连铸坯脱氢退火数值模拟

2020-08-05姜东滨智建国张立峰

工程科学学报 2020年7期

姜东滨，智建国，宋海，高勇，张立峰

1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 包头钢铁有限责任公司，包头 014000 3) 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛 066044

钢铁材料生产过程中，由于矿石原料、合金辅料、耐火材料含有水分，在高温条件下水中的氢元素富集于钢中.冶炼过程中，部分氢以气泡形式从钢中排出，当仍有部分氢残留于固体钢中.但氢质量分数达到一定的临界值后，富集的氢原子在钢中聚集产生白点，大幅度降低钢材强度和韧性，导致钢的脆性断裂[1].为了降低钢中的氢含量，冶金工作者采用RH、VD真空精炼工艺，将氢质量分数降低至 2×10−6左右[2−8].随着钢材质量要求的不断提高，对氢含量提出了更严格的要求，因此国内外学者开展了固体钢中氢原子的扩散脱除行为研究.

Bucur等[9]采用Ansys有限元软件模拟微观尺度条件下氢的扩散，认为氢原子的扩散主要集中在晶粒与晶粒之间，而在晶内的扩散相对较少.张凤春等[10]基于密度泛函理论采用第一性原理方法模拟氢在2205双相不锈钢中的扩散和分布特征，发现奥氏体中氢扩散激活能较高，其更容易在铁素体缺陷处聚集，造成氢富集开裂.刘晓坤等[11]采用边界元方法分析了裂纹处氢含量分布，发现裂纹尖端的氢含量随着时间增加而升高，并出现多个峰值.由于氢原子在塑性区内高度集中，最终造成脆性断裂.陶平等[12]采用Abaqus有限元软件模拟氢原子在不锈钢中的脱除行为，认为随着钢中奥氏体相体积分数的增加，氢扩散能力显著降低，且氢原子在纵向组织中的扩散速度更小.范俊锴等[13]采用随机函数建立考虑氢陷阱的二维模型，研究氢陷阱结合能、加热速率、初始浓度等对氢在Q235钢内的脱除行为，认为较快的加热速度会促进氢的扩散曲线向高温区移动，导致氢无法在短时间内脱除，因此钢在退火过程需要控制升温速率.游佳迪等[14]采用Matlab软件模拟Cr5钢铸锭脱氢行为，分析热处理时间和温度对氢含量的影响，认为铁素体中脱氢速度较快，而奥氏体中氢扩散速率较慢.谭天宇等[15]采用Deform有限元软件分析研究等温热处理过程中氢含量的变化，结果表明低温条件适合锻件边部氢含量的降低，而高温度促进锻件内部氢的均匀分布.杨东等[16]采用菲克第二定律建立了脱氢数学模型，计算钢板厚度方向一维传质过程，认为随着钢板厚度增加和温度降低，氢的扩散速率明显下降，推荐采用连铸坯高温堆垛和保温坑缓冷工艺.王卫华等[17]在传热基础上建立了二维氢扩散模型，分析了中厚板连铸坯堆垛缓冷脱氢效果，认为在缓冷初期氢含量降低速度较快，而缓冷后期温度较低，导致脱氢速率减缓，并通过工艺调整实现连铸坯除氢率达到84.6%.

众多学者[18−24]对固体钢中氢扩散和脱除行为进行了模拟分析研究，认为经缓冷处理后钢中的氢含量能够明显降低.传统的缓冷设备因不具备升温能力，连铸坯温度无法控制，脱氢效果不稳定，而针对缓冷控温过程中连铸坯脱氢行为的研究仍然相对较少.本文根据某钢厂的缓冷控温设备，采用数值模拟方法分析钢轨钢连铸坯脱氢退火过程中的温度场、氢含量场变化特征，研究退火温度、退火时间对脱氢效果的影响，优化退火工艺，并通过工业试验降低连铸坯氢含量，以满足工业生产需求.

1 数学模型

连铸坯的脱氢退火过程同时包括传热和传质两方面，两者之间相互影响.本文以钢轨钢（U75V）为研究对象，建立 280 mm×380 mm 大方坯脱氢退火数学模型.模型坐标系固定于连铸坯中心，如图1所示.设定连铸坯初始温度为293 K，初始氢质量分数为 1.8×10−6，且在连铸坯中分布均匀.在模拟计算时，为了准确获得退火过程中连铸坯温度场和氢质量分数的分布特征，将连铸坯横截面划分为 2 mm×2 mm 网格.

式（1）为模型计算的传热方程，其中T是温度，K；ρ是密度，kg·m−3；c是热容，J·kg−1·K−1；k是导热系数，W·m−1·K−1；ST是内热源项，W·m−3.

式（2）为氢的扩散方程[25]，其中CH为钢中氢的质量分数，10−6；D是氢的扩散系数，m2·s−1.脱氢退火过程中，氢原子通过扩散方式从连铸坯内部迁移至连铸坯表面，实现快速脱氢.其中氢原子扩散速率通过公式（3）表达，其中R是气体常数[17].

采用关系式（4）为氢原子脱除边界条件，其中L为通过连铸坯表面的氢脱除速率，10−6s−1；S为单位体积界面积，m−1；D为氢原子的扩散系数，m2·s−1；l为特征长度，m；CH,0为初始氢质量分数，10−6.模拟计算过程中，所用材料属性如表1所示.

表1 模型参数Table 1 Physical parameter used in the model

2 模拟计算结果

通过建立二维脱氢数学模型，研究钢轨钢连铸坯的脱氢退火行为，分析连铸坯温度场和氢质量分数的变化特征，研究退火温度和退火时间对连铸坯脱氢效果的影响规律.

2.1 连铸坯脱氢退火行为

退火过程中，在室温条件下将连铸坯送至保温坑中，通过火焰加热装置将连铸坯以 30 K·h−1的速率升温.由于角部属于二维传热，升温速率较快，温度较高，如图2（a）所示.随着加热的进行，热量源源不断地输入，连铸坯中心温度逐渐增加.在升温阶段结束时，连铸坯中心和连铸坯角部温度分别为925.1 K和935.0 K，连铸坯横截面温度分布如图 2（b）所示.系统温度设定为 953 K，由于加热速度较慢，连铸坯中心温度和设定温度差相对较小.随着保温阶段的进行，连铸坯中心和表面温度逐渐均匀.经过 24 h 的均热保温，连铸坯以 20 K·h−1的冷却速率降至室温.

图3（a）为脱氢退火过程中连铸坯角部、边部、中心的氢质量分数随退火时间的变化特征.连铸坯角部和边部与炉气直接接触，氢扩散速率相对较快.在升温阶段结束时，边部氢质量分数能够降低至0.27×10−6.由于连铸坯角部氢属于二维扩散，氢质量分数降至更低，在升温阶段结束时达到 0.10×10−6.在连铸坯中心，氢原子尚未扩散，氢质量分数仍然相对较高.在加热段结束时，连铸坯中心氢开始降低.在均热段结束时，中心氢质量分数能够降至 1.38×10−6，如图 3（b）所示.连铸坯进入冷却段时，由于中心温度仍然较高，氢原子仍能够扩散脱除.连铸坯经过退火处理后，连铸坯中心氢质量分数能够降低至 1.0×10−6.从图 3（b）还可以看出，经退火处理后连铸坯氢质量分数的模拟值和实测值分布基本相同，均表现出中心大、边缘小的规律，与冼爱平等[26]的研究结果相似.模拟值和检测值存在一定的差值，主要有两方面原因：一是连铸坯中存在氢陷阱，影响了固体钢中氢原子的扩散，而在模型中尚未考虑；二是由于初始氢原子在连铸坯中分布不均匀，而在模型中将其假设均匀分布.

图2 连铸坯温度变化.（a）升温曲线；（b）横截面温度场分布Fig.2 Temperature variation of bloom: (a) heating curve; (b) temperature field in the cross section

图3 连铸坯氢质量分数的变化.（a）角部、边部、中心的氢质量分数；（b）连铸坯宽度方向氢分布Fig.3 Variation of hydrogen mass fraction: (a) hydrogen mass fraction in the corner, edge and center of bloom; (b) hydrogen distribution in the lateral direction

图4为连铸坯脱氢退火处理后横截面的氢质量分数分布，可以看出连铸坯边部、角部的氢质量分数较低，连铸坯中心的氢质量分数仍然较高.经过24 h脱氢退火处理后，连铸坯边部氢质量分数降低至 0.27×10−6，中心氢质量分数降至 1.0×10−6，脱氢效果较为显著.

图4 连铸坯横截面氢质量分数分布Fig.4 Hydrogen distribution in cross section of bloom

2.2 脱氢退火温度的影响

随着温度的增加，氢原子在固体钢中的扩散速率加快.本文研究了退火温度分别为673、773、873、953 K条件下的连铸坯脱氢行为.为了避免退火时间影响，将缓冷坑加热段的时间设为22 h，均热段时间为 24 h，降温时间为 33 h，连铸坯中心的温度变化如图 5（a）所示.图 5（b）为不同退火温度条件下连铸坯中心的脱氢速率，可以看出随着退火温度的提高，连铸坯中心脱氢起始点提前.当温度从673 K增加至953 K时，连铸坯中心脱氢起始点从 16.5 h 提前至 12.8 h.此外，在均热段结束时，连铸坯中心的脱氢最高.当温度从673 K增加至953 K 时，脱氢速率从0.0094×10−6h−1增加至0.0218×10−6h−1，这主要是由于退火温度提高，氢原子的扩散速率呈指数增加，有利于连铸坯的脱氢处理.

图5 不同温度对连铸坯脱氢的影响.（a）中心温度变化；（b）中心脱氢速率变化Fig.5 Effect of annealing temperature on dehydrogenation: (a) center temperature variation; (b) center dehydrogenation rate variation

图6 连铸坯氢质量分数变化.（a）中心氢质量分数变化；（b）氢质量分数沿宽度方向分布Fig.6 Variation of hydrogen mass fraction in bloom: (a) center hydrogen mass fraction; (b) hydrogen mass fraction in the lateral direction

图6（a）为不同退火温度条件下连铸坯中心氢质量分数的变化，在加热阶段时连铸坯中心氢质量分数几乎不变，在均热段开始时连铸坯中心氢质量分数开始快速降低.退火温度从673 K增加至953 K时，脱氢处理后连铸坯中心氢质量分数从 1.59×10−6降低至 1.0×10−6，脱氢效果显著.图 6（b）为不同退火温度条件下连铸坯宽度方向氢质量分数的分布，可以看出连铸坯边部氢质量分数基本相同，中心氢质量分数相对较高，且均热段温度越低，连铸坯中心氢质量分数越高.

2.3 脱氢退火时间的影响

在连铸坯脱氢过程中，除了退火温度外，退火时间也是影响脱氢效果的主要因素.本节将均热段温度设定为953 K，分析保温时间分别为6、24、48和72 h时连铸坯的脱氢情况，其中不同退火时间条件下连铸坯中心温度如图7（a）所示.图7（b）为连铸坯中心脱氢速率的变化.可以看出，当加热至12.8 h时，此时连铸坯中心脱氢速率逐渐增加，中心氢质量分数开始降低.当脱氢处理时间达到44.6 h，连铸坯中心脱氢速率最快，能够达到0.0218×10−6h−1.在实际脱氢退火处理过程中，为了实现连铸坯充分脱氢处理，保温时间不应小于22.6 h.当连铸坯进入冷却阶段后，中心温度逐渐降低，脱氢效率开始明显下降.

图8为不同退火时间条件下连铸坯中心氢质量分数和脱氢率的变化.当均热段时间为6 h时，退火处理后连铸坯中心氢质量分数为1.36×10−6，脱氢率24.4%；当均热段时间增加至24 h时，连铸坯中心氢质量分数降低至1.0×10−6，脱氢率为44.4%；均热段时间为48 h时，最终连铸坯中心氢质量分数为 0.66×10−6，脱氢率为 63.3%；均热段时间延长至72 h时，脱氢处理后连铸坯中心氢质量分数为 0.43×10−6，脱氢率为 76.1%.随着均热段时间的延长，连铸坯中心氢质量分数显著降低，但中心脱氢率的增加幅度却在逐渐减小，这主要是由于连铸坯中心脱氢速率下降造成的.

图9（a）为不同退火时间条件下连铸坯横截面的氢质量分数分布，在连铸坯边缘处，钢中氢质量分数相对较低.随距连铸坯边部距离的增加，氢质量分数明显增大.在连铸坯中心附近，氢质量分数达到最大.不同退火保温时间条件下，连铸坯中心氢质量分数测量值和模拟值如图9（b）所示.随着退火均热时间的延长，连铸坯氢质量分数明显降低，脱氢速率逐渐减缓，模拟值与实测值吻合相对较好.均热时间为72 h时，模拟连铸坯中心氢质量分数降至 0.43×10−6，测量值为 0.6×10−6.

在工业生产过程中，通过缓冷坑设备改造实现控温能力.将退火温度设定为953 K，退火均热时间为72 h，开展连铸坯脱氢退火试验，试验结果如图10所示.在脱氢退火前，连铸坯中氢质量分数为 1.75×10−6，氢质量分数相对较高.经脱氢退火工艺后，连铸坯中氢质量分数能够稳定降低至0.6×10−6，脱氢效果非常明显，满足钢轨钢质量要求.

图7 不同保温时间条件下连铸坯脱氢.（a）连铸坯中心温度；（b）中心脱氢速率变化Fig.7 Dehydrogenation of bloom with different soaking times: (a) center temperature variation; (b) center dehydrogenation rate variation

图8 连铸坯中心氢质量分数变化.（a）中心氢质量分数；（b）中心脱氢率Fig.8 Variation of center hydrogen mass fraction: (a) center hydrogen mass fraction (b) center dehydrogenation efficiency

图9 不同保温时间条件下连铸坯脱氢.（a）横截面氢质量分数；（b）中心氢质量分数变化Fig.9 Dehydrogenation of bloom with different soaking times: (a) distribution of hydrogen mass fraction; (b) center hydrogen mass fraction variation