磷酸盐涂层对钢坯温度场及防氧化性的影响_王鹤尧.pdf
《磷酸盐涂层对钢坯温度场及防氧化性的影响_王鹤尧.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《磷酸盐涂层对钢坯温度场及防氧化性的影响_王鹤尧.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023年 第4期 热加工85检 测T e s t i n g磷酸盐涂层对钢坯温度场及防氧化性的影响王鹤尧,张贵杰,陈晨,唐顺军,张嘉元华北理工大学冶金与能源学院 河北唐山 063210摘要:基于ANSYS有限元平台模拟研究磷酸盐耐高温隔热涂层涂敷钢坯表面对钢坯温度场的影响,模拟了涂层涂敷在钢坯表面一同加热到1120后的温度场,分析了钢坯表面节点路径温度场的温度变化情况。结果表明:在钢坯表面涂敷涂层后,边角温度的降低有所改善,与表面中部温度差异减小。通过氧化试验验证了磷酸盐涂层对钢坯试样氧化性具有一定的效果,通过金相观察,涂敷磷酸盐涂层钢坯的氧化铁皮与无涂层钢坯氧化铁皮相比,涂敷磷酸盐涂层钢坯
2、的氧化铁皮具有一定的分层结构。在氮气气氛下,通过HCT综合热分析仪进行热重分析,涂层在1100之后开始升华,保护性逐渐减弱。关键词:有限元分析;钢坯;耐高温隔热涂层;温度场;磷酸盐涂层;金相分析;热重分析1 序言热轧带钢在加热炉中加热后会产生大量的氧化铁皮,表层氧化铁皮如果不除去,则在轧制过程中嵌入钢坯表面会影响钢坯的轧制质量,形成钢坯的表面麻坑、夹杂等缺陷1。钢坯在加热炉内加热过程中,表面边角部加热快,表面心部加热慢,边角温度先于心部温度升高,边角部与心部形成一定的温度差。本文利用ANSYS有限元平台,根据实际工艺参数与数据建立无涂层钢坯与涂层-钢坯有限元模型进行模拟钢坯在加热炉中加热到11
3、20后钢坯有无涂层的瞬态温度场,分析钢坯在有无涂层涂敷的情况下加热过程中的温度分布变化,为减少钢坯能量损失,节约成本,提高生产效率与质量提供理论上的支持。2 温度场分析热轧带钢在加热炉中的加热过程以及出加热炉的散热过程均为瞬态过程,本文运用ANSYS模块中的热处理对热轧带钢进行温度场的瞬态热分析,模拟热轧带钢加热表面节点温度的变化曲线。在有限元分析过程中,选择隐式三维六面体、二维平面,根据有限元中的模块、材料、几何以及边界三重非线性问题,采用Solid 70以及Plane 55几何单元进行定义。根据热轧带钢的各项尺寸,选择对钢坯1/4建模进行仿真模拟分析,各项参数单位为国际单位。钢坯在加热炉中
4、的受热是一个复杂的过程,包括热传递、热辐射、热对流,以及炉内气流等都会影响钢坯的加热过程。因此,在ANSYS模拟过程中不会考虑所有因素,需要对模拟过程进行主要影响因素的优化,并在假定条件下进行模拟2。1)加热炉内每个区域的温度都恒定。2)钢坯表面与炉内的对流换热视为在无限大的环境下传热。3)只考虑单一的钢坯受热情况,不考虑其他钢坯的相互传热。采用1700热轧带钢碳素钢(wC0.5%),坯料长12m、宽1.5m、厚0.15m,初始温度为700。在模拟过程中设置炉内温度为1120,钢坯初始温度为700,设置加热时间为3600s。基金项目:河北省自然科学基金(E2022209138)。第一作者:王鹤
5、尧,硕士,研究方向为金属塑性成形的数值模拟,E-mail:。通信作者:张贵杰,博士,教授,研究方向为金属材料成形理论与工艺、非线性相变和智能金属材料,E-mail:。2023年 第4期 热加工86检 测T e s t i n g2.1 钢坯模型建立及网格划分由于钢坯具有对称性,所以为了简化模型与计算,在模拟过程中设置钢坯1/4作为对象进行研究与分析,具体分析钢坯尺寸为6m0.75m0.075m(长宽高),建立模型如图1所示。在模拟计算之前要进行网格划分,这是一个关键步骤,对于材料的网格划分直接影响后续计算中是否收敛的问题,计算的准确性与网格划分的方式有关,建立的模型属于规则模型,因此可选择规则
6、划分。对网格划分的步骤如下。1)设置单元属性、类型、材料属性。2)设置网格尺寸为Global Size 0.005。3)网格的生成。雷诺数计算公式为 式中 Re雷诺数;u流体流速(m/s);v流体运动黏稠度(m2/s)。加热炉在加热段炉气平均流速(u)为10m/s,钢坯入炉时,钢坯温度为700,炉气温度设置为1120,特征温度为 mwf1()9102ttt=+=式中 tm特征温度();tw炉气温度();tf钢坯温度()。通过查表可知3,此时烟气的流体运动黏稠度 v152.510-6m2/s,则雷诺数为 对于平板的特征关联式为 式中 Pr普朗特数。通过查表可知普朗特数Pr为0.59,带入得 辐射
7、换热系数计算式为 式中 hr辐射换热系数W/(m2K);F角系数;炉气的黑度;黑体辐射系数W/(m2K)。由于钢坯被烟气全部笼罩,因此角系数设为F1;通过查表,0.213;5.66910-8W/(m2K),带入得hr82.49W/(m2K)则 1120的综合对流换热系数为hhchr198.93W/(m2K)2.3 钢坯加热模拟结果分析钢坯在加热炉中加热的过程,温度是不断上升的,在一定时间之后,与炉气温度处于平衡状态,这属于瞬态传热规律,并非稳态传热,因此我们在分析时应选用瞬态热分析。设置钢坯的初始温度为a)钢坯模型b)网格划分图1钢坯模型及网格划分2.2 钢坯对流换热的设定钢坯在加热炉内加热过
8、程中,换热方式有两种形式:一是对流换热;二是辐射换热。换热系数可为对流换热系数hc辐射换热系数hr,得到综合换热系数h,即hhchr。在不考虑钢坯相变的情况下,炉内对流换热为介质间对流换热。对流换热公式为 式中 hc对流换热系数W/(m2K);Nu努塞尔准数;导热系数为1010-2;l钢坯特征尺寸(mm),本文钢坯特征尺寸为0.15m。2023年 第4期 热加工87检 测T e s t i n g700,炉内温度设为1120。设置加热时间为3600s,所得到钢坯温度场分布云图如图2所示。为了再度简化模型以便更直观地观察温度场的温度分布情况,我们以钢坯宽面中部截面为研究对象。图2a所示为1/4钢
9、坯3D温度分布云图,图2b所示为1/4钢坯截面2D分布云图,图2c所示为涂敷涂层1/4钢坯截面2D分布云图。心部到边角部温度逐渐变高,呈梯形分布,越靠近边部位置升温越快。与无涂层钢坯相比,截面边角部温度有所降低,温度高的位置为涂层位置,因为涂层先于钢坯与炉气接触,所以涂层先加热,且涂层比热容高于钢坯比热容,率先吸收热量,而相比于钢坯,其导热系数较低,导热系数越低,保温效果越好,在涂层的保温作用下,边角部温度有所降低,与心部温度差减小。选择钢坯表面沿X轴所有节点数据在Origin中进行绘制得到钢坯表面沿X轴温度分布曲线如图3所示。从图3可看出,无涂层钢坯随着节点距离的增加其表面温度先平缓后逐渐升
10、高,温度由977升高到1035;有涂层钢坯随着节点距离的增加其表面温度先降低后逐渐上升,这是由于涂层成楔形逐渐喷涂于钢坯表面,厚度控制在01mm,随着涂层厚度逐渐增加,涂层保温效果越来越好,钢坯表面加热速率呈下降趋势,但由于边角部本身加热速率较其他部位快,因此钢坯表面加热速率在下降后又逐步上升,钢坯表面左侧位置相比于无涂层钢坯有所降低,但是差别不大,而右侧边角部温度下降了约13,表面温度差减小。因此,涂层对钢坯具有一定的保温效果。a)1/4钢坯截面3D温度分布云图b)1/4钢坯截面2D分布云图c)涂敷涂层1/4钢坯截面2D分布云图图2钢坯温度场分布云图图3钢坯表面沿X轴径向温度分布曲线由图2a
11、、b可知,钢坯在1120加热炉中经过3600s加热后,其表面边角部温度从700升高到了1063,且边角部温度升温最高,越靠近边角部温度越高,心部温度升温较慢,随着温度上升,钢坯温度场云图从蓝色逐渐变为红色,心部温度由700升高到940.22,边部温度升高到1035.37,钢坯的整体温度呈梯度分布。心部与边部温度相差95左右。由图2c可知,涂敷涂层的钢坯在加热炉中加热3600s后,其表面温度边角温度从700加热到了1014左右,心部温度从700加热到了931,从3 试验从模拟结果来看,表面涂层对钢坯温度场会有一定的影响,相比于无涂层钢坯,涂层具有一定的保温效果,可用钢坯氧化失重效果来进行试验验证
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 磷酸盐 涂层 钢坯 温度场 氧化 影响 王鹤尧
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。