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取向硅钢环形炉高温退火：传热传质模型构建与磁性能分布解析

一、引言

1.1研究背景与意义

取向硅钢，作为一种极具特殊电磁性能的钢材，在现代工业领域占据着举足轻重的地位。因其具备高磁导率、低矫顽力以及大电阻系数等特性，被广泛应用于各类变压器、电抗器以及电机等关键电气设备的制造中。在电力传输和分配系统里，变压器作为核心部件，其性能的优劣直接关乎整个电网的运行效率与稳定性。取向硅钢凭借其低铁损和高磁感应强度的特性，能够显著提升变压器的效率，有效降低能源损耗，进而减少电能在传输过程中的损失，提高电网运行的经济性。在大型电机制造中，取向硅钢同样发挥着关键作用，它能够为电机提供良好的电磁性能，确保电机运行的稳定性和高效性，满足工业生产对大功率、高效率电机的需求。在新能源领域，如风力发电和太阳能发电，取向硅钢也是不可或缺的重要材料。风力发电机和太阳能逆变器中的变压器和电机，都依赖高质量的取向硅钢来保证能量转换的效率和稳定性，为新能源产业的发展提供坚实支撑。

在取向硅钢的生产流程中，环形炉高温退火工序是决定产品最终性能的关键环节。高温退火过程能够促使钢卷内部金属组织发生重结晶，形成单一的组织结构，通过氧化镁（MgO）与表面氧化膜中二氧化硅（SiO?）起化学反应，形成硅酸镁（Mg?SiO?）底层，这对于改善取向硅钢的物理性能与机械性能至关重要。通过高温退火还能去除钢中硫和氮等杂质，进一步提升产品质量。若退火工艺控制不当，将会引发一系列问题。退火温度过高或时间过长，可能导致晶粒过度长大，使磁性能下降；而退火温度过低或时间不足，则可能无法充分完成再结晶和杂质去除过程，同样影响产品性能。钢卷内部温度分布不均匀，会造成不同区域的组织和性能存在差异，导致产品质量不稳定。因此，深入研究取向硅钢环形炉高温退火过程，建立精确的传热传质模型，对于优化退火工艺、提高产品质量和稳定性具有重要的现实意义。

从生产实践角度来看，精确掌握环形炉高温退火过程中的传热传质规律，能够帮助企业实现对退火工艺的精准控制，有效提高产品质量和生产效率，降低生产成本。通过优化退火工艺，可以减少产品的次品率，提高产品的一致性和稳定性，增强企业在市场中的竞争力。精确控制退火过程，还能够缩短生产周期，提高设备利用率，降低能源消耗，实现节能减排的目标，符合可持续发展的要求。在理论发展方面，对取向硅钢环形炉高温退火的研究，有助于深化对材料在高温复杂环境下物理化学变化的理解，为材料科学的发展提供新的理论依据。通过建立和完善传热传质模型，可以进一步丰富和发展材料加工过程中的多物理场耦合理论，推动材料加工学科的进步。这一研究也能够为其他类似材料的热处理工艺研究提供借鉴和参考，促进相关领域的技术创新和发展。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者和研究机构针对取向硅钢环形炉高温退火展开了广泛而深入的研究，在传热传质模型以及磁性能分布等方面取得了一系列重要成果。

在传热传质模型研究领域，一些学者运用数值模拟方法，对环形炉内的传热过程进行了深入探究。苏福永等人建立了非对称双蓄热式环形实验炉内流动、传热和燃烧过程的数学模型，湍流模型采用标准κ-ε双方程模型，燃烧模型采用平衡混合分数（PDF）模型，辐射传热模型采用离散坐标（DO）辐射模型，利用数值仿真软件进行模拟计算，结果表明炉膛内温度均匀性较好，一氧化碳的燃烧完全，二氧化碳的浓度在炉内分布均匀。夏添等人结合环形炉的工作原理和高温退火的工艺特点，对模拟区域和模拟时间进行适当简化，建立了取向硅钢高温退火的温度模型，分析讨论了烧嘴在不同工况下，钢卷内罩的温度分布特点，发现烧嘴不工作时，烟气温度沿流动方向下降较快，以大功率工作时，可显著提升炉温，同时在炉膛中央产生一个高温区，其温度可高出炉膛平均温度100℃以上。在传质方面，夏添等人还深入研究了环形炉高温退火中钢带层间含水量的变化规律，分析了钢带涂层中氢氧化镁（Mg(OH)?）分解速率与升温速率之间的关系，并通过试验证实了内罩内水蒸气分布的均匀性，建立了环形炉高温退火水扩散模型，结果表明由于钢卷在退火过程中内部的升温速率不均，使得不同区域Mg(OH)?的分解速率也不相同，钢卷的排水过程长达28h，保护气氛的成分和钢带层间气隙的大小对水扩散过程也有显著影响。

在磁性能分布研究方面，付勇军等人采用电子背散射衍射（EBSD）技术测晶粒取向，结合晶粒形貌观察，研究了普通取向硅钢高温退火样品晶粒尺寸、取向分布和电磁性能的关系，结果表明异常长大的晶粒主要为高斯（Goss）取向，小晶粒取向较杂乱，晶粒尺寸与晶粒取向有一定的相关性，晶粒尺寸和晶粒取向分别对铁损和磁感影响较大。还有学者通过实验研究了不同退火温度和时间对取向硅钢磁性能的影响，发现随着退火温度的升高和时间的延长，取向硅钢的磁感强度逐渐增加，铁损逐渐