 1 6 l 不锈钢中厚板生产和研究工作 起到推动作用。 1 6 课题内容 在上述课题背景下，本课题将以3 0 4 3 1 6 不锈钢的实际加热和热轧过程为研究对象， 以物理冶金理论和热力学、动力学为基础，以模型化和模拟仿真为手段，建立和描述在 加热和热轧过程中不锈钢中厚板的数学模型，以实现对金属内部温度场和应力应变场的 模拟。其中主要研究内容包括： 1 测定和总结3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的热物理参数，主要包括不同温度条件下的热传 导系数、不同温度区间的热膨胀系数和热容，为3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢中厚板加热过程中 的模拟研究提供数学参数。 2 建立中厚板加热过程中温度变化规律的数值计算模型，提交模拟计算结果，并 研究改变加热工艺参数造成的影响，其中包括不同加热时间对温度变化规律的影响，不 同入炉温度对加热温度的影响，不同板坯尺寸对均热时间的影响，以及走钢温度对均热 时间的影响等。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 利用a n s y s 软件，建立加热过程中热应力耦合场模型，研究瞬时温度场的变化 规律，描述在加热过程中由于内部温差造成的热应力分布情况，并分析热应力随工艺参 数变化的规律，包括不同炉温和不同初始入炉温度对热应力的影响。 4 获取3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的变形抗力模型，以及弹性模量等高温物理参数，以热 轧中厚板的实际生产过程为计算条件，考虑空冷、除鳞水冷却、接触传热等热损失过程， 以及轧制过程的变形热、摩擦热，利用有限差分方法建立不锈钢的瞬态温度场模型，计 算热轧过程中板坯的横截面温度场，得到不锈钢板坯在整个轧制过程中内部温度随时间 的变化规律。 5 应用l s d y n a 软件，建立轧制过程中的动态模型，得到不锈钢在热轧过程中 瞬时的应力场和应变场，并计算轧制力。 东北大学硕士学位论文 第2 章热物性测试 第2 章热物性测试 2 1 不同温度下的屈服强度和抗拉强度 通过高温拉伸实验，得到3 0 4 和3 1 6 l 奥氏体不锈钢2 0 0 8 0 0 的屈服强度和抗拉 强度，为热轧后不锈钢的热矫直工艺提供强度参数。 实验材料为宝钢提供的3 0 4 和3 1 6 l 中厚板，根据g b t 4 3 3 8 1 9 9 5 标准加工成高温 拉伸试样。采用s a n s 微机控制电子万能试验机做拉伸实验。实验安装好后，采用的是 三段式自动控温高温炉对试样进行加热，当中部温度达到设定值后，保温1 0 r a i n ，待温 度均匀后，以3 m r n m i n 的速度拉伸试样。图2 1 为3 0 4 不锈钢在5 0 0 下的应力一应变 曲线。 从图2 1 中可以看出，应力一应变曲线上没有明显的屈服点，因此采用仃。上作为屈 服强度值。首先作一条直线与应力一应变曲线上的弹性段重合，然后在x 轴上增加0 0 0 2 真应变的位置作一条平行于这条直线的平行线，与应力一应变曲线的交点强度值即为 瓯2 。抗拉强度则为应力一应变曲线上的峰值应力。 富 正 乏 r 邂 应变 图2 13 0 4 在5 0 0 c 下的拉伸曲线 f i g 2 1t h ec u r v eo f3 0 4t e n s i o na t5 0 0 第2 章热物性测试 图2 23 0 4 和3 1 6 l 的屈服强度随温度变化曲线 f i g 2 2y i e l ds t r e n g t h - t e m p e r a t u r ec u r v e so f3 0 4a n d316 l 图2 33 0 4 和31 6 l 的抗拉强度随温度变化曲线 f i g 2 3t e n s i l es t r e n g t h - t e m p e r a t u r ec u r v e so f3 0 4a n d 316 l 图2 2 和2 3 分别是3 0 4 和3 1 6 l 在不同温度下屈服强度和抗拉强度的曲线。从图中 可以看出，随着温度增加，3 0 4 和3 1 6 l 的屈服强度和抗力强度都是单调减少的。3 0 4 和3 1 6 l 的屈服强度降低幅度都较小，从2 0 0 。c 升至8 0 0 ，分别降低4 3 和4 5 ，而 抗拉强度分别降低6 4 和6 3 ，可见温度对抗拉强度的影响更大。当温度超过5 0 0 。c 后， 抗拉强度降低速度加快，呈线性降低。 根据实验测定的参数，对宝钢分公司不锈钢l 2 热矫直机模型用热屈服强度曲线进 行了修改。参数修改前，热矫直工艺后有少量钢板需要追加冷矫，冷矫率 1 。现场 实施后，热矫直后无钢板追加冷矫，使得3 0 4 和3 1 6 l 厚板的冷矫率降为零。 2 2 不同温度区间的线性膨胀系数 试样的尺寸为矽8 x1 0 m m ，温度由程序控制。测试样品在受力的情况下，通过高分 辨率高准确度的光电位移传感器自动测量其线性膨胀( 收缩) 系数同温度时间的函数关 uz o o4 0 0u 0 08 0 01 d 0 01 2 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 温度( ) 温度( ) 图2 43 0 4 和31 6 l 的热膨胀量随温度变化曲线 f i g 2 4t h e r m a le x p a n s i o n t e m p e r a t u r ec b i w e so f3 0 4 a n d316 l 根据线性热膨胀系数的定义：单位温度改变下长度的增加量与原始长度的比值： i f , = 址( z , o a r )( 2 1 ) 式中，厉代表平均线膨胀系数；缸为温度变化；r 为试样的线性热膨胀量；厶为 试样的原始长度。根据式( 2 1 ) ，可以确定不同温度区间的平均线性热膨胀系数。本文计 算出部分温度区间的3 0 4 和3 1 6 l 线性热膨胀系数( 见表2 1 和表2 2 ) 。根据实际工作 需要，也可根据式( 2 1 ) 计算实验温度范围内其它温度区间的线性膨胀系数。 表2 13 0 4 不同温度区间的线膨胀系数1 0 。6 k - 1 t a b l e2 13 0 4l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n t si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r er e g i o n s 1 06 k _ 1 表2 23 1 6 l 不同温度区间的线膨胀系数，1 0 k 1 t a b l e2 231 6 ll i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r er e g i o n s ，1 0 6 k - 1 2 3 不同温度的弹性模量 测定弹性模量的试样尺寸与高温拉伸实验尺寸样，按照g b t 4 3 3 8 2 0 0 6 标准测 东北大学硕士学位论文 第2 章热物性测试 得高温下弹性模量见表2 3 。3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的弹性模量数值都随温度升高而减小， 减小幅度不大。相同温度下，3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的弹性模量相差不大，几乎相等。 表2 3 不同温度下的弹性模量，g p a t a b l e 2 3e l a s t i cm o d u l u sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，g p a 温度( ) 2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 e 3 0 4 1 9 91 9 61 8 71 8 11 7 11 6 11 5 21 4 31 3 0 e 3 1 6 l 1 9 91 9 81 8 91 8 11 7 21 6 31 5 51 4 61 3 6 2 4 不同温度的热传导系数和比热容 不同温度下的热传导系数及比热容测试拟合曲线见图2 5 。3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的 热传导系数都随温度升高呈线性增加，3 0 4 的热传导系数要高于3 1 6 l ，并且随温度变 化更快。说明在高温下，3 0 4 不锈钢内部的导热能力要快于3 1 6 l 。 3 0 4 和3 1 6 l 不锈钢的比热容都随温度升高而增加，3 1 6 l 的比热要更比同温下的 3 0 4 要高。在相同的导热条件下，3 0 4 不锈钢升温要快于3 1 6 l 。 帅 8 一 ， 。 ， ， 一。一3 1 6 l 一3 0 4 鬻 量。 羹s 筮 。 。乒扣一q 1 6 。 一3 0 4 3 拿 点衢 甜 鐾z 。 壤，5 1 0 棚：高志淼 高1 盏1 嘉1 荔 - 2 0 0o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 温度( ) m 童( x 2 ) 图2 53 0 4 和3 1 6 l 的热传导率和比热容 f i g 2 5t h e r m a lc o n d u c t i v i t i e sa n ds p e i f i ch e a t so f3 0 4a n d316 l 2 5 本章小结 本章采用高温拉伸、热膨胀等办法，测得了3 0 4 和3 1 6 l 在不同温度下的屈服强 度、抗拉强度、弹性模量、热传导系数和比热容，这些参数将为数值模拟提供数据。 并且宝钢实际生产应用测得的参数，对不锈钢热矫直机模型用热屈服强度曲线进行了 修改，使得3 0 4 和3 1 6 l 厚板的冷矫率降为零。 t 东北大学硕士学位论文第3 章3 0 4 3 1 6 中厚板加热和热轧过程中的温度场计算 第3 章3 0 4 3 16 中厚板加热和热轧过程中 温度场的计算 温度变化是研究加热和热轧工艺的重要内容之一。对于加热过程来说，温度场的变 化影响板坯内温度应力的大小和分布。制定合理的加热工艺，为热轧提供优质的热轧坯， 是获得高质量成品的前提。对于热轧过程来说，温度不仅影响金属内部的应力、应变， 而且还与轧件内部微观组织结构的变化有着极为密切的关系【2 6 】。 本文以奥氏体不锈钢中厚板的实际生产过程为计算条件，加热过程考虑热传导、辐 射换热、对流换热；热轧过程考虑空冷、除鳞水冷却、接触传热、道次间冷却等热损失 过程，以及轧制过程的变形热、摩擦热等，利用有限差分方法建立板坯瞬态温度场模型， 计算从加热至热轧的板坯横截面温度场，得到板坯在加热和整个轧制过程中内部温度随 时间的变化规律。 3 1 传热学的模型 按物体温度是否随时间变化，凡是物体中各点温度不随时间改变的热传递过程均称 为稳态热传递过程，反之则称为非稳态热传递过程。各种物体在持续不变的运行工作状 态下经历的热传递过程属于稳态过程，而物体在加热、冷却、熔化和凝固情况下经历的 热传递过程则为非稳态的过程。 板坯在加热和热轧过程实际上是非稳态导热过程，而且在热轧过程中还有内热源 的，轧件温度是时间和空间的函数。 眈 c b ( 1 ，1 1 )( m 1 1 ) h 吾l ( 1 ，1 ) d x ( i i l ，1 ) d a 图3 1 板坯横截面网格划分示意图 f i g 3 1d i s c r e t i z a t i o no fs l a bc r o s s - s e c t i o nw i t l lr e c t a n g u l a rg r i d s 东北大学硕士学位论文第3 章3 0 4 3 1 6 中厚板加热和热轧过程中的温度场计算 假设轧件对称，可在轧件的二分之一截面上划分单元。单元划分如图3 1 所示，其 中b 为板坯宽度，h 为板坯厚度，对称轴a b 为绝热边界。如用i 表示x 方向的坐标位 置，用，表示y 方向的坐标位置，i m ，j 刀，则在x 方向上，x i + a x = x i + l ；在y 方 向上，y j + y = y j + l ，节点( x i ，y j ) 的温度可表示为t ( i ，j ) 的形式，简写成t i 。j 。 本文研究加热和热轧过程二维非稳态导热问题 2 7 1 ，板坯内部导热的数学描述为： i 去( 罢) + 旦sf ，t 塑囝v ) 1 j i + 鲁= 吉署 c 3 m 3 2 初始条件和边界条件 一般来说，非稳态导热问题的定解条件有两个方面：给出初始时刻温度分布即初始 条件，以及给出物体边界条件上的温度或换热情况即边界条件。导热微分方程式连同初 始条件和边界条件才能够完整地描述一个具体的导热问题。 对非稳态导热，在所研究的范围内常用的初始条件可设为： t ( x ，y ，z ，t = o ) = t o ( x ，y ，z ) ( 3 2 ) 这里，t o 表示在t = 0 时的温度分布状态。 研究加热和热轧问题的温度场时通常会遇到以下几种边界面： 1 ) 对称面：假设几何对称面的两侧温度分布也对称，在对称面上没有热量交换，故 可以认为对称面上的边界条件规定了热流密度值，且热流密度值为0 。 2 ) 自由表面：板坯的自由表面通过辐射和对流与外界进行热交换。 3 ) 轧件与轧辊的接触面：热轧时轧件与轧辊的温差很大，轧制过程中在接触面上发 生热量交换，此为热流连续、温度不连续的热阻问题。 由上述可见，自由表面和接触面都可归为第三类边界条件，即规定了边界上物体与 周围流体间的换热系数h 及其周围流体的温度l ，可表示为： 一九( 罢l 。+ 罢l y + 瓦f i rl ：) “( t l ) ( 3 3 ) 3 3 加热炉传热分析及模型假设 参与热交换过程的物质有三种：高温气体、炉壁和被加热金属，它们之间相互进行 辐射热交换，同时炉气还可以以对流给热的方式向炉膛壁和金属传热，炉壁又将以热辐 射的方式向金属传热【2 8 1 。 在加热过程中，对炉内钢坯传热计算的原则有两方面：一是炉膛内传热方式主要是 东北大学硕士学位论文第3 章3 0 4 3 1 6 中厚板加热和热轧过程中的温度场计算 对流传热和辐射传热，采用辐射定律和对流定律；二是在钢坯内部为热传导，采用热传 导定律【2 9 1 。 通过对炉内传热的分析可见，炉内钢坯加热过程的机理相当复杂，为了建立钢坯加 热过程数学模型，并力求模型的简单和精确，在经验和理论的基础上，做了如下假设【3 0 】： 1 ) 炉气温度沿长方向分线性段分布，沿宽度方向温度均匀一致。 2 ) 钢坯内部热传导仅仅在钢坯厚度方向发生，钢坯沿炉子宽度方向上的温度认为是 均匀的。钢坯传热断头效应不计，双排料时位于炉长方向同一位置的两块钢坯热状态视 为相同。 3 ) 加热炉分段考虑，同一段内传热特性参数均匀、温度不变。 4 ) 不考虑钢坯氧化对传热的影响。 5 ) 推钢过程为一瞬间过程，忽略推钢时间。 3 4 加热炉内的温度场计算 3 4 1 物理参数 在温度场的计算中，必须知道轧件的各项物理参数包括轧件密度p 、导热系数九以 及比热c 等。对轧件密度p 而言，温度的影响不太明显。根据不锈钢实用手册，3 0 4 和 3 1 6 l 的密度在本文计算中分别取7 8 5 x1 0 3 k g m 3