不锈钢板热处理过程温度测定及模拟计算

第24卷 第 4期 2 0 0 2年 7月 上 海 金 属 SHANGHAI METALS V01．24．N0．4 37 July．2 0 0 2 不锈钢板热处理过程温度测定及模拟计算 孙文强 林大为 戴一一 屠挺生 沈黎晨 陶成龙 (上海大学 ．200072) (I 海浦钢 (集团)有限公 司) 【摘要】 根据不锈钢板热处理过程的温度变化测定，考察了钢板头部横向和厚度方向 的温度差别 ，采用有限元 法拟合计算 了炉内热交换参数 ，模拟计算 了不同厚度的钢板升温至 固溶 温度所 需 时 间? 【关键词】 不锈钢板 热处理 温度测定 有限元法 温度模拟 M EASURING AND M oDELING oF TEM PERATURE EVoLUTIoN oF STAINLESS STEEL PLATE DURING HEAT TREAT Ⅱ NT Sun Wenqiang Lin Dawei Dai Yiyi Tu Tingsheng (Shanghai University) Shen Lichen Tao Chenglong (Shanghai Pudong Steel(Group)Co．，Ltd．) 【Abstract】 The temperature diffeIlences a1。ng the transver．se and thickness direeti。ns。f the plate head were inspected according to measured temperature variation of stainless steel plate during heat treatment． The required times to heat the plates with different thicknesses to the solution point were predicted through fitting calculation of heat exchange parameters in furnace with FEM． 【Key Words】 Stain1ess Steel Plate，Heat Treatment，Temperature Measuring，FEM， Temperature Modeling 1 前 言 为满足市场需求和提高经济效益 ，浦钢公司 厚板厂不锈钢板的产品比例正逐年增加，但按 目 前的生产条件和工艺 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ，用于不锈钢板固溶处 理的热处理炉的能力较为薄弱 ，成了主要制约因 素。为了考察热处理过程中钢板温度与炉膛温度 的关系，为改进热处理工艺 ，提高热处理能力提 供依据 ，首先对一定厚度的不锈钢板的热处理过 程进行 了一次温度实测 ，然后根据实测数据和对 炉 内热交换参数进行拟合计算 。在此基础上对不 同厚度钢板在热处理过程的温度变化进行模拟计 算 ，确定了加热至固溶温度所需的升温时间，为 合理制定热处理工艺提供了依据 。 2 温度实测试验 2．1 试 验 方 法 用于不锈钢板 固溶处理的热处理炉是四段式 上加热步进梁式煤气加热炉，一般双排进钢。要 测定钢板在热处理过程的温度变化一般都需在钢 板中埋设热电偶。考虑到钢板在第四段 (即最高 炉温段)停留时，钢板头部 由于接近炉头出口会 使板温偏低 ，因此热电偶主要布置在试验钢板的 头部 。为了考察炉膛中部和边部位置的钢板温度 的差别，在试验钢板头部两侧都布置了热电偶。 为了考虑察钢板厚度方 向温度分布，在测温处埋 38 上 海 金 属 第24卷 了不同深度的铠装 热电偶丝 (见图 1a)。另外 ， 为了测定下炉气温度 ，还在钢板上钻 了透孔 ，布 送 一 (a)测板温 图 1 炉瞳边缘 —_’J I 置了如图 lb所示 的热 电偶。试验钢板头部热电 偶的布置位置见图 2。 热 电偶丝 0 +24 (b)测炉气 测温 热 电偶 的纵 向安置 图 2 测 温热 电偶 的平 面位 置 在钢板的头部边缘一侧布置了三个 5／6板厚 深的热电偶 a(2)(见图 2)，目的是为了考察钢 板与步进梁接触或不接触处的温度情况。三个 a (2)热电偶里中间一个的位置处于分属 A、B组 的两个步进梁的中间 ，因此始终是不与步进梁接 触的，另外两个热 电偶位置则分 别可能与 A组 或 B组的步进梁接触。 对于埋设在炉内移动的加热件的热电偶 ，现 已有集采样与储存功能于一体的 “黑匣子”的方 法来记录测温信号。但由于厚板厂加热炉的炉口 高度尺寸过小，因此只能将测温信号用一组相互 绝缘的 引 出线 引 出 炉外 。测 量 钢 板 温 度 采 用 4,4lnln的镍铬一镍硅铠装丝热电偶 ，测量下炉气温 度的热电偶是用 中1．5mm 的镍铬一镍硅 丝直接焊 成。测温仪是 XMD数字智能巡 检仪，两点的切 换时间为 5s。 试验中还同~,JiE录了热处理炉原有的四个炉 段上部的热电偶的温度数据以此确定钢板加热时 的上炉气温度。 2．2 试验 结果 试验钢板 为 1Grl8Ni9Ti不锈钢 板，尺寸 为 60 X 1900 X 6500mm 。试验中除了头部埋设热电 偶的试验钢板外，还用了三块厚度一样 、尺寸相 仿的辅助试验钢板 ，这 四块钢板分成两组双排进 钢。试验钢板放在第一组的一侧。进炉后开始加 热时 ，第一组停 在热处理炉 的第 二段 ，第 二组 (两快辅助试验钢板)在第一段。在此情况下加 热约 3h后 ，将两组钢板 同时 向前移动 ，使第一 组钢板停在第 四段 ，而第二组钢板停在第三段 ， 此后又加热了 50min，热电偶反映的钢板温度都 已达 1000 c【=以上，因此随即将钢板依次移出炉 外。 试验钢板两侧 (相 当于炉膛中部和边部)上 下炉气和测温点的温度 (T)随时间 (t)的变化 见图 3。除了开始加热阶段外，上炉气温度都高 于钢板上 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面温度 ，而下炉气温度低于钢板下表 面温度。因此在高温阶段 ，整个钢板厚度方向以 下表面的温度为最低。 从图 3还可看 出，钢板 边部一侧 的三个 a (2)热电偶的温度差别并不很大 ，这说明与步进 梁接触与否对钢板的温度影响不大。 第4期 孙 文强等 ：不锈钢板热处理过程温度测定及模拟计算 39 图 3 钢板 与炉 气温度 与 时 间的关 系 钢板两侧下炉气温度的比较见 图 4。从 图 4 可知，钢板进入第四段后，边部的下炉气温度比 中部的下炉气温度要高。这是由于炉气在炉子宽 度方向的流动路径是由钢板上部从 中心向边缘 、 然后经钢板侧面顺炉墙向下 ，再 由钢板下部从边 缘向中心流动的。因此靠近炉墙的钢板边部的下 表面升温速度较快。换而言之，钢板中部一侧下 表面要达到一定 的加热温度 ，要求 的加热时间最 长 图4 炉膛 中部和边部下炉气温度的比较 3 温度模拟计算 3 l 炉内热交换参数的拟合计算 钢板在炉内加热，热交换过程相当复杂，往 往辐射 、对流 、传导传热同时发生 ，其中辐射传 热是最主要的。据文献 [1]，炉内的辐射传热， 可用一个相当的热交换系数 c 来等效。因而辐 射传热量可用下式表示 ： q=Ca[【 卜 【 ] ] (1) 式中：T ，T 一炉气和钢板的摄氏温度 ； c 一 相当热交换系数。 c 又可表示为：C =d∈ (2) 式中 一波尔兹曼常数 ∈ 一导出黑度 由 (1) (2)式可知，要拟合计算炉 内的热 交换参数 ，对于辐射传热就是要确定钢板上下表 面的导 出黑度 ∈ 另外 ，作 为次要 的热交换形 式，还要确定钢板上下表面的对流换热系数 h 。 拟合计算 的方法 是采用 Ansys有 限元 软件， 对实测的 60ram厚的钢板在加热过程的两个测温 部位的温度分别进行模拟计算。计算中设定不同 的导出黑度和对流换 热系数 ，以使计算值与实测 值相吻合 ，来确定上述的热交换参数。 钢板在炉内加 热是一个三维瞬态传热过程， 但由于钢板的纵向温度梯度仅为 0．03℃／mm，横 向的温度分布按实测值 估计也只有 0．Ol ／mm， 而厚度方 向上的温度梯度，按实测值计算高温阶 段可达 0．25℃／mm。因此可将钢板的加热过程视 为一维的瞬态传热问题。由于如上所述 ，与步进 梁接触与否对钢板温度分布影响不大 ，因此可进 一 步将钢板下表面也视为辐射传热和对流传热边 界 。 模拟计算 中，首先建立一个一维传热模型 ， 并参考文献 [2]将导出黑度和对流换热系数初 始设定为 0、6和 20W／m ℃，按文献 [3]输入 1Crl8Ni9Ti相应的随温度变化 的热物性参数 (导 热系数 ，比热等 )。然后 ，以开始加热后 14000s 时的实测值为主要拟合 目标 ，并兼顾整个加热过 40 上 海 金 属 第24卷 程其它时刻的温度实测值 ，经过反复多次的试算 得到钢板两侧的热交换参数见表 l。 表 1 钢板两侧的热交换系数 位 髓 导出黑 度∈ 对流换热系数 h ／w／m c} 部 表面 0 6 (T ≤800％；) 2O 0 6+0 O014(T 一800)(T >800℃) c{ 部下表面 0．52 20 0 6 (T ≤800％；) 边部 f：表面 2O 0 6+0 0003(T 一800)(T >800℃) 边部下表面 0．32 2O 表 l显示 ，钢板 的上表面 比下表面 热交换 强 ，而中部的比边部的热交换强。按表 l的热交 换参数，对钢板两侧的加热过程进行模拟计算得 到的加热 14000s时的厚度上的温度 分布 的计算 和实测值的比较见图 5。此时上下表面的温度差 约为 22～27 c【二。而计 算值 和实测值 的差别小 于 3℃ 图5 温度计算算和实测值的比较 3．2 不同厚度钢板升温至一定固溶 温度 的时间 计算 按文 献 [4]，推 荐 的 固 溶 温度 为 1000～ l 100℃。考虑厚 板厂热 处理 炉的实 际工况 ，以 1000cc为计算时考虑的固溶温度。 根据上述方法可以算得试验钢板中部和边部 下表面在第 四段升温 至 1000℃所需要 的升 温时 间分别为 58．3min和 46．7min。由于钢板中部一 侧要求的升温时间较长，因此就按照试验钢板 中 部上下炉气的温度条件来计算不同厚度钢板进人 加热炉第 四段后下表 面升 温至 1000℃要求 的升 温时间。计算所得四种钢板厚度的升温时间见 表 2。 表 2 不同钢板厚度的升温时间 板厚 、H／mm 5t·温时间 ．ts／min 60 40 3O 20 58 3 43．3 33．3 26．7 将 四种钢板厚度及其对应的升温时间进行一 元线性回归分析 ，可得如下 回归式 ： t =10．27+0．80H (3) (3)式的显著性水 平为 0．0l，即此 式 的可 靠度为 99％，相应的散点图及 回归直线见图 6。 图6 钢板厚度与升温时间的关系 根据 (3)式 可算 出不 同厚 度 钢板 升 温 至 1000℃固溶温度所需的时问。再加上一定的固溶 时间，即可得钢钢板在炉内所需的停留时问 ，这 就为合理制定热处理工艺提供了依据。 4 结 论 (1)钢板在热处 理过 程 中，除了开始 升温 时 ，大部分时 问热 量是从上表 面向下表面传输 的，因此高温时下表面在整个钢板厚度上温度最 低 。 ㈣ ㈣ 第4期 孙文强等 ：不锈钢板热处理过程温度测定及模拟计算 (2)由于钢板 中部比边部一侧的下表面炉气 温度低，因此钢板中部下表面在加热过程 中温度 最低 ，是决定升温时间的主要依据。 (3)拟合计算得到的炉内热交换参数显示， 钢板上表面热交换比下表面强 ，而中部的热交换 又比边部强，按这些热交换参数算得的试验钢板 中部和边部的温度变化与实测情况基本一致。 (4)按试验钢板中部一侧的上下炉气条件对 60mm、40mm、30mm、20mm厚 的钢板 分 别进 行 模拟计 算 ，可得 相应 的 升 温 时 间 为 58．3rain、 43．3min、33．3min和 26．7min。 (5)不 同厚度钢板 升温至 1000cC固溶温度 所需的时间可用 t =10．27+0．80H式计算。 参 考 文 献 [1]刘人达．冶金炉热工基础．北京：冶金 L业出版社 1980． O7 [2]日本钢铁协会．板带轧制理论与实践 北京：中固铁道出 版社 1990 12 [3]谭真等．工程合金热物性．北京：冶金工业出版社 1994 O9 [4]F _布赖恩．钢的组织与性能．北京：科学出版社 1999 o6 收稿 日期 ：2001—10—1 1 V V V V V V V V V V 、／ V V V V V V 、 ／ V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V (上接第 13页) 参 考 文 献 [1]何忠治编著 电工钢 冶金工业出版社，1996 [2]黑崎洋介．高磁束密度一方向性电磁钢板 制造方法．特 开平 6．184640 [3] 川康之等．磁气特性 良好 方向性f于¨素钢板的制造 方法 持开平 8．41543 [4]定厂 健一等．品质特性 安定 L 方向性电磁钢板 制造 方法 ．特开平 10．195535 [5]小板原道朗等．极幻 铁损 低0、高磁束密度方向性电磁 钢板 制造方 法．特 开平 10．140243 (上接第 24页) [7]宋维锡 金属学．北京：冶金工业出版社 1980，478 [8]z．A．Munir Synthesis of high temperature materials by self— propagating combustion methods． Ceramic Bulletin． 1988， 67 (2)：342～349 l9 J R．M MeMeeking，A． G Evans．Mechanics of transformat [6]黑尺光iF等．磁束密度力 高<铁损加极幻 低0、方向性 电 磁钢板 制造方法 ．特开平 11．117022 [7]尾崎大介等．电磁钢板 冷问压延方法 特开平3-39417 [8]北村邦雄等 硅素钢板 冷问压延 |二 f于为耳割扎防止方 法 特开 平 5-78741 [9]北村邦雄等．硅素钢板 冷问压延 |二 f于为耳割扎防止方 法 特开平 5．76905 [1O]小松原道朗等 ．53 ， 全长 |二扣 Ij磁 气特性 汇优扣 方 向性 c于 、索钢板 制造方法 ．特 开平 8-85825 [11 川又龟太朗等 ．53 ， 长手方向 磁束 密度力 安定 L二极 幻二高0、方向性 电磁钢板 制造方法 ．特开平 l1．50152 收稿 日期 ：2001—05．31 J．Am．Ceram Soc．．1982 [1O 李延凯 ，沈 志坚 ，丁子 上．ZrO：．A1：O 系陶瓷 复合材料力 学性 质．硅 酸盐学报 ．1990，l8(1)：39～46 收稿 日期 ：2002—03—13 V V V V V V V V V V V V V 、， 、， V V 、， 、， V V V V V V V V V V V V V V 、， V V V V V V V V V V V V V 2002年国际金属管件及亚洲线缆展览会和学术交流会将在上海召开 2002年国际金 属管件及亚洲线 缆展览会 和 学术交流会将于 2002年 1 1月 13日～15日在上 海国际展览中心召开 ， 科技人员到时参加。 欢迎有关厂矿企业及广大 日 月 供稿 S a a e h n ，- ～ 帆 2 曲 叭 5