熱転がりプロセスおよびその効果の熱力学を理解すること

ホットロールとは?

転がる熱は金属在庫が-典型的に鋼鉄、アルミニウム、銅、または合金-の基づいた金属加工プロセスです-recrystallizationポイントの上の温度のロールの1つ以上の組を渡します。ほとんどの鋼鉄のために、これは900°Cから1300°Cの範囲で作動することを意味します。高温は金属を柔らかくし、仕事の硬化を削減しない機械特性の形作り、改善を可能にします。プロセスはそれに鋼鉄に、それを含む熱間圧延および構造の棒を、構造に終えられた棒に、それを含む材料を使用することができます。

熱転がりの熱力学の基礎

熱転がりの熱動は変形の地帯および全製造所の立場を通して熱の発生、移動および消滅を包含します。これらの現象を理解することは最終製品の冶金学および寸法の質を制御するために必要です。

変形中の熱発生

熱は、プラスチック変形を受けているように金属内で発生します。 2つの主なソースは、ロールとワークピース間の摩擦、内部せん断と変位運動とともに、機械的エネルギーを熱エネルギーに変換し、(2)変形後の金属が冷やすように起こるいくつかの相変化の異性を変換する。変形による温度上昇は、かなりの50°C〜150°C以上のものであっても、削減比、転が、材料および廃棄物の損失を低減することにつながります。これにより、過度の熱特性が生じることがあります。過度の熱や、過熱特性が生じることがあります。

熱伝達のメカニズム

金属の入るときロールビットは、熱 3 つの第一次モードによって移ります:

Conduction]:熱金属と比較的クーラーロール間の直接接触は急速な熱伝達で結果します。ロール表面温度はスパイクでき、インターフェイス係数はロール材料(典型的に鋳鉄か鋼鉄)、表面の粗さおよび潤滑剤の条件によって決まります。伝導は接触の間に優勢の熱損失のメカニズムです。
Convection]:金属がミルを通ってそして操業テーブル、空気および冷却剤の液体(水、乳剤)に強制的な対流によって熱を取除きますように。高温の軌跡を制御するために高温のスプレーが一般的です。
放射]: 700°Cを超える温度で、周囲への放射熱損失が著しくなります。金属は赤外線放射を放射し、速度はStefan-Boltzmann法に従い、絶対温度の4番目の電力に比例します。スタンド間のオープンエアセクションでは、放射線は1秒あたりの10〜30°Cのレートで金属を冷却することができます。

純熱バランスは、温度プロファイルを厚さとワークの長さに沿って決定し、最終的な微細構造に直接影響します。

熱的勾配とその制御

熱勾配は、熱間圧延中に金属の表面と芯間を発展させます。表面は、ロールと周囲の空気に接触するため急速に冷やします。内部は熱間ままです。この勾配は、差異的な拡張と収縮を引き起こす可能性があり、残りのストレス、歪む、または適切に管理されていない場合は割れることにつながる。高度なミルは、相互スタンド冷却とエッジヒーターを使用して、幅と厚さを均等にします。均一なフィールドを維持することは、機械的特性や欠陥の欠陥を回避するために一貫性のあるものです。

製品の品質に対する熱的動の影響

熱い転がりの間に金属によって経験される熱歴史はマイクロ構造の進化を予測し、その結果、機械的および表面の特性。

マイクロ構造の進化

高温で、金属は再結晶化を経ます。新しい、株なしの穀物構造の形成。温度、緊張、時間に依存する冷静化率と範囲。温度エネルギーを装備すると、パス間の完全な再結晶化が保証され、罰金、強度と靭性の両方を高める同等穀物が導きます。温度が低下が低すぎると、再結晶化が止まり、材料は変形のテクスチャと残留物を保持し、その結果、耐衝撃性が低下します。相続性が低下する、または相続性が向上します。

機械的特性

適切な熱管理は、直接、降伏強さ、最終的な引張強さ、延長および耐衝撃性を改善します。例えば、鋼板の熱機械制御処理(TMCP)で、転がり、そしての後で加速された冷却の収穫の高力低合金(HSLA)の等級の精密な温度制御は優秀なweldabilityと成ります。逆に、粗い穀物、非均一硬度およびコイルの版または版の長さを渡る不連続の機械特性で温度調整の結果。

表面品質と欠陥

熱的動体は表面品質に大きく影響します。熱問題に関連する一般的な欠陥は次のとおりです。

スケール形成]:高温では、鉄は酸化鉄スケールを形成するために酸素と反応します。過剰なスケールの厚さまたは不均等なスケールは、ピットや粗さを引き起こし、表面に転がすことができます。
]表面にひび割れ[:特に高強度合金で、特に横または縦方向のひびを引き起こす抗張圧力を発生させることができます。
[]Centerlineの分離および気孔率[:無浸透の冷却は弱点に導く中心線の分離をexacerbateできます。
残留応力:非均一な熱膨張と収縮は、その後の加工やサービス中に警告を引き起こす可能性があるロックイン応力を生成します。

冷却スプレーおよび最大限に活用されたロール冷却パターンの端の覆うことを含む高度の熱制御は、これらの欠陥を最小に助けます。

サーマルマネジメント戦略とテクノロジー

近代的な熱間圧延設備は、プロセス全体で熱的動体を積極的に管理するために、技術のスイートを採用しています。

冷却装置設計

冷却システムは、ロール冷却(ロールの完全性と形状を維持するために)、相互スタンド冷却(頻繁に転がりがり温度を精製する)、およびランアウトテーブル冷却(最終スタンドの後、フェーズトランスフォーメーションを制御する)に分けられます。層冷却 - 水中が薄いシートやカーテンで落ちる - 均一な熱伝達のために広く使用されています。高度なシステムは、ストリップの幅を渡るカスタマイズされた冷却プロファイルを提供するために、多くの個別に制御されたヘッダーを使用します。これは、硬質およびマイクロ構造が交差する二重相鋼の生産を可能にします。

リアルタイム監視とモデリング

パイロメータ、熱電対カメラ、熱撮像カメラは、重要なポイントで温度データを提供します。しかし、表面スケールや測定の深さにより、FEMなどの間接的な手法は、フル3D温度領域を予測するために統合されています。モデル予測制御(MPC)アルゴリズムは、ローリング速度、削減、冷却の流れをリアルタイムに調整し、ターゲット温度を狭いウィンドウ内で維持します。これらのシステムは、最大20 m / ストリップを製造する高速ミルに不可欠です。

モデリング技術に関する深い読書のための外部リソースには、の科学直接熱間解析]と業界ガイドのアメリカ鉄と鋼研究所から研究記事が含まれています。

業界アプリケーションと将来のトレンド

熱間圧延プロダクトは構造適用で更に処理(冷間圧延、押すこと、溶接)のための供給ストックとして役立つか、または直接使用されます。主セクターは自動車(シャーシの部品、懸濁液の腕)、構造(ビーム、鉄筋)、エネルギー(パイプライン、圧力容器)および造船業を含んでいます。軽量、高力材料のための押しは自動車高度の高力鋼鉄(AHSS)のような高度の熱間圧延の等級のための要求を運転します。

熱的動的な管理におけるトレンドの新興化には、以下が含まれます。

[人工知能(AI)と機械学習]は、歴史データとリアルタイムセンサー融合に基づいて温度設定を最適化します。
[]電磁エッジヒーティング]]は、ストリップエッジでより速い冷却を補正し、均一なプロパティを保証します。
]ハイブリッド冷却[]]]水検知なしで、精密で迅速な冷却のための水霧と空気のブラストを組み合わせます。
全ミルのDigital twinsは、実装前の熱シナリオの仮想テストを可能にします。

大手メーカーによる最近のイノベーションの概要については、【】の「Primetals Technologiesのホット・ローリング・ソリューション]と]]MDPI のホット・ローリング・プロセスに関する特別号を参照してください。

コンテンツ

熱転がりの熱的動をマスターすることは、製品の品質、処理効率、エネルギー消費を直接決定する複雑で、必須の規準です。熱が生成され、移送され、そして散逸される方法を理解することによって、エンジニアは均一な微細構造、優秀な機械的特性および欠陥のない表面を作り出す転がるスケジュールおよび冷却装置を設計してもいいです。計算ツールおよびセンシング技術が進歩するにつれて、精密の熱プロフィールを制御する能力は改善し続けます。これにより、これらの分野への応用および研究の分野への応用のためのより多くの高度の材料の生産を可能にし、これらの分野の研究者および専門分野を経験する技術は、および専門分野を促進します。