姜东滨等：连铸坯脱氢退火数值模拟 863· bloom can be steadily reduced to 0.6x10,which fully meets the requirement of high quality steel production. KEY WORDS bloom;dehydrogenation;annealing temperature;annealing time;numerical simulation 钢铁材料生产过程中，由于矿石原料、合金辅 连铸坯高温堆垛和保温坑缓冷工艺.王卫华等 料、耐火材料含有水分，在高温条件下水中的氢元 在传热基础上建立了二维氢扩散模型，分析了中 素富集于钢中，冶炼过程中，部分氢以气泡形式从 厚板连铸坯堆垛缓冷脱氢效果，认为在缓冷初期 钢中排出，当仍有部分氢残留于固体钢中.但氢质 氢含量降低速度较快，而缓冷后期温度较低，导致 量分数达到一定的临界值后，富集的氢原子在钢 脱氢速率减缓，并通过工艺调整实现连铸坯除氢 中聚集产生白点，大幅度降低钢材强度和韧性，导 率达到84.6%. 致钢的脆性断裂山为了降低钢中的氢含量，冶金 众多学者8-刘对固体钢中氢扩散和脱除行为 工作者采用RH、VD真空精炼工艺，将氢质量分 进行了模拟分析研究，认为经缓冷处理后钢中的 数降低至2×106左右2-随着钢材质量要求的不 氢含量能够明显降低.传统的缓冷设备因不具备 断提高，对氢含量提出了更亚格的要求，因此国内 升温能力，连铸坯温度无法控制，脱氢效果不稳 外学者开展了固体钢中氢原子的扩散脱除行为 定，而针对缓冷控温过程中连铸坯脱氢行为的研 研究 究仍然相对较少.本文根据某钢厂的缓冷控温设 Bucur等采用Ansys有限元软件模拟微观尺 备，采用数值模拟方法分析钢轨钢连铸坯脱氢退 度条件下氢的扩散，认为氢原子的扩散主要集中 火过程中的温度场、氢含量场变化特征，研究退火 在晶粒与品粒之间.而在品内的扩散相对较少.张 温度、退火时间对脱氢效果的影响，优化退火工 凤春等©！基于密度泛函理论采用第一性原理方法 艺，并通过工业试验降低连铸坯氢含量，以满足工 模拟氢在2205双相不锈钢中的扩散和分布特征， 业生产需求 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.刘晓坤等山 1 数学模型 采用边界元方法分析了裂纹处氢含量分布，发现 连铸坯的脱氢退火过程同时包括传热和传质 裂纹尖端的氢含量随着时间增加而升高，并出现 两方面，两者之间相互影响.本文以钢轨钢(U75V) 多个峰值.由于氢原子在塑性区内高度集中，最终 为研究对象，建立280mm×380mm大方坯脱氢退 造成脆性断裂.陶平等2采用Abaqus有限元软件 火数学模型.模型坐标系固定于连铸坯中心，如 模拟氢原子在不锈钢中的脱除行为，认为随着钢 图1所示.设定连铸坯初始温度为293K,初始氢 中奥氏体相体积分数的增加，氢扩散能力显著降 质量分数为1.8×106，且在连铸坯中分布均匀.在 低，且氢原子在纵向组织中的扩散速度更小.范俊 模拟计算时，为了准确获得退火过程中连铸坯温 锴等]采用随机函数建立考虑氢陷阱的二维模 度场和氢质量分数的分布特征，将连铸坯横截面 型，研究氢陷阱结合能、加热速率、初始浓度等对 划分为2mm×2mm网格 氢在Q235钢内的脱除行为，认为较快的加热速度 aT 8 (oT 8 or 会促进氢的扩散曲线向高温区移动，导致氢无法 pc +ST (1) ot dy dy ox ox 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lw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ls1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 采用菲克第二定律建立了脱氢数学模型，计算钢 380mm- 板厚度方向一维传质过程，认为随着钢板厚度增 图1数学模型 加和温度降低，氢的扩散速率明显下降，推荐采用 Fig.I Mathematical modelbloom can be steadily reduced to 0.6×10−6, which fully meets the requirement of high quality steel production. KEY WORDS    bloom；dehydrogenation；annealing temperature；annealing time；numerical simulation 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. ρc ∂T ∂t = ∂ ∂y ( k ∂T ∂y ) + ∂ ∂x ( k ∂T ∂x ) +S T （1） 380 mm 280 mm X Y 图 1    数学模型 Fig.1    Mathematical model 姜东滨等： 连铸坯脱氢退火数值模拟 · 863 ·