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1、热轧带钢氧化铁皮厚度演变计算软件开发刘红艳 1，管连生 2，谢东伟 2，李金波 1（1.河北钢铁集团邯钢公司 技术中心，河北 邯郸 056015；2.河北钢铁集团邯钢公司 连轧 厂，河北 邯郸 056015）摘要：利用实验方法绘制出510L汽车大梁钢的氧化增重曲线，并计算出其热力学演变过程，开发出热轧带 钢氧化铁皮厚度演变计算软件，通过输入热轧工艺参数，该软件能够较准确的对热轧带钢温度场进行从出 炉到卷取的全线计算，能够准确反映轧制过程带钢温度随时间的变化规律以及轧件内部的温度分布，包括 厚度方向和宽度方向。对实际生产带钢进行检测结果显示：模拟值与实测值有较高的吻合性及很高的模拟 精度，可以用
2、于不同工艺条件下氧化铁皮厚度演变规律的探索，对实际生产过程具有较高的指导意义。关键词：510L；氧化铁皮；厚度演变软件1 前言热连轧加热和轧制过程中产生的氧化铁皮会导致钢材表面质量降低，加速轧辊的磨损。 形貌和厚度不同的氧化铁皮缺陷对酸洗工艺的影响很大，给后续工艺带来很多不便，影响产 品的升级换代。由于国内对热轧过程中产生的氧化铁皮研究尚未形成系统，在实际生产过程 中，氧化铁皮在线监测与控制一直是个难题。随着计算机仿真技术的进步，利用冶金热传输 数学模型的数值模拟开发热轧过程中氧化铁皮厚度演变模拟软件，可用于不同工艺条件下热 轧带钢氧化铁皮厚度演变规律的探索，对热轧工艺及带钢最终表面质量的控制
3、与提高，起到 重要的指导意义。以加热炉阶段产生氧化铁皮过程为例，厚度演变计算软件设计流程图如图 1 所示，粗轧、 精轧、卷曲过程依此类推。图 1 加热炉部分设计流程图2 氧化动力学实验进行氧化动力学实验的目的是评价各个钢种的氧化速度，测定氧化增重与时间的关系曲 线，为估算氧化皮生长情况提供基础数据。2.1 实验材料本实验采用的目标钢种为510L汽车大梁钢，其化学成分如下表:表1实验钢种的化学成分钢种CSiMnPSAlsNb510L0.06-0.090.151.35-1.450.020.0080.015-0.0250.015-0.0252.2 实验方法氧化动力学实验在 Gleeble 3500热
4、模拟试验机上进行，实验工艺如图 2所示，将线切割 好的样品用丙酮进行超声波清洗，洗掉试样表面的乳化液，之后用砂纸打磨，酒精清洗，吹 干,制备成大小为10x15x（1.52）mm的试样。采用Gleeble 3500热模拟试验机进行氧化增重 试验，设置每隔0.3秒采集一次质量增重信号，炉内气氛为空气气氛，等温氧化温度为 500、 600、700、800、900、1000、1100C，氧化时间为 60min。2.3 实验结果分析510L汽车大梁钢在空气中氧化增重与时间的关系曲线如图3所示。从图中可以看出， 在低温500、600、700、800C时，氧化增重曲线基本呈直线关系，且增重变化不大。当氧 化
5、温度达到900C时,氧化增重量突然变大，基本呈抛物线关系，氧化温度为1000C与1100C 时，氧化增重和900C时相比，增重增重量继续增加，且呈抛物线关系。对于较高的氧化温 度1000C、1100C，氧化增重速率在0-45min时逐渐变大，在45min之后，氧化增重速率 趋于缓慢。氧化速度是由氧化铁皮与基体间的Fe2+和02-的扩散控制的。当氧化在高温发生时，或 者氧化铁皮较薄时，Fe2+和O2-的扩散速度较高。因此，在700C以上时，氧化速度较快； 随着氧化的进行，由于氧化铁皮增厚，使氧化曲线在后期呈现抛物线形。图 3 510L 的氧化增重曲线3激活能Q的计算根据氧化动力学曲线，可以根据公
6、式（1）计算出在不同温度下的抛物线氧化速率常数KpN;又因为公式（2），对公式两边进行对数变换可以得到公式，就可以得到不同温度下的 lnKp,T,T 与 1/T 的关系曲线，他们应成直线关系，就可以得到直线的斜率(-Q/R)(l/T)，进而就可以得到不同钢种的激活能，l)2)3)K = A - ex p()p ,TR TIn K = In K + (乂)-p ,T0 R T式中，AW为氧化铁皮的增重，K t为抛物线氧化速率常数，t为在T温度下的时间,p,TQ为各钢种的激活能，T为温度，Kt是T温度下的抛物线氧化速率常数,R是常数。p,T图 4 5l0L 的 lnKT 与 l/T 的关系曲线4
7、热轧过程氧化铁皮厚度演变计算表2 510L氧化增重速率氧化温度/c氧化时间/min增重,mg/cm2Kp, mg2cm-4min-1500600.1363.08x10-4600600.2389.44x10-4700600.4733.68x10-3800601.3583.07x10-2900608.9281.3610006016.8464.7311006019.3546.25连续变化的温度可以看成是若干个微小的温度梯度叠加的效果如图 5所示。图 5 变温条件下计算的简化假定在一定的温度段内温度的变化以同等的微小的单元来进行递增或递减。在特定的温 度下，氧化铁皮的增重符合抛物线规律。变温的条件下的
8、氧化铁皮增重可以分解为若干个微小的等温单元来计算其生成总和。所以，变温条件下的氧化动力学方程可以表示为：4)AW 2 = AW 2 + Ki -5 tii -1pi5ti5)QK = A - ex p)(6)pRTi式中，i=l,2,3,.沆是时间步长，5 T是温度步长，并且人W - 0。激活能 Q 可以从实验中得到。所以变温下的氧化动力学数值模型可以表示为：AW 2 = AW 2 + Ki -51 + . + Ki -51 = AW 2 + Z Ki -51(7)i0p 1p i0p ii 二 1利用激活能的大小，我们就可以推导出相应钢种在不同温度下，例如加热、粗轧、精轧 过程中的氧化增重量
9、与时间的关系，如图6所示。0mu,度厚皮铁化氧0o o o o o 54321 mu，度厚皮铁化氧50 100 150时间，min(a)加热炉内2000 50 100 150 200 250时间，min0(b)轧制和冷却过程9mu,度厚皮铁化氧0 400 800 1200 1600 2000 2400时间,min(c)卷取后图 6 模拟结果输出5 热轧过程氧化铁皮厚度演变软件开发5.1 热轧氧化铁皮厚度模拟软件开发热轧氧化铁皮厚度演变计算界面，可以输入热轧工艺参数，该软件能够较准确的对热轧 带钢温度场进行从出炉到卷取的全线计算，能够准确反映轧制过程带钢温度随时间的变化规 律以及轧件内部的温度分
10、布(包括厚度方向和宽度方向)。同时以氧化动力学理论为基础， 结合研究数据，开发温度氧化铁皮厚度的对应关系模型，建立了氧化动力学模型，考虑到热轧过程是一个连续变温的过程，根据恒温氧化动力学模型推导变温条件下氧化动力学模 型。根据氧化动力学模型，在不同热轧产线中钢板温度履历，得出板带热轧过程氧化铁皮厚 度演变规律，如图 7 所示。(a)温度场模型计算(b)加热炉氧化铁皮演变(c)粗轧过程氧化铁皮演变(d)精轧过程氧化铁皮演变(e)冷却过程氧化铁皮演变 图 7 热轧氧化铁皮厚度演变结果5.2 热轧氧化铁皮厚度模拟软件应用对 510L 汽车大梁钢进行全线氧化铁皮厚度演变的模拟计算，氧化动力学模型参数，
11、轧 制工艺参数分别见表 3，粗轧每道次均除鳞，冷却方式均为前段冷却。在轧制过程中氧化铁 皮的压下率按照钢板压下率的 50%进行处理。根据计算的温度趋势得到各阶段氧化铁皮的 厚度。表 3 510L 钢的实验设定参数工艺开轧温度终轧温度卷取温度轧制速度参数1030 C880C550C扌提高5-10%不同工艺条件下，510L汽车大梁钢热连轧过程各阶段的温度演变趋势模拟结果见图8 所示。氧化铁皮的生长过程受温度、除磷以及轧制的综合影响,在温度变化趋势基础上，采 用变温条件下氧化动力学模型对不同工艺氧化铁皮生长进行模拟，模拟结果如图 9 所示。mu,度厚皮铁化氧时间，S图8 510L温度趋势- - -
12、- - - o o o o o o O 7 6 5 4 3 2 1 mu,度厚皮铁化氧加热炉除鳞0 50 100 150 200 250时间，S50 100 150 200时间，min0(a)加热炉内(b)轧制和冷却过程图 9 新工艺条件下模拟结果输出上述实验卷冷却到室温后进行开卷取样，取样位置为带长1/2 之一处，在板宽方向上的 中心位置取样，中心位置由于位于钢卷心部与空气接触极少，在卷取后其氧化铁皮厚度基本 不变，将模拟结果与现场实际检测结果对比如表 4 所示。表4计算值与实测值比较模拟值，pm测量值，pm新工艺7.637.58模拟值与实测值有较高的吻合性。在原工艺条件下，由于出炉温度、开
13、轧温度及终轧温 度较高，轧制速度较慢，使得带钢表面总体的氧化铁皮的厚度相对较大，新工艺条件下，精 轧开轧温度下降到1030-1050C左右，并且通过增开机架间冷却水提高轧制速度，所以氧化 铁皮的厚度较小。从上面两种工艺对比看出，降低开轧温度和提高轧制速度是控制氧化铁皮 厚度的关键因素。通过采集不同工艺条件下的实验进行氧化铁皮厚度检测，也证明了本项目 开发的热轧氧化铁皮厚度模拟软件具有很高的模拟精度，可以用于不同工艺条件下氧化铁皮 厚度演变规律的探索。6 结论(1) 利用实验方法绘制出510L汽车大梁钢的氧化增重曲线，在低温500、600、700、800C 时，增重变化不大，当氧化温度达到900 C及以上时，氧化增重量突然变大，基本呈抛物线 关系。(2) 通过热轧氧化铁皮厚度计算软件的开发，在演变计算界面上输入热轧工艺参数，该 软件能够较准确的对热轧带钢温度场进行从出炉到卷取的全线计算，能够准确反映轧制过程 带钢温度随时间的变化规律以及轧件内部的温度分布，包括厚度方向和宽度方向。(3)对实际生产带钢进行检测结果显示：模拟值与实测值有较高的吻合性，热轧氧化铁 皮厚度模拟软件具有很高的模拟精度，可用于不同工艺条件下热轧带钢氧化铁皮厚度演变规 律的探索，对热轧工艺及带钢最终表面质量的控制与提高，起到重要的指导意义。
