钢坯加热与轧制过程中黑印温差的研究

论文摘要

钢坯加热的主要质量问题是加热温度不均匀,其中水管黑印是一个主要影响因素,减小水管黑印最直接的方法就是在加热炉的冷却管上安装耐热垫块。本文介绍了水管黑印的产生、危害以及不同结构的垫块在炉内的应用情况和发展现状,并以此为背景,模拟计算了炉内加热过程和粗轧过程中钢坯的温度场和黑印温差的变化情况。以一座步进梁式加热炉为例,建立了钢坯的二维热传导模型和垫块的一维热传导模型。本模型在钢坯二维热传导模型的基础上对忽略的第三维进行了修正,第三维不再划分网格,而是计算了两个断面。垫块和两个断面交替接触时,黑印最小,称为最有利情况；垫块始终和一个断面接触时,黑印最严重,称为最不利情况。所以,本模型比三维模型计算量小,比二维模型更精确。采用φCF法计算钢坯的边界热流,由于垫块和水管包扎层对钢坯下表面有遮蔽作用,故对钢坯下表面热流进行了修正。本文模拟计算了最有利和最不利两种情况,得到了两种情况下的钢坯升温曲线和黑印温差,绘制了钢坯出炉时的等温线,并对最有利和最不利情况进行了比较。模拟计算了热装时钢坯的升温过程,得到了热装时黑印温差随加热时间的变化规律以及钢坯出炉时的等温线,并对钢坯冷装和热装进行了比较。结果表明,钢坯冷装和热装出炉时黑印温差、断面温差、钢坯平均温度相差不多。待轧是加热炉一种典型的动态过程,本文对钢坯在待轧以及踏步时黑印温差的发展进行了模拟。在每个炉段内选取了两个有代表性的位置,计算了钢坯在这些位置进入待轧状态后,其黑印温差的变化情况,并分析比较了不同炉温下黑印温差随待轧时间的变化规律。在轧制生产线上,粗轧之后设有钢坯表面温度在线检测装置,故本文对钢坯出炉后粗轧和除鳞的温度均匀化过程进行了模拟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢坯水管黑印简介
• 1.1.1 黑印的产生
• 1.1.2 黑印的危害
• 1.1.3 减轻黑印的方法
• 1.2 热滑轨简介
• 1.2.1 半热滑轨
• 1.2.2 全热滑轨
• 1.2.3 无水冷滑轨
• 1.3 数值模拟
• 1.3.1 数值模拟方法简介
• 1.3.2 数值解法的分类
• 1.3.2.1 有限差分法（FDM）
• 1.3.2.2 有限元法（FEM）
• 1.3.2.3 有限容积法（FVM）
• 1.3.3 数值模拟计算的基本过程
• 1.4 本文研究的内容
• 第二章 钢坯和垫块温度场数学模型的建立
• 2.1 数值传热学基本理论
• 2.2 钢坯和垫块温度场数学模型的建立
• 2.2.1 模型的简化和假设
• 2.2.2 钢坯和垫块温度场数学模型
• 2.2.2.1 钢坯温度场模型的数学描述
• 2.2.2.2 垫块温度场模型的数学描述
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.3.1 钢坯的边界条件
• 2.2.3.2 垫块的边界条件
• 2.2.4 初始条件
• 2.3 相关参数的处理
• 2.3.1 钢坯和垫块物性参数
• 2.3.2 炉温的描述
• 2.3.3 总括热吸收率
• 第三章 钢坯和垫块数学模型的求解
• 3.1 模拟对象简介
• 3.2 钢坯计算域的确定
• 3.3 差分方程
• 3.4 钢坯和垫块温度场的计算
• 第四章 模拟结果及分析
• 4.1 钢坯冷装和热装黑印温差的比较
• 4.1.1 最有利情况和最不利情况的描述
• 4.1.2 钢坯冷装
• 4.1.2.1 钢坯温度场
• 4.1.2.2 黑印温差
• 4.1.3 钢坯热装
• 4.1.3.1 钢坯温度场
• 4.1.3.2 黑印温差
• 4.2 待轧时黑印的变化
• 4.2.1 炉温不变
• 4.2.2 炉温降低
• 第五章 粗轧阶段钢坯温度场的数值模拟
• 5.1 粗轧工艺简介
• 5.2 粗轧过程钢坯温度场数学模型的建立
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 边界条件
• 5.2.3 初始条件
• 5.3 相关问题的处理
• 5.3.1 摩擦生热和塑性变形功
• 5.3.2 动态网格和变时间步长
• 5.4 模拟结果及分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢