[发明专利]一种大型光亮退火马弗管等蠕变寿命的设计方法

权利要求书

1.一种大型光亮退火马弗管等蠕变寿命的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设定马弗管的直径，分为12个加热区段，根据退火带钢材质、尺寸规格、退火速度带入公式（1）计算出马弗管不同区段的内壁热流密度：

q=QS=S′vρQ′πdl---(1)]]>

式中，q为每个加热段马弗管内壁热流密度，w/m²；

Q为带钢单位时间内带走的热量，J；

S为每个加热段马弗管内壁表面积，m²；

S′为带钢截面面积，m²；

v为带钢运动速度，m/s；

ρ是带钢的密度，kg/m³；

Q′为带钢单位时间单位质量吸收的热量，J；

d为马弗管内径，m；

l为每个加热段马弗管长度，m；

根据公式（2）可算出Q′，

Q′=CΔt                                        （2）

其中，C为带钢比热容，J/kgK；

Δt为带钢温度变化量，K；

步骤2：借助CFD软件，根据实际马弗炉结构、加热及燃烧工艺特点，采用等效热流密度表征马弗管内保护气体和带钢的换热，建立大型光亮退火马弗炉加热段温度场的三维仿真模型；选择组分传输燃烧模型、离散坐标（DO）辐射模型和标准k-ε双方程湍流模型描述马弗炉内燃烧、换热和气体流动，应用SIMPLE计算方法进行求解，计算得到马弗管上的每个加热区段上的平均温度T；

步骤3：

3.1）根据马弗管实际使用条件，采用拉伸蠕变实验方法，在不同温度和应力下对马弗管材料进行多组拉伸蠕变实验，获得蠕变曲线；采用θ映射本构模型对蠕变曲线进行拟合，θ映射本构模型如下：

ϵc=θ1(1-e-θ2t)+θ3(eθ4t-1)---(3)]]>

式中ε^c为蠕变应变；

t是时间，h；

θ_i(i＝1,2,3,4)是与材料、温度以及应力有关的系数，满足如下关系：

lnθ_i=a_i+b_iσ+c_iT+d_iσT                                （4）

式中a_i、b_i、c_i、d_i是与温度相关的材料常数，

T是温度，K，

σ是应力，MPa；

通过本构拟合得到不同温度不同应力下本构参数θ_i，根据式（4）可以得到a_i、b_i、c_i、d_i这些材料常数，继而可预测不同温度和应力下的蠕变变形；

3.2）根据马弗管实际使用条件，采用持久蠕变实验方法，选择不同温度和应力对马弗管材料进行多组持久蠕变实验，获得持久断裂曲线，根据持久断裂曲线求得Larson-Miller公式中的参数，公式如下：

P(σ)=(T+273)[M+lg(t_r)]                                  （5）

式中P(σ)是应力σ的函数，取

P(σ)=p₁+p₂σ+p₃σ²＋p₄σ³                                 （6）

公式（5）和（6）中，T是温度，K，

σ是应力，MPa，

t_r是断裂时间，h，

M、p₁、p₂、p₃、p₄是常数；

继而可预测不同温度和应力下的持久断裂时间；

步骤4：

4.1）由于马弗管只受重力作用，上端应力较大，重点对马弗管上端6段进行结构设计，使之达到寿命相等，根据马弗管的实际尺寸要求，选定马弗管下端部分的L、K、J、I、H段的厚度和尺寸，根据马弗管材料的密度及L、K、J、I段的尺寸，根据公式（7）算得马弗管H段上的应力σ_H，

σH=Σi=LI{[π(0.9+hi)2-π·0.92]·li}·ρMπ(0.9+hH)2-π·0.92---(7)]]>

式中，h_i是第i＝L、K、J、I段的厚度，m，

l_i是第i段的长度，m，

ρ_M是马弗管材料的密度，kg/m³；

根据步骤2中得到第H段上的平均温度T_H，将H段上的温度T_h和应力σ_H代入Larson-Miller公式求得该温度和应力下的持久断裂时间t_H，即第H段的蠕变持久寿命极限t_rH；

4.2）将H段上的温度T_H和应力σ_H及θ映射本构参数代入θ映射本构方程预测蠕变变形，由于马弗管材料的延伸性比较好，并考虑实际使用情况，不能等到马弗管断裂再停止使用，取蠕变应变为0.3时为蠕变变形寿命极限t_0.3H，

4.3）根据蠕变变形寿命极限和蠕变持久寿命极限，判断第H段的蠕变寿命：

当t_0.3H<t_rH时，t_0.3H为该段马弗管的寿命t_aH；

当t_0.3H>t_rH时，t_rH为该段马弗管的寿命t_aH；

步骤5：根据步骤2中得到第G段上的平均温度T_G和步骤4中算得的H段的寿命t_aH，使第G段与H段的寿命相等，即t_aG=t_aH，将第G段的温度T_G和寿命t_aG及θ映射蠕变本构参数代入θ映射本构方程使蠕变应变为0.3求第G段上的应力σ_G，将第G上的温度T_G和应力σ_G代入Larson-Miller公式求得持久断裂时间t_G，即蠕变持久寿命极限t_rG，

当t_aG<t_rG，G段上的应力合理；

当t_aG>t_rG，将第G段的寿命t_aG和G段上的温度T_G代入Larson-Miller公式求第G段上的应力σ_G；

将第G段上的应力σ_G代入公式（8）算出第G段的厚度h_G；

σG=Σi=LH{[π(0.9+hi)2-π·0.92]·li}·ρMπ(0.9+hG)2-π·0.92---(8)]]>

步骤6：根据步骤5同理可算出第F段上的应力σ_F，再代入公式（9）：

σF=Σi=LH{[π(0.9+hi)2-π·0.92]·li+[π(0.9+hG)2-π·0.92]·lG}·ρMπ(0.9+hF)2-π·0.92---(9)]]>

式中l_G和h_F未知，即第G段长度和第F段的厚度未知，由于马弗管段与段之间是焊接在一起的，厚度差别在1~5mm范围以内，即可确定第G段长度l_G和第F段的厚度h_F；

步骤7：根据步骤5和步骤6，可依次确定马弗管上端每段的厚度和尺寸，所得马弗管可使马弗管每段的蠕变寿命相等，继而可延长马弗管的整体蠕变寿命。