一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，根据氧化增重实验，依次确定了升温阶段氧化层计算模型、保温阶段氧化层计算模型，并通过设定加热炉内工艺参数，以热连轧实际过程中炉内气氛、加热温度和加热时间的实时数据，作为输入参数，通过钢件表面氧化层厚度模型计算公式，可以实时预测表层氧化层的厚度的变化，从而达到调整工艺参数控制氧化层厚度，改善弹簧钢棒线材表面质量问题，为棒线材的高质量表面控制技术提供一种新的开发方向。具有简单、快捷的特点，对企业现场的实际生产具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法
本专利技术涉及轧钢
，具体为一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法。
技术介绍
弹簧钢被广泛应用于各种机械、仪器、仪表、交通、石油化工等领域。随着弹簧钢使用工况的越来越苛刻，对弹簧钢表层质量的要求也越来越严格。钢铁表面的氧化铁皮对产品的质量影响很大。一方面，氧化铁皮起着保护基体免锈蚀的作用,另一方面也需要在酸洗时容易除去，否则在轧制过程中会被压入钢材表面，经酸洗后就会在钢材表面留下深浅不一的小坑，严重影响了产品的质量。因此，控制加热过程中产生的氧化层厚度显得尤为重要。目前关于钢件氧化层厚度的研究多集中在保温阶段。中国专利CN101879530A公开了一种热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法，通过建立厚度预测模型，从过程机数据库中在线调用合金成分、工艺参数、实时温度参数及时间参数，作为参数输入，进行热连轧过程氧化铁皮厚度预测。此方法仅针对保温过程有效，且测量精确度不够。而目前，对于从理论计算表征加热及保温全过程氧化层厚度的研究很少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，以热连轧实际过程中炉内气氛、加热温度和加热时间的实时数据，作为输入参数，实现实时预测氧化层厚度的变化，从而达到调整工艺参数控制氧化层厚度，改善弹簧钢棒线材表面质量问题。其针对加热及保温阶段氧化规律不同而进行分别计算的方法，实现了全过程、高精度预测氧化层厚度，可降低生产成本，生产高表面质量弹簧钢棒线材,为棒线材的高质量表面控制技术提供新的开发方向。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，包括以下步骤：S1：通过热重分析实验，确定在升温及保温条件下氧化增重与时间的关系曲线；S2：升温阶段氧化层计算：氧化动力学的速率规律用阿累尼乌斯公式表达：ΔWn＝K·t(1)式中，ΔW为单位面积氧化铁皮的增重Kg/m2；K为氧化速率常数kg/(m2·s)；t为氧化时间，s；其中：K＝K0·e-Q/RT(2)式(2)中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为加热温度；R为气体常数8.314J/(mol·k)；K0为频率因子；式(3)中，n为反应级数；将公式(2)带入公式(1)并对等式两边进行对数变换得到公式(3)；以lnt为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到时间与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率1/n，确定反应级数n；将n代入公式(3)，并以1/T为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到温度倒数值与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率-Q/R，确定氧化激活能Q，线性方程截距为lnt+lnK0，确定频率因子K0；S3：将S2所求氧化激活能Q、频率因子K0代入公式(2)即可求出氧化速率常数K，将氧化速率常数K、反应级数n代入(1)即可求得升温过程单位面积氧化铁皮增重ΔW随加热时间t与加热温度T的关系方程；单位面积氧化增加质量ΔW为氧化层中氧原子的质量，假设氧化层中Fe3O4与FeO各占50％，则氧在氧化层中所占原子质量比为16/56；ρ为氧化铁皮密度，5.2g/cm3，升温阶段氧化层厚度x1增加计算公式为：S4：保温阶段氧化层计算：保温阶段所有温度下的氧化动力学均表现为快速线性氧化过程，即反应级数n为1，氧化动力学的速率定律为：式中(W/A)为t时刻单位面积的增重，K为速率常数㎏/(㎡·s)，速率常数K(T)是温度相关的速率常数，其遵循:对上式等号两边取对数：式中，K0是指前因子，R是气体常数8.314J/(mol·k)，T是绝对温度(K)、ΔE是活化能，活化能由ln(K)与1/T曲线的斜率决定；取相同保温时间、不同保温温度对应的ln(K)值作图，得到ln(K)与1/T的关系曲线；进行线性拟合，得到直线的斜率确定活化能ΔE；截距为lnK0，确定指前因子K0；将前因子K0与活化能ΔE代入公式(6)，求出速率常数K，将速率常数K代入公式(5)即可求出t时刻单位面积增重W/A；保温阶段氧化层厚度x2计算公式与升温阶段一致，如公式(8)所示：S5：升温及保温阶段氧化层总厚度x为升温阶段氧化层厚度x1与保温阶段氧化层厚度x2的和，即氧化层总厚度x：x=x1+x2(9)。更进一步地，S1中热重分析实验方法为：利用热重分析仪进行氧化增重实验：对弹簧钢进行线切割成标准试样，再用砂纸打磨后用酒精进行超声波清洗，吹干，采用同步差热分析仪进行氧化增重试验。更进一步地，S1中确定氧化增重与时间的关系曲线方法为：通过同步差热分析仪每隔一定时间采集一次质量增重信号，并设定炉内混合气体的成分组成、起始温度、升温速率、等温氧化温度及氧化时间，即可确定氧化增重与时间的关系曲线。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，根据氧化增重实验，依次确定了升温阶段氧化层计算模型、保温阶段氧化层计算模型，并通过设定加热炉内工艺参数，通过钢件表面氧化层厚度模型计算公式，可以实时预测表层氧化层的厚度，具有简单、快捷的特点，对企业现场的实际生产具有重要的意义。附图说明图1为本专利技术的钢件表面氧化层厚度计算流程图；图2为本专利技术的TG实验示意图；图3为本专利技术的60Si2Mn弹簧钢氧化层厚度光学显微图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例中提供：一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，包括以下步骤：步骤一：通过热重分析实验，确定在升温及保温条件下氧化增重与时间的关系曲线；步骤二：升温阶段氧化层计算：氧化动力学的速率规律用阿累尼乌斯公式表达：ΔWn＝K·t(1)式中，ΔW为单位面积氧化铁皮的增重Kg/m2；K为氧化速率常数kg/(m2·s)；t为氧化时间，s；其中：K＝K0·e-Q/RT(2)式(2)中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为加热温度；R为气体常数8.314J/(mol·k)；K0为频率因子；式(3)中，n为反应级数；将公式(2)带入公式(1)并对等式两边进行对数变换得到公式(3)；以lnt为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到时间与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率1/n，确定反应级数n；将n代入公式(3)，并以1/T为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到温度倒数值与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率-Q/R，确定氧化激活能Q，线性方程截距为lnt+lnK0，确定频率因子K0；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：通过热重分析实验，确定在升温及保温条件下氧化增重与时间的关系曲线；/nS2：升温阶段氧化层计算：氧化动力学的速率规律用阿累尼乌斯公式表达：/nΔW

【技术特征摘要】
1.一种预测弹簧钢加热过程氧化层厚度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过热重分析实验，确定在升温及保温条件下氧化增重与时间的关系曲线；
S2：升温阶段氧化层计算：氧化动力学的速率规律用阿累尼乌斯公式表达：
ΔWn＝K·t(1)
式中，ΔW为单位面积氧化铁皮的增重Kg/m2；K为氧化速率常数kg/(m2·s)；t为氧化时间，s；
其中：K＝K0·e-Q/RT(2)
式(2)中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为加热温度；R为气体常数8.314J/(mol·k)；K0为频率因子；



式(3)中，n为反应级数；
将公式(2)带入公式(1)并对等式两边进行对数变换得到公式(3)；以lnt为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到时间与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率1/n，确定反应级数n；将n代入公式(3)，并以1/T为横坐标，ln(ΔW)为纵坐标得到温度倒数值与单位面积氧化增重曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率-Q/R，确定氧化激活能Q，线性方程截距为lnt+lnK0，确定频率因子K0；
S3：将S2所求氧化激活能Q、频率因子K0代入公式(2)即可求出氧化速率常数K，将氧化速率常数K、反应级数n代入(1)即可求得升温过程单位面积氧化铁皮增重ΔW随加热时间t与加热温度T的关系方程；
单位面积氧化增加质量ΔW为氧化层中氧原子的质量，假设氧化层中Fe3O4与FeO各占50％，则氧在氧化层中所占原子质量比为16/56；ρ为氧化铁皮密度，5.2g/cm3，升温阶段氧化层厚度x1增加计算公式为：



S4：保温阶段氧化层计算：保温阶段所有温度下的氧化动力学均表现为快速线性氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋强，龚志翔，周光理，张步海，高振波，汪开忠，完颜卫国，许兴，尹德福，许文喜，王福礼，
申请(专利权)人：马鞍山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34