[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

摘要

本发明一种大型光亮退火马弗管等蠕变寿命的设计方法，该方法结合实验和数值模拟，设计的马弗管上下区段的使用寿命接近相等，首先，计算马弗管内壁热流密度；模拟计算马弗管上温度；拉伸蠕变和持久蠕变实验，求得θ映射本构模型参数和Larson-Miller参数；计算H段的应力，根据计算所得温度，得到应变为0.3时蠕变变形寿命极限和蠕变持久寿命极限，判断H段马弗管的寿命；使上下两段的寿命相等，得到应变为0.3时G段的应力，继而求得该段蠕变持久寿命极限，判断并确定G段的应力，计算得到G段的厚度；计算F段的应力，确定G段的长度和F段的厚度；逐一确定上端每段的厚度和长度。该方法设计的马弗管能够延长整体使用寿命。

主权项

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 = Q S = S ′ vρ Q ′ 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： ϵ c = θ 1 ( 1 - e - θ 2 t ) + θ 3 ( e θ 4 t - 1 ) - - - ( 3 ) 式中εc为蠕变应变；t是时间，h；θi(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：lnθi=ai+biσ+ciT+diσT                                （4）式中ai、bi、ci、di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θi，根据式（4）可以得到ai、bi、ci、di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(tr)]                                  （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，tr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σH， σ H = Σ i = L I { [ π ( 0.9 + h i ) 2 - π · 0.9 2 ] · l i } · ρ M π ( 0.9 + h H ) 2 - π · 0.9 2 - - - ( 7 ) 式中，hi是第i＝L、K、J、I段的厚度，m，li是第i段的长度，m，ρM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TH，将H段上的温度Th和应力σH代入Larson‑Miller公式求得该温度和应力下的持久断裂时间tH，即第H段的蠕变持久寿命极限trH；4.2）将H段上的温度TH和应力σH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t0.3H，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t0.3HtrH时，trH为该段马弗管的寿命taH；步骤5：根据步骤2中得到第G段上的平均温度TG和步骤4中算得的H段的寿命taH，使第G段与H段的寿命相等，即taG=taH，将第G段的温度TG和寿命 taG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σG，将第G上的温度TG和应力σG代入Larson‑Miller公式求得持久断裂时间tG，即蠕变持久寿命极限trG，当taGtrG，将第G段的寿命taG和G段上的温度TG代入Larson‑Miller公式求第G段上的应力σG；将第G段上的应力σG代入公式（8）算出第G段的厚度hG； σ G = Σ i = L H { [ π ( 0.9 + h i ) 2 - π · 0.9 2 ] · l i } · ρ M π ( 0.9 + h G ) 2 - π · 0.9 2 - - - ( 8 ) 步骤6：根据步骤5同理可算出第F段上的应力σF，再代入公式（9）： σ F = Σ i = L H { [ π ( 0.9 + h i ) 2 - π · 0.9 2 ] · l i + [ π ( 0.9 + h G ) 2 - π · 0.9 2 ] · l G } · ρ M π ( 0.9 + h F ) 2 - π · 0.9 2 - - - ( 9 ) 式中lG和hF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lG和第F段的厚度hF；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。