技术领域
[0001] 本
发明涉及
冶金生产技术领域，特别是
热轧钢的成型加工，具体是一种高
碳钢高温加热扩散控制方法。
背景技术
[0002] 高碳钢的碳成分偏析是一个难以通过炼钢
连铸阶段完全解决的技术难题，钢坯或者钢锭化学成分不均匀，对机加工、
热处理、
拉拔稳定性和其它应用性能带来不利影响。目前，很多高等级的钢材还是需要通过高温扩散来减轻或者消除枝晶偏析的。采用的一般方法是：把
铸坯或者钢锭，放在加热炉或者均热炉当中，然后按照给定的工艺曲线进行加热升温、保温，从而实现高温扩散的。
[0003] 高温加热扩散工艺最重要的两个参数是加热
温度和保温时间。遗憾的是，目前高温扩散工艺参数的制定无可靠的理论依据，缺乏行之有效的参考标准。对于不同材料的钢锭、不同的来料尺寸等，高温扩散工艺参数应该有差别及针对性。然而，现行的工艺比较笼统，大多是凭经验试凑，导致的结果是，有些情况下，能够满足
质量要求，但可能由于保温时间过长，使得晶粒过于粗大及造成
能源巨大浪费；而有些情况下，由于保温时间不够长，无法达到高温扩散的目的，白白消耗了宝贵的能源。
[0004] 由于高温加热扩散是在1200度以上的高温下，保温数小时，能源消耗量非常大，
氧化烧损也非常严重。目前，钢
铁工业已经进入微利时代，各钢铁企业都非常关注产品质量和能源消耗。需要高温扩散的钢种，其在加热过程中的能源消耗，占整个生产过程的能源总量的80％以上，因此，如何最佳地控制高温扩散的加热过程，在保证产品质量的前提下，尽量降低
燃料的消耗量是非常必要的。为了最佳控制高温扩散的加热过程，需要提供一种技术手段，根据不同的钢种、不同的钢坯几何尺寸，动态判断高温扩散的效果，以便准确确定出高温加热扩散结束的时间。
[0005] 对于这个问题的解决方案，国内的主要
专利和文献如下：
[0006] 《国外金属热处理》1998年第4期，《碳扩散模型在工艺偏差修正中的作用》一文，将碳扩散模型成功用在钢的
渗碳热处理中，应用表明：该模型比较适合深层渗碳。然而，为了消除碳偏析，高碳钢需要高温扩散，这个高温物理过程与渗碳是完全不同的，所以，该方法不能扩展到高碳钢高温扩散这样的场合，需要一种新的技术手段。
[0007] 加热炉
申请(专利)号：CN200910012026.7；
发明名称：一种减少高碳钢内部碳偏析的方法。该发明公开一种减少高碳钢内部碳偏析的方法。发明采用的生产工艺为：炼钢→精炼→连铸→加热炉加热→连轧，其特征在于：加热炉加热时，加热时间≤1.5小时，均热时间为≥2.0小时，总时间为≤3.5小时，出炉温度为1150℃～1250℃，开轧温度为1100℃～1250℃，终轧温度≥900℃。
[0008] 该专利只给出了加热时间的范围，并没有给出根据钢种、钢坯尺寸，动态计算钢坯内碳偏析随温度进行扩散的情况，也没有给出高碳钢高温扩散结束时间的控制方法。因此，也就难以实现高碳钢高温扩散的最佳控制，也难以达到既满足产品质量的要求，又节约能源的目的。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供一种高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的控制方法通过计算机模型动态计算高温炉内钢坯的温度分布和碳浓度分布，从而最佳地确定高碳钢碳的高温加热扩散结束时间，确保产品质量，节约能源消耗。用以解决现有的高碳钢高温加热扩散无法准确控制加热时间，不能同时满足产品质量要求和节约能源的问题。
[0010] 为实现上述目的，本发明的方案是：一种高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的高碳钢高温加热扩散控制方法包括如下步骤：
[0011] (1)设定钢坯的目标温度偏差和目标碳浓度偏差，获取钢坯的参数信息，根据所述的参数信息计算钢坯的初始温度分布和初始碳浓度分布；
[0012] (2)获取炉内温度，根据钢坯的物性参数及高温炉内的
辐射系数，以步骤(1)计算的钢坯的初始温度分布为起点，采用热传导方程，计算钢坯的当前温度分布；
[0013] (3)根据步骤(2)得到的钢坯的当前温度分布，以步骤(1)计算的钢坯的初始碳浓度分布为起点，根据钢坯中碳的扩散激活能和扩散系数，采用扩散方程，计算钢坯的当前碳浓度分布；
[0014] (4)根据所述钢坯的当前温度分布和碳浓度分布，计算钢坯的最大温度偏差△Tact和最大碳浓度偏差△Cact，并与设定的目标温度偏差△Taim和目标碳浓度偏差△Caim进行比较，如果△Tact小于等于△Taim，而且△Cact小于等于△Caim，则钢坯的加热质量满足工艺要求，高温加热扩散结束；否则，根据步骤(1)再次计算钢坯的初始温度分布和碳浓度分布，重新对钢坯进行高温加热扩散。
[0015] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(1)中，所述的钢坯参数信息包括钢坯尺寸、钢坯导热系数、钢坯
比热、钢坯
密度、碳的扩散激活能和扩散系数。
[0016] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(1)中，如果是初次计算，则钢坯的初始温度分布设为钢坯装炉时实际测量的表面温度，即： 钢坯的初始碳浓度分布设置为钢坯装炉前检验获得的钢坯碳浓度分布，即：
[0017] 否则，钢坯的初始温度分布为上一次计算获得的钢坯当前温度分布，即：钢坯的初始碳浓度分布为上一次计算获得的钢坯当前碳浓度分布，即：
[0018] 其中，Tsuf是钢坯装炉时测量的表面温度；
[0019] 是钢坯装炉前检验获得的碳浓度分布；
[0020] 为上一次计算获得的钢坯的当前温度分布；
[0021] 为上一次计算获得的钢坯的当前碳浓度分布；
[0022] i是钢坯厚度方向网格的序号，N是最大网格数。
[0023] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(2)中，所述钢坯的当前温度分布，采用常规的差分方法计算，求解热传导方程，热传导方程的表达形式如下：
[0024]
[0025]
[0026] 其中，Qtop为钢坯的上表面热流；
[0027] Qdown为钢坯下表面热流；
[0028] a为导温系数；
[0029] λ为导热系数；
[0030] εtop∈(0,1)为高温炉内上部辐射系数；
[0031] σ为玻尔兹曼常数；
[0032] 为上部炉气温度；
[0033] TN为钢坯上表面温度；
[0034] εdown∈(0,1)为高温炉内下部辐射系数；
[0035] 为上部炉气温度；
[0036] T1为钢坯下表面温度。
[0037] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(3)中，所述的扩散方程的表达形式如下：
[0038]
[0039] D＝D0exp(-Q/RT)
[0040] 其中，D为扩散系数；
[0041] Q为扩散激活能，单位是J/mol；
[0042] R是气体常数；
[0043] T为由步骤2获得的钢坯厚度方向各层网格的温度；
[0044] D0为扩散常数；
[0045] C0(x)为钢坯的初始碳浓度分布；
[0046] C(x,0)为钢坯的当前碳浓度分布。
[0047] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(4)中，所述的最大碳浓度偏差△Cact，是根据步骤(3)获得的钢坯上表面碳浓度、下表面碳浓度和中心碳浓度，先求出上表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值以及下表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值，然后将两个绝对值中的最大值作为碳浓度偏差△Cact即：
[0048] △Cact＝max{△c1,△c2}
[0049] △c1＝|Ccenter-C1|，△c2＝|Ccenter-CN|
[0050] 其中，△c1为钢坯的下表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值；
[0051] △c2为钢坯的上表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值；
[0052] Ccenter、C1、CN分别为钢坯中心碳浓度、下表面碳浓度及上表面碳浓度。
[0053] 根据本发明所述的高碳钢高温加热扩散控制方法，所述的步骤(4)中，所述的最大温度偏差△Tact，是根据步骤(2)获得的钢坯上表面温度、下表面温度和中心温度，先求出上表面温度与中心温度之差的绝对值，以及钢坯下表面温度与中心温度之差的绝对值，然后将两个绝对值的最大值作为最大温度偏差△Tact，即：
[0054] △Tact＝max{△T1,△T2}
[0055] △T1＝|Tcenter-T1|，△T2＝|Tcenter-TN|
[0056] 其中，△T1为钢坯的下表面温度与中心温度之差的绝对值；△T2为钢坯的上表面温度与中心温度之差的绝对值；Tcenter、T1、TN分别为钢坯的中心温度、下表面温度及上表面温度。
[0057] 本发明达到的有益效果：本发明的控制方法可实现对高碳钢高温加热扩散过程中温度分布、碳浓度分布随时间的变化进行监控，并根据温度均匀性指标和碳浓度均匀性指标，更加准确的确定高温加热扩散的结束时间。通过计算机模型动态计算高温炉内钢坯的温度分布和碳浓度分布，从而最佳地确定高碳钢碳的高温加热扩散结束时间，确保产品质量，节约能源消耗。
附图说明
[0059] 图2是本发明的网络划分示意图；
[0060] 图3是本发明的加热过程升温曲线示意图；
[0061] 图4是本发明的碳浓度分布曲线示意图。
具体实施方式
[0062] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0063] 如图1所示，本发明控制方法的具体过程如下：
[0064] 步骤1，获取钢坯的相关参数信息，根据所述的参数信息，计算钢坯的初始温度分布和碳浓度分布。
[0065] 如果是初次计算，则对钢坯厚度方向进行等间距的网格划分，钢坯的初始温度分布为装炉时实际测量的表面温度，即： 钢坯的初始碳浓度分布为装炉前检验获得的钢坯碳浓度分布，即：
[0066] 如果不是初次计算，则钢坯的初始温度分布为上一次计算获得的钢坯当前温度分布，即： 钢坯的初始碳浓度分布为上一次计算获得的钢坯当前碳浓度分布，即：
[0067] 其中， 为钢坯的初始温度分布；
[0068] Tsuf是钢坯装炉时测量的表面温度；
[0069] 为上一次计算获得的钢坯当前温度分布；
[0070] 为上一次计算获得的钢坯当前碳浓度分布；
[0071] 是钢坯的初始碳浓度分布；
[0072] 是钢坯装炉前检验获得的碳浓度分布；
[0073] i是钢坯厚度方向网格的序号，i＝1,2,3.....N，N是最大网格数，网格划分的示意图见图2，沿钢坯厚度方向，从钢坯下表面开始到上表面，将钢坯厚度划分为i＝1,2,3...N层，i＝1为第一层即下表面，i＝N为最后一层，即上表面。
[0074] 步骤2，获取炉内温度，根据钢坯的物性参数及辐射系数，以步骤1得到的钢坯的初始温度分布为起点，采用热传导方程，计算钢坯的当前温度分布。
[0075] 所述热传导方程的表达形式如下：
[0076]
[0077]
[0078] 其中，Qtop为钢坯的上表面热流；
[0079] Qdown为钢坯下表面热流；
[0080] a为导温系数；
[0081] λ为导热系数；
[0082] εtop∈(0,1)为高温炉内上部辐射系数；
[0083] σ为玻尔兹曼常数；
[0084] 为上部炉气温度；
[0085] TN为钢坯上表面温度；
[0086] εdown∈(0,1)为高温炉内下部辐射系数；
[0087] 为上部炉气温度；
[0088] T1为钢坯下表面温度。
[0089] 步骤3，根据步骤2的计算结果，以步骤1得到的钢坯的初始碳浓度分布为起点，根据钢坯的扩散激活能和扩散系数，采用扩散方程，计算钢坯的当前碳浓度分布。
[0090] 所述扩散方程的表达形式如下：
[0091]
[0092] D＝D0exp(-Q/RT)
[0093] 其中，D为扩散系数；Q为扩散激活能，单位是J/mol；R是气体常数；D0为扩散常数；T为由步骤2获得的钢坯厚度方向各层网格的温度；C0(x)为钢坯的初始碳浓度分布；C(x,0)为钢坯的当前碳浓度分布。
[0094] 步骤4，根据步骤2和步骤3获得的计算结果，计算钢坯的最大温度偏差△Tact和最大碳浓度偏差△Cact，并将计算得到的最大温度偏差△Tact和最大碳浓度偏差△Cact与设定的目标温度偏差△Taim和目标碳浓度偏差△Caim进行比较，如果△Tact小于等于△Taim，而且△Cact小于等于△Caim，则钢坯的加热质量，满足工艺要求，高温扩散结束；否则，继续执行步骤1。
[0095] 所述的钢坯的最大温度偏差△Tact，是根据步骤2获得的钢坯上表面、下表面和中心温度，先求出钢坯的上表面温度与中心温度之差的绝对值，以及钢坯的下表面温度与中心温度之差的绝对值，然后求出两个绝对值的最大值作为钢坯的最大温度偏差△Tact，表达式为：
[0096] △Tact＝max{△T1,△T2}
[0097] △T1＝|Tcenter-T1|，△T2＝|Tcenter-TN|
[0098] 其中，Tcenter、T1、TN分别为步骤2计算获得的钢坯中心温度、下表面温度及上表面温度。
[0099] 所述的最大的碳浓度偏差△Cact，是根据步骤3获得的钢坯的上表面、下表面和中心碳浓度，先求出上表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值，以及下表面碳浓度与中心碳浓度之差的绝对值，然后求出两个绝对值中的最大值作为钢坯的最大碳浓度偏差△Cact，表达式为：
[0100] △Cact＝max{△c1,△c2}
[0101] △c1＝|Ccenter-C1|，△c2＝|Ccenter-CN|
[0102] 其中Ccenter、C1、CN为步骤3计算获得的钢坯的中心碳浓度、下表面碳浓度及上表面碳浓度。
[0103] 通过本发明的技术方案，便可实现对高碳钢高温加热扩散过程中温度分布、碳浓度分布随时间的变化进行监控，然后，根据温度均匀性指标和碳浓度均匀性指标，确定高温加热扩散的结束时间。通过计算机模型动态计算高温炉内钢坯的温度分布和碳浓度分布，从而最佳地确定高碳钢碳的高温加热扩散结束时间，确保产品质量，节约能源消耗。
[0105] 下面以Gr15
轴承钢、钢坯厚度300mm为例，详细介绍本发明的控制方法，Gr15轴承钢钢坯进入均热炉进行高温加热扩散，满足工艺温度要求和扩散质量要求后，结束加热，进行出炉
轧制，具体实施过程如下：
[0106] 根据本发明的控制方法，首先按照步骤1，获取钢坯的相关参数信息，计算钢坯的初始温度分布和初始碳浓度分布。
[0107] 钢坯厚度为300mm，对于第一次计算，钢坯的初始温度分布设为装炉时实际测量的表面温度 i＝1,2,3,4,5；钢坯的碳浓度分布设置为钢坯装炉前检验获得的钢坯碳浓度分布 其中
要求加热工艺满足钢坯断面温差在10℃以内，断面碳溶度偏差0.05以内。
[0108] 炉内的高温加热扩散加热温度随时间变化情况如下所示：
[0109]工艺过程 800℃保温 匀速升温 1100℃保温 匀速升温 1240℃保温
时间h 3 2 2 1.5 >＝2
[0110] 对于非第一次计算情况， i＝1,2,3，4,5。其中Tsuf是钢坯装炉时测量的表面温度； 是钢坯装炉前检验获得的碳浓度分布。 分别为上一次计算获得的钢坯的当前温度分布和当前碳浓度分布；i是钢坯厚度方向网格的序号，N＝5是最大网格数，网格划分的示意图见图2。
[0111] 按照步骤2，获取高温炉内
热电偶的温度，本例中不同时刻热电偶温度和对应时刻的工艺温度相同，根据钢坯的物性参数及辐射系数，这里取钢坯的上、下表面的辐射系数εtop、εdown分别为0.85、0.65。以步骤1给出的钢坯初始温度分布为起点，采用热传导方程，计算钢坯的当前温度分布。所述计算钢坯的温度分布，采用常规的差分方法，求解步骤2所述的热传导方程。加热过程升温曲线如图3所示。
[0112] 按照步骤3，把计算的当前温度分布作为扩散系数的温度输入，本案例取扩散常数为0.13cm2/s，扩散激活能为34884cal/mol，并以步骤1给出的钢坯的当前碳浓度分布为起点，根据钢坯的扩散激活能和扩散系数，采用扩散方程，计算钢坯的当前碳浓度分布。所述计算钢坯的当前碳浓度分布，采用常规的差分方法，求解本发明步骤3给出的扩散方程。碳浓度分布的最终的计算结果如图4所示。
[0113] 按照步骤4，根据计算得到的当前碳浓度分布和当前温度分布，计算钢坯的最大的温度偏差△Tact和计算最大的碳浓度偏差△Cact，并与工艺给定的目标温度偏差△Taim＝10和碳浓度偏差△Caim＝0.05进行比较，如果△Tact小于等于△Taim，而且△Cact小于等于△Caim，则钢坯的加热质量，满足工艺要求，高温扩散结束；否则，重新执行步骤1。
[0114] 根据图3和图4的最终计算结果，在加热工艺时间550min时，△Tact≤10；在加热工艺时间600min时，△Cact≤0.05。因此，在加热工艺时间600min时，满足△Tact小于等于△Taim，而且△Cact小于等于△Caim；所以，可以控制钢坯高温扩散加热过程结束，进行出钢轧制。
[0115] 按照本发明方法，可实现对高碳钢高温加热扩散过程中温度分布、碳浓度分布随时间的变化进行监控，然后，根据温度均匀性指标和碳浓度均匀性指标，确定高温加热扩散的结束时间。通过计算机模型动态计算高温炉内钢坯的温度分布和碳浓度分布，从而最佳地确定高碳钢碳的高温加热结束时间，确保产品质量，节约能源消耗。
