熱物性參數(shù)對鋼加熱過程的影響研究

張獻(xiàn)偉

(武漢鋼鐵股份公司硅鋼事業(yè)部,湖北武漢 430080)

熱物性參數(shù)對鋼加熱過程的影響研究

張獻(xiàn)偉

(武漢鋼鐵股份公司硅鋼事業(yè)部,湖北武漢 430080)

以某特殊鋼和普通20#碳鋼為研究對象,建立鋼坯加熱數(shù)學(xué)模型并采用有限容積法進(jìn)行了離散,模擬計(jì)算了兩種材質(zhì)的板坯在爐內(nèi)加熱過程中的溫度變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明,相同的鋼坯規(guī)格尺寸,相同的加熱制度情況下,此特殊鋼比20#鋼的加熱速度慢,模擬結(jié)果為此特殊鋼加熱工藝的制定和優(yōu)化提供了依據(jù)。

表面熔渣 硅鋼 加熱過程

關(guān)于鋼坯爐內(nèi)加熱過程數(shù)值模擬在國內(nèi)外有大量報(bào)道,但是對于熱物性參數(shù)對鋼加熱規(guī)律的影響還沒有特別報(bào)道。本文建立了鋼坯傳熱模型,模擬計(jì)算了兩種不同熱物性參數(shù)的鋼坯在爐內(nèi)加熱過程中的溫度變化規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 鋼坯數(shù)學(xué)模型

為使模型既簡單又能滿足精度要求,進(jìn)行假設(shè)：①爐膛內(nèi)介質(zhì)溫度分布均勻;②鋼坯只在表面存在熱量交換,即上、下表面,鋼坯表面?zhèn)鳠嵋暂椛浜蛯α鲀煞N方式進(jìn)行;③鋼坯表面的對流換熱以輻射的形式考慮,即采用總括熱吸收率法。④忽略鋼坯密度的變化,鋼坯比熱和導(dǎo)熱系數(shù)是溫度的函數(shù)。

(1) 鋼坯一維傳熱數(shù)學(xué)模型的控制方程

(1)式中,

ρ—鋼坯密度,kg/m3; y—坐標(biāo),m;

c—鋼坯比熱,J/(kg·℃); τ—時(shí)間,s;

λ—W/(m·℃) ; ρ—密度,kg/m3;

qu,qd—上、下表面熱流,W/m2;

圖1 W20和20#導(dǎo)熱系數(shù)對比

圖2 W20和20#比熱對比

圖3 鋼坯網(wǎng)格的劃分

(1) 鋼坯一維傳熱數(shù)學(xué)模型的控制方程

圖4 加熱溫度=1000℃,加熱時(shí)間=100min時(shí)鋼坯表面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5 加熱溫度=1000,加熱時(shí)間=100min時(shí), 鋼坯芯部溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

(2) 鋼坯傳熱邊界條件和初始條件

1.2 鋼的熱物性參數(shù)gt;

圖1和圖2所示為W20和20#鋼導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容隨溫度變化規(guī)律。
由圖可見,W20的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化較20#鋼平緩,而且比熱比20#鋼變化劇烈。從250℃到900℃之間,W20的比熱都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20#鋼。

2 離散方程的建立

鋼坯的網(wǎng)格劃分如圖3所示。式(4)～(8)為鋼坯的幾個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的差分方程。

連鑄坯上、下表面熱流密度按下式計(jì)算。

式中,ρ-鋼坯密度,kg/m3;Δy—鑄坯空間步長,m;c—鋼坯比熱,J/(kg·℃);λ—鋼坯導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃),Φcf—總括熱吸收率,無量綱;Foy—網(wǎng)格傅里葉數(shù),無量綱。

3 數(shù)學(xué)模型數(shù)值計(jì)算及分析

基于無取向硅鋼W20與碳鋼20#鋼的熱物性參數(shù)相差很大,為了能更清楚地了解不同熱物性參數(shù)對加熱速度的影響規(guī)律,有必要進(jìn)行相同加熱工藝條件下不同兩種鋼的數(shù)值模擬。

對加熱溫度=1000℃,加熱時(shí)間=100分鐘,鋼坯厚度=230mm時(shí)的溫度分布變化規(guī)律進(jìn)行模擬。圖4和圖5分別為20#、W20表面溫度和芯部溫度分布變化規(guī)律。

從圖4中可見,在加熱前期W20鋼坯表面溫度升溫速度高于20#鋼,這是由于溫度較低時(shí)20#鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于W20,而其兩者比熱低溫時(shí)相差甚小,因此爐氣傳給20#鋼表面的熱量能夠較快地通過導(dǎo)熱方式傳給鋼坯芯部,造成表面20#鋼表面升溫速度低于W20,W20的表面溫度高于20#鋼。在加熱中期,20#鋼坯表面升溫速度高于W20鋼,這是由于這段溫度區(qū)間內(nèi),兩者導(dǎo)熱系數(shù)相差甚小而W20的比熱急速上升造成W20的升溫速度小于20#鋼。在加熱后期,兩者導(dǎo)熱系數(shù)相差不大,而W20的比熱小于20#鋼,因此兩者升溫速度差不多。綜合兩種鋼鋼坯表面和芯部溫度變化規(guī)律,可見,要達(dá)到一定加熱溫度并保證溫度均勻,W20的加熱時(shí)間要大于20#鋼。

4 結(jié)語

不能忽略熱物性參數(shù)對鋼坯加熱的影響,無取向硅鋼W20與碳鋼20#鋼的熱物性參數(shù)相差很大,為了能更清楚地了解不同熱物性參數(shù)對加熱速度的影響規(guī)律,有必要進(jìn)行相同加熱工藝條件下不同兩種鋼的數(shù)值模擬。薄板坯連鑄連軋工藝能生產(chǎn)取向硅鋼。由于鑄坯快速凝固,第二相析出物細(xì)小、均勻、并可實(shí)現(xiàn)較低的鑄坯加熱溫度。這一點(diǎn)是薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)取向硅鋼的最主要特點(diǎn)。但相關(guān)信息量不大,仍需進(jìn)一步了解和研究。

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The thesis has a research on a reheating furnace of hot strip mill,and a physical and mathematical model for slabs heated in the 5-zone walking beam type of re-heating furnace was establisbed．The finite volume method was used for discretization.The distribution law of temperature of silicon slab with molten scale in heating process is simulated considering the effcet on the heating process by the molten scale on it.The results shows that molten scale reduces heating role of radiation in the reheating furnace compared with the simulation neglecting the scale.The results can provide basement for the formulation and optimization of the heating process of silicon slabs.

molten scale heating process silicon steel slab