CN102789524B

CN102789524B - 一种马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法

Info

Publication number: CN102789524B
Application number: CN201210232071.5A
Authority: CN
Inventors: 杨静
Original assignee: Wisdri Wuhan Wis Industrial Furnace Co Ltd
Current assignee: Wisdri Wuhan Thermal Industry Co ltd; Wisdri Wuhan Wisfur Thermal Technology Co ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: CN102789524A

Abstract

本发明涉及一种马弗抗高温截面变形能力计算及预测方法。包括以下步骤：采集电阻带、马弗和带钢的形状和尺寸及热物性和力学性能参数；根据电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度，计算马弗截面温度的结果；对马弗截面温度的结果进行处理，得到马弗截面温度分布曲线，马弗平均温度和马弗截面周向温差；根据马弗截面温度分布曲线及马弗平均温度，计算马弗截面周向热应变；根据马弗截面周向热应变，计算马弗抗高温截面变形系数；根据马弗抗高温截面变形系数，分析马弗截面抗高温变形能力并根据需要修改马弗形状和尺寸。本发明通过马弗截面温度分布的精确计算，将马弗截面温度分布结果引入马弗热应力计算模型，可以精确预测马弗截面热应变程度。

Description

一种马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法

技术领域

本发明属于热处理技术领域，特别是一种马弗抗高温截面变形能力计算及预测方法。

背景技术

金属带连续热处理用的立式光亮退火炉一般适用于不锈钢带、铜带或铝带的连续退火，同时保证退火后金属带的表面光亮度。

通常对金属带连续热处理用的立式光亮退火炉是由以下部分组成的：入口密封部件、加热段、缓冷段、快冷段、顶部转向辊装置及出口密封部件等。

立式光亮退火炉加热段结构可为马弗炉，马弗炉内有一个圆柱形马弗，马弗外有电阻带或烧嘴，通过加热马弗来加热在马弗中运行的金属带。马弗炉加热段的最大长度约为28米，最高温度可达1150℃。马弗根据生产需要，可设计成不同的截面形状，如方形、圆形和椭圆形。然而，在对带钢进行热处理时，马弗和带钢的形状差异将造成马弗截面温度呈不均匀分布，使截面发生一定程度的热应变，热应变过大时可造成马弗截面形状较设计形状发生改变，造成马弗过早失效。因此马弗设计时，其截面温度分布均匀性和热应变量是重要的考虑因素。但是目前为止，由于热源、马弗和带钢组成的辐射换热系统中辐射角系数对位置的敏感性及实验设备的限制，很难通过理论计算和实验测量获得马弗截面的温度分布和截面的热应变程量，也就无法预测马弗抗高温截面变形能力，因此无从对马弗的设计形状进行校核。因此，通过建立带钢加热过程的有限元模型，研究由于马弗和带钢的位置和形状差异造成马弗截面温度不均匀分布的程度和热应变程度，计算和预测马弗抗高温截面变形能力，对马弗形状设计和校核显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提出一种马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法，可以根据生产过程中的马弗和带钢尺寸，计算马弗截面温度的不均匀分布程度及热应变量，预测马弗抗高温截面变形能力，实现对马弗截面形状和尺寸进行校核的目的。

本发明的技术方案为：一种马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1) 采集电阻带、马弗和带钢的形状和尺寸及热物性和力学性能参数；

2) 根据电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度，计算马弗截面温度的结果；

进一步的，在步骤2）计算马弗截面温度的结果中，采取以下步骤:

2.1）通过CAE软件建立辐射换热分析的几何模型，对几何模型进行网格划分；

2.2）设置模型中电阻带、马弗和带钢各个热物性参数随温度变化的函数关系；

2.3）采集电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度；

2.4）根据实际生产情况设置温度边界条件：施加热辐射边界条件，其中辐射换热角系数通过软件提供的Monte-Carlo方法计算得到；

2.5）设置分析类型和分析时间，采用瞬态传热分析方式；

2.6）计算得到马弗截面温度的结果，若结果收敛，输出结果；若结果不收敛，则修改模型，跳转到步骤2.1）继续计算；

3) 对马弗截面温度的结果进行数据处理，得到马弗截面温度分布曲线，及马弗平均温度和马弗截面周向温差；

4) 根据马弗截面温度分布曲线及马弗平均温度，计算得到马弗截面周向热应变；

进一步的，在步骤4）计算马弗截面热应变中，采取以下步骤:

4.1）建立马弗热应力分析的几何模型，并划分网络；

4.2）设置马弗材料属性：在模型中输入弹性模量、泊松比和热膨胀系数随温度的变化曲线；

4.3）施加约束条件：在马弗周向边界上施加对称约束；

4.4）将马弗截面的平均温度作为马弗无热应力时的温度参考值并将马弗截面温度的变化曲线输入到模型中；

4.5）设置分析类型并运行模型；

4.6）计算得出热应变计算结果，计算结果若收敛，则认为模型计算可靠，若不收敛，则需返回到步骤（4.1），修改模型，继续计算直至计算收敛为止；

4.7）根据模型，在马弗周向边界上施加对称约束，进行热应力分析后，可得到马弗截面上周向热应变分布曲线；

5) 根据马弗截面周向热应变，计算马弗抗高温截面变形系数K；

在步骤5）计算马弗抗高温截面变形系数K中，采取以下公式：

（1）；

其中为马弗截面周向热应变，为马弗材料进入屈服状态时的应变；

6) 根据马弗抗高温截面变形系数K，分析马弗截面抗高温变形能力，如果抗高温截面变形系数K＞0，则认为马弗形状设计合理，并且抗高温截面变形系数K越大，代表马弗抗高温截面变形能力越强；否则，若K≤0，则需要修改马弗形状和尺寸，然后转到步骤2）继续进行计算，直至马弗截面形状满足要求为止。

本发明方案的有益效果为：（1）通过马弗截面温度分布的精确计算，及将马弗截面温度分布结果引入马弗热应力计算模型，可以精确预测马弗截面热应变程度；（2）本方法利用CAE软件，可以精确计算马弗与带钢之间，以及电阻带和马弗之间的辐射传热，能做到定量预测马弗截面的温度分布不均匀性程度；（3）本方法是一种预测马弗抗高温截面变形能力及校核马弗截面设计合理性的有效途径，可以为马弗截面形状设计及马弗材料选择提供技术支撑，避免了生产中因马弗截面设计不合理造成的生产成本增加及马弗过早失效。

附图说明

图1 为本发明实施方式中马弗抗高温截面变形能力计算的流程图。

图2 为本发明实施方式中马弗截面温度分布CAE计算的流程图。

图3 为本发明实施方式通过CAE软件建立马弗截面温度计算的几何模型。

图4 为本发明实施方式中在马弗截面温度计算模型中施加辐射边界条件。

图5 为本发明实施方式中将CAE计算马弗截面温度结果进行处理后，得到的马弗截面温度分布曲线。

图6 为本发明实施方式中马弗热应力计算的流程图。

图7 为本发明实施方式中采用CAE软件建立的马弗热应力分析的几何模型。

图8 为本发明实施方式中施加在马弗热应力模型上的边界条件。

图9 为本发明实施方式中计算得到的马弗截面周向热应变分布曲线。

具体实施方式

本实施方式的主要流程如图1所示。具体如下：

1.首先，采集电阻带、马弗和带钢的形状和尺寸及热物性和力学性能参数，并根据电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度，对马弗截面温度分布情况进行计算。对马弗截面温度分布情况进行计算的具体过程如图2所示。

因为马弗外围电阻带对马弗的持续加热对马弗温度均匀化有利，而马弗内部的带钢形状和尺寸容易使马弗截面温度呈不均匀分布，因此选取电阻带、马弗和带钢三个对象建立辐射换热系统。再获取电阻带、马弗和带钢的形状尺寸，包括电阻带和马弗的厚度、直径，带钢的宽度、厚度等，以及热物性参数和力学性能参数，包括电阻带、马弗和带钢的黑度、比热、密度和热导率及弹性模量、热膨胀系数和泊松比等。

2．然后，通过CAE软件建立辐射换热分析的几何模型，如图3所示，对几何模型进行网格划分，本发明主要以马弗为研究对象，由于马弗壁厚较薄，约8～24mm，因此马弗网格需划分的细些来保证计算的精度。接着，设置模型中各个对象的材料属性，包括电阻带、马弗和带钢各个热物性参数随温度变化的函数关系。温度边界条件的施加对计算结果准确性影响重大，需根据实际生产情况进行设置。本发明中电阻带温度保持固定，为1200℃，带钢初始温度为马弗入口处的带钢温度，马弗初始温度为带钢热处理要求时的马弗工作温度。选取电阻带的内壁和马弗的外壁，及马弗的内壁和带钢表面的单元边进行辐射角系数求解，如图4所示。该过程是通过MARC 软件提供的Monte-Carlo方法自动计算得到。

经过试算发现，当总的加热时间超过1500s后，马弗截面温差基本保持不变，设置总分析时间为1500s，采用自动调节步长的控制策略，对有限元模型进行瞬态传热分析，在保证收敛的情况下输出马弗截面温度的结果。

3．然后，将马弗温度场的有限元计算结果导入ORIGIN 7.5数据处理软件中，形成马弗截面沿周向的温度分布曲线，如图5所示，对曲线函数值进行平均求和，得到马弗截面的平均温度分别为1169.4～1172.5℃，相应的周向最大温差为12℃～10.7℃。由于沿截面圆周方向上，马弗内表面的热应变要大于马弗外表面的热应变，将马弗内表面周向的温度分布进行线性拟合，代表马弗截面温度分布情况。

4．然后，建立马弗热应力分析的CAE模型，具体过程如图6所示。先建立马弗的几何模型并划分网格，如图7所示，再设置马弗材料属性，在模型中输入弹性模量、泊松比和热膨胀系数随温度的变化曲线。将马截面的平均温度作为马弗无热应力时的温度参考值，将图5中马弗截面温度分布的拟合后的曲线输入到热应力计算模型中，施加在马弗整个截面上，引入马弗截面热应力分析的有限元模型。在马弗周向边界上施加对称约束，如图8所示。进行热应力分析后，可得到马弗截面上周向热应变分布曲线，如图9所示，可以看出，在图5中给出的马弗内表面周向温度范围（1162℃～1181.8℃）内，对应的马弗截面周向热应变为1.5×10^-4～2.2×10^-4。

5．而在此温度范围下，马弗材料的屈服强度为56.45MPa～107.53MPa，弹性模量范围为100770MPa～103382MPa，根据，可计算出马弗材料进入屈服状态时，相应的应变为5.6×10^-4～1.0×10^-3。而后根据抗高温截面变形系数公式，计算出马弗抗高温截面变形系数K分别为0.73和0.78。

6．无热应变时马弗抗高温截面变形系数为1，由此可见，当前计算出的马弗抗高温截面变形系数K分别为0.73和0.78，可知马弗截面形状设计引起的截面温度不均匀程度不足以导致马弗材料的变形，马弗截面形状设计较为合理。

Claims

1.一种马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采集电阻带、马弗和带钢的形状和尺寸及热物性和力学性能参数；

2)根据电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度，计算马弗截面温度的结果；

3)对马弗截面温度的结果进行数据处理，得到马弗截面温度分布曲线，及马弗平均温度和马弗截面周向温差；

4)根据马弗截面温度分布曲线及马弗平均温度，计算马弗截面周向热应变；

5)根据马弗截面周向热应变，计算马弗抗高温截面变形系数K；

6)根据马弗抗高温截面变形系数K，分析马弗截面抗高温变形能力，如果抗高温截面变形系数K＞0，则认为马弗形状设计合理，并且抗高温截面变形系数K越大，代表马弗抗高温截面变形能力越强；否则，若K≤0，则需要修改马弗形状和尺寸，然后转到步骤2)继续进行计算，直至马弗截面形状满足要求为止；

其中，在步骤5)计算马弗抗高温截面变形系数K中，采取以下公式：

K＝1-ε_thermal/ε_e (1)；其中ε_thermal为马弗截面周向热应变，ε_e为马弗材料进入屈服状态时的应变。

2.如权利要求1所述的马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法，其特征在于：在步骤2)计算马弗截面温度的结果中，采取以下步骤:

2.1)通过CAE软件建立辐射换热分析的几何模型，对几何模型进行网格划分；

2.2)设置模型中电阻带、马弗和带钢各个热物性参数随温度变化的函数关系；

2.3)采集电阻带、马弗和带钢的初始温度和边界温度；

2.4)根据实际生产情况设置温度边界条件，施加热辐射边界条件，其中辐射换热角系数通过软件提供的Monte-Carlo方法计算得到；

2.5)设置分析类型和分析时间，采用瞬态传热分析方式；

2.6)计算得到马弗截面温度的结果，若结果收敛，输出结果；若结果不收敛，则修改模型，跳转到步骤2.1)继续计算。

3.如权利要求1所述的马弗抗高温截面变形能力的计算和预测方法，其特征在于：在步骤4)计算马弗截面热应变中，采取以下步骤:

4.1)建立马弗热应力分析的几何模型，对几何模型划分网络；

4.2)设置马弗材料属性：在模型中输入弹性模量、泊松比和热膨胀系数随温度的变化曲线；

4.3)施加约束条件：在马弗周向边界上施加对称约束；

4.4)将马弗截面的平均温度作为马弗无热应力时的温度参考值，并将马弗截面温度的变化曲线输入到模型中；

4.5)设置分析类型并运行模型；

4.6)计算得出热应变计算结果，计算结果若收敛，则认为模型计算可靠，若不收敛，则需返回到步骤4.1)，修改模型，继续计算直至计算收敛为止；

4.7)根据模型，进行热应力分析后，可得到马弗截面上周向热应变分布曲线。