热物性参数对钢加热过程的影响研究

张献伟

(武汉钢铁股份公司硅钢事业部,湖北武汉 430080)

热物性参数对钢加热过程的影响研究

张献伟

(武汉钢铁股份公司硅钢事业部,湖北武汉 430080)

以某特殊钢和普通20#碳钢为研究对象,建立钢坯加热数学模型并采用有限容积法进行了离散,模拟计算了两种材质的板坯在炉内加热过程中的温度变化规律。数值模拟结果表明,相同的钢坯规格尺寸,相同的加热制度情况下,此特殊钢比20#钢的加热速度慢,模拟结果为此特殊钢加热工艺的制定和优化提供了依据。

表面熔渣 硅钢 加热过程

关于钢坯炉内加热过程数值模拟在国内外有大量报道,但是对于热物性参数对钢加热规律的影响还没有特别报道。本文建立了钢坯传热模型,模拟计算了两种不同热物性参数的钢坯在炉内加热过程中的温度变化规律。

1 模型的建立

1.1 钢坯数学模型

为使模型既简单又能满足精度要求,进行假设：①炉膛内介质温度分布均匀;②钢坯只在表面存在热量交换,即上、下表面,钢坯表面传热以辐射和对流两种方式进行;③钢坯表面的对流换热以辐射的形式考虑,即采用总括热吸收率法。④忽略钢坯密度的变化,钢坯比热和导热系数是温度的函数。

(1) 钢坯一维传热数学模型的控制方程

(1)式中,

ρ—钢坯密度,kg/m3; y—坐标,m;

c—钢坯比热,J/(kg·℃); τ—时间,s;

λ—W/(m·℃) ; ρ—密度,kg/m3;

qu,qd—上、下表面热流,W/m2;

图1 W20和20#导热系数对比

图2 W20和20#比热对比

图3 钢坯网格的划分

(1) 钢坯一维传热数学模型的控制方程

图4 加热温度=1000℃,加热时间=100min时钢坯表面温度随时间变化规律

图5 加热温度=1000,加热时间=100min时, 钢坯芯部温度随时间变化规律

(2) 钢坯传热边界条件和初始条件

1.2 钢的热物性参数gt;

图1和图2所示为W20和20#钢导热系数、比热容随温度变化规律。
由图可见,W20的导热系数随温度变化较20#钢平缓,而且比热比20#钢变化剧烈。从250℃到900℃之间,W20的比热都远远大于20#钢。

2 离散方程的建立

钢坯的网格划分如图3所示。式(4)～(8)为钢坯的几个典型节点的差分方程。

连铸坯上、下表面热流密度按下式计算。

式中,ρ-钢坯密度,kg/m3;Δy—铸坯空间步长,m;c—钢坯比热,J/(kg·℃);λ—钢坯导热系数W/(m·℃),Φcf—总括热吸收率,无量纲;Foy—网格傅里叶数,无量纲。

3 数学模型数值计算及分析

基于无取向硅钢W20与碳钢20#钢的热物性参数相差很大,为了能更清楚地了解不同热物性参数对加热速度的影响规律,有必要进行相同加热工艺条件下不同两种钢的数值模拟。

对加热温度=1000℃,加热时间=100分钟,钢坯厚度=230mm时的温度分布变化规律进行模拟。图4和图5分别为20#、W20表面温度和芯部温度分布变化规律。

从图4中可见,在加热前期W20钢坯表面温度升温速度高于20#钢,这是由于温度较低时20#钢的导热系数远远大于W20,而其两者比热低温时相差甚小,因此炉气传给20#钢表面的热量能够较快地通过导热方式传给钢坯芯部,造成表面20#钢表面升温速度低于W20,W20的表面温度高于20#钢。在加热中期,20#钢坯表面升温速度高于W20钢,这是由于这段温度区间内,两者导热系数相差甚小而W20的比热急速上升造成W20的升温速度小于20#钢。在加热后期,两者导热系数相差不大,而W20的比热小于20#钢,因此两者升温速度差不多。综合两种钢钢坯表面和芯部温度变化规律,可见,要达到一定加热温度并保证温度均匀,W20的加热时间要大于20#钢。

4 结语

不能忽略热物性参数对钢坯加热的影响,无取向硅钢W20与碳钢20#钢的热物性参数相差很大,为了能更清楚地了解不同热物性参数对加热速度的影响规律,有必要进行相同加热工艺条件下不同两种钢的数值模拟。薄板坯连铸连轧工艺能生产取向硅钢。由于铸坯快速凝固,第二相析出物细小、均匀、并可实现较低的铸坯加热温度。这一点是薄板坯连铸连轧工艺生产取向硅钢的最主要特点。但相关信息量不大,仍需进一步了解和研究。

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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