熱物性參數對鋼加熱過程的影響研究

張獻偉

(武漢鋼鐵股份公司硅鋼事業部,湖北武漢 430080)

熱物性參數對鋼加熱過程的影響研究

張獻偉

(武漢鋼鐵股份公司硅鋼事業部,湖北武漢 430080)

以某特殊鋼和普通20#碳鋼為研究對象,建立鋼坯加熱數學模型并采用有限容積法進行了離散,模擬計算了兩種材質的板坯在爐內加熱過程中的溫度變化規律。數值模擬結果表明,相同的鋼坯規格尺寸,相同的加熱制度情況下,此特殊鋼比20#鋼的加熱速度慢,模擬結果為此特殊鋼加熱工藝的制定和優化提供了依據。

表面熔渣 硅鋼 加熱過程

關于鋼坯爐內加熱過程數值模擬在國內外有大量報道,但是對于熱物性參數對鋼加熱規律的影響還沒有特別報道。本文建立了鋼坯傳熱模型,模擬計算了兩種不同熱物性參數的鋼坯在爐內加熱過程中的溫度變化規律。

1 模型的建立

1.1 鋼坯數學模型

為使模型既簡單又能滿足精度要求,進行假設：①爐膛內介質溫度分布均勻;②鋼坯只在表面存在熱量交換,即上、下表面,鋼坯表面傳熱以輻射和對流兩種方式進行;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,鋼坯比熱和導熱系數是溫度的函數。

(1) 鋼坯一維傳熱數學模型的控制方程

(1)式中,

ρ—鋼坯密度,kg/m3; y—坐標,m;

c—鋼坯比熱,J/(kg·℃); τ—時間,s;

λ—W/(m·℃) ; ρ—密度,kg/m3;

qu,qd—上、下表面熱流,W/m2;

圖1 W20和20#導熱系數對比

圖2 W20和20#比熱對比

圖3 鋼坯網格的劃分

(1) 鋼坯一維傳熱數學模型的控制方程

圖4 加熱溫度=1000℃,加熱時間=100min時鋼坯表面溫度隨時間變化規律

圖5 加熱溫度=1000,加熱時間=100min時, 鋼坯芯部溫度隨時間變化規律

(2) 鋼坯傳熱邊界條件和初始條件

1.2 鋼的熱物性參數gt;

圖1和圖2所示為W20和20#鋼導熱系數、比熱容隨溫度變化規律。
由圖可見,W20的導熱系數隨溫度變化較20#鋼平緩,而且比熱比20#鋼變化劇烈。從250℃到900℃之間,W20的比熱都遠遠大于20#鋼。

2 離散方程的建立

鋼坯的網格劃分如圖3所示。式(4)～(8)為鋼坯的幾個典型節點的差分方程。

連鑄坯上、下表面熱流密度按下式計算。

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—鋼坯導熱系數W/(m·℃),Φcf—總括熱吸收率,無量綱;Foy—網格傅里葉數,無量綱。

3 數學模型數值計算及分析

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

對加熱溫度=1000℃,加熱時間=100分鐘,鋼坯厚度=230mm時的溫度分布變化規律進行模擬。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20#鋼的導熱系數遠遠大于W20,而其兩者比熱低溫時相差甚小,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間內,兩者導熱系數相差甚小而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,兩者導熱系數相差不大,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律,可見,要達到一定加熱溫度并保證溫度均勻,W20的加熱時間要大于20#鋼。

4 結語

不能忽略熱物性參數對鋼坯加熱的影響,無取向硅鋼W20與碳鋼20#鋼的熱物性參數相差很大,為了能更清楚地了解不同熱物性參數對加熱速度的影響規律,有必要進行相同加熱工藝條件下不同兩種鋼的數值模擬。薄板坯連鑄連軋工藝能生產取向硅鋼。由于鑄坯快速凝固,第二相析出物細小、均勻、并可實現較低的鑄坯加熱溫度。這一點是薄板坯連鑄連軋工藝生產取向硅鋼的最主要特點。但相關信息量不大,仍需進一步了解和研究。

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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