罩式退火过程中钢卷的钢卷温度场计算技术研究

关键词： 现场实验 温度场 钢卷 焦点

在罩式退火过程中, 钢卷的温度场的计算是现场较为关注的焦点, 如何科学的计算出钢卷内部的温度场的分布, 则是现场攻关的焦点。为此, 本文在大量的现场实验与理论研究的基础上, 提出了一套适合于罩式退火系统的钢卷温度场计算技术, 并将其应用到某罩式退火生产线的生产实践, 取得了良好的使用效果。

1 钢卷的传热数学模型的数值求解

钢卷为圆柱状, 其内部温度场为轴对称问题。前述氢气和内罩假设温度均匀, 所以假设每个钢卷外壁上轴向所处的环境温度相同, 因此, 取钢卷四分之一为研究对象, 如图1所示, z轴为钢卷轴向方向, r轴为钢卷半径方向, 左边为钢卷内壁, 右边为钢卷外壁, 上边为钢卷的中心对称面, 下边为钢卷下端面。

钢卷温度场控制方程所描述的为二维非定常温度场, 使用元体平衡法建立交替隐式差分格式。

1.1 区域离散化

由于钢卷内部温度场是轴对称, 故将钢卷按周向均分成m等分, 每份的圆心角为θ度, 如图1所示为1/m整个圆周的扇面圆柱体。

在该扇面圆柱体上, 用节点 (i=0, 1, 2…) 将该区R2≤r≤R1域离散化, 得到R2=r0

为便于书写, 将ri记为i, 将zj记为j, 将τn记为n, 将ri, zn处的τn时刻的温度T (ri, zj, τn) 记为Tni, j, 上角标表示所处时间, 下角标表示所求区域的空间位置。

1.2 单元的差分格式

利用元体平衡法分析求解区域里节点的扇形柱体元体, 建立该节点的差分格式。

由于钢卷内部温度场是轴对称的, 所以节点切向上没有温度差, 没有热量流动[64]。对于节点, 进入其元体内部的热量只有其左右上下四个相邻节点边界通过其相应元体边界流入的热量, 如图2所示。

该元体对应的扇面弧长是整个圆周的1/m, 节点 (i, j) 在该坐标中的径向尺寸为。

并令, 则。

(1) 对于内节点, 由节点通过边界1流入的热流量

由节点通过边界2流入的热流量

由节点通过边界3流入的热流量

由节点通过边界4流入的热流量

钢卷内部没有内热源, 所以

1.3 求解区域的差分格式

对于上述内节点和边界节点的差分方程一起构成差分格式。由于钢卷内部为二维非定常温度场, 所以对于钢卷内部的所有节点使用交替隐式 (A D I) 差分格式。

对于计算区域内节点, 按照一定规律排列节点计算顺序。

对于一次时间增量∆τ, 取r方向为隐式格式, 取z方向为显式格式, 则节点计算的扫描顺序应该先z方向然后再r方向, 具体的为

左下角0, 0——下端面i, 0——右下角I, 0;

内壁0, j——内结点i, j——外壁I, j;

左上角0, J——中心对称i, J——右上角I, J。

对相邻的下一次时间增量∆τ, 交替转换隐式方向, z取方向为隐式格式, 取r方向为显式格式, 则节点计算的扫描顺序应该先方向然后再z方向, 具体的为

左下角0, 0——内壁0, j——左上角0, J;

下端面i, 0——内结点i, j——中心对称i, J;

右下角I, 0——外壁I, j——右上角I, J。

(1) 对一次时间增量∆τ, 取r方向为隐式格式, 取z方向为显式格式。将计算格式都整理成如下形式

式中[A]为n+1时刻温度节点所对应的系数所组成的矩阵。

[T]n为n时刻温度值计算式。

[F]为计算式中的常数算式。

(2) 对相邻的下一次时间增量∆τ, 交替转换隐式方向, z取方向为隐式格式, 取r方向为显式格式, 整理得:

式中[A]为n+2时刻温度节点所对应的系数所组成的矩阵。

[T]n+2为n+2时刻按照一定顺序排列的节点温度值的列向量。

2 相关计算方法的现场应用

宝钢冷轧薄板厂为了降低钢卷在罩式炉退火时的粘结率, 开发了一套《预测钢卷粘结倾向计算机仿真软件》。在该软件中, 利用本模型所给出的温度场计算方法, 制定出了一套合理的卷取张力制度和退火制度, 从而降低了粘结率, 现场使用效果很好, 取得显著的经济效益。

3 结语

在大量的现场实验与理论研究的基础上, 提出了一套适合于罩式退火系统的钢卷温度场计算技术, 并将其应用到某罩式退火生产线的生产实践, 取得了良好的使用效果, 具有进一步推广应用的价值。

摘要：针对罩式退火过程的钢卷内部温度场的分布特点, 提出了一套适合于罩式退火系统的钢卷温度场计算技术, 并将其应用到某罩式退火生产线的生产实践, 为机组罩式退火过程中退火工艺制度的制订奠定了坚实的理论基础。

关键词：罩式退火,钢卷,退火工艺,温度场

参考文献

[1] Wirtnik K P.Hydrogen Makes Light of Annealing[J].Steel Times Interatioal, 1989 (3) :28～29.

[2] Wirtnik K P.High-performance Hydrogen Annealing[J].Heat Treatment of Metals, 1990 (1) :1～20.

[3] 姚忠卯, 张学成.冷轧带钢退火技术的发展和应用[J].河南冶金, 2006 (5) :3～5.

[4] 陈昌贵, 黄永胜.提高罩式退火炉产量的途径.[J]江苏冶金, 2005 (33) :52～55.

[5] 傅作宝.冷轧薄钢板生产[M].北京:冶金工业出版社, 2005:185～281.