予熱ゾーンは最も厳しい熱勾配を発生させます。なぜなら、内部伝導が追いつく前に、冷たいチタン/鋼クラッドプレートを即座に強烈な熱源にさらすからです。プレートが入ると、高温の炉ガスからの対流と放射によって表面が急速に加熱されます。熱が中心に伝導するには時間がかかるため、急速に加熱される表面と冷たい中心との間に大きな差が生じ、プロセス全体で断面の温度差が最大になります。
表面加熱と内部伝導の物理的な遅延により、温度勾配が最も高くなる一時的ですが重要な「衝撃」段階が生じます。この特定のゾーンを管理することが、熱応力による界面剥離を防ぐための最も重要な要因です。
温度スパイクの物理学
表面加熱のメカニズム
クラッドプレートが予熱ゾーンに入ると、冷たい状態から高温環境へと即座に移行します。
炉ガスは、対流と放射を通じて、プレートの外面に積極的に熱を伝達します。
伝導の遅延
表面温度が急上昇する一方で、中心温度は同時に上昇しません。
熱は伝導によって金属の厚さを伝わるのに時間がかかります。
この遅延により、外面は実質的に「熱く」、内面は「冷たい」状態となり、プレートの断面に急峻な熱勾配が生じます。
最大勾配点
この特定の段階は、プレート全体での温度の最大の違いを表します。
加熱ゾーンや保持ゾーンなどの後続のゾーンでは、中心温度が追いつき始め、差が縮まります。
したがって、予熱ゾーンは、差が縮まるのではなく積極的に広がる唯一のポイントであるため、独自に重要です。
材料完全性への影響
熱応力の蓄積
予熱ゾーンで発生する大きな温度差は、プレート内の物理的な力に直接変換されます。
膨張する表面層は、より冷たく、より剛性の高い中心部に対して引っ張り、 significantな熱応力を発生させます。
剥離のリスク
この初期の温度勾配が制御されない場合、結果として生じる応力は、チタン層と鋼層間の結合強度を超える可能性があります。
これにより界面剥離が発生し、圧延段階に達する前にクラッドプレートの構造的完全性が損なわれます。
精密制御の必要性
このリスクを軽減するには、加熱装置内で精密な初期温度制御が必要です。
オペレーターはこのゾーンで熱入力のみを最大化することはできません。熱伝達率と、材料がその熱を内部に伝導する能力とのバランスを取る必要があります。
トレードオフの理解
加熱速度 vs. 材料の安全性
予熱ゾーンでは、生産速度と材料の安全性との間に自然な緊張関係があります。
加熱速度を上げるとスループットは向上しますが、断面温度差が悪化し、剥離のリスクが高まります。
保持ゾーンの役割
予熱ゾーンの揮発性と保持ゾーンの安定性を区別することが重要です。
補足データによると、保持ゾーンは変動を最小限に抑え、プレートが内部熱平衡に達するように設計されています。
保持ゾーンは温度差を修正しますが、予熱ゾーンで以前に形成された過度の勾配によって引き起こされた損傷を元に戻すことはできません。
シミュレーションと最適化
数値シミュレーションは、炉パラメータを調整することで最適なバランスを見つけることができることを示唆しています。
ただし、後続の段階（保持ゾーンなど）で温度を上げると、主に中心温度が上昇し、勾配への影響はわずかであり、予熱ゾーンが温度差の主な要因であり続けることが確認されます。
目標に合わせた適切な選択
高精度な圧延結果を得るには、特定の品質優先順位に基づいて加熱曲線を最適化する必要があります。
- 剥離防止が最優先事項の場合: 予熱ゾーンでの保守的な温度設定を優先し、初期の断面勾配を最小限に抑えます。これにより、総加熱時間がわずかに長くなる場合でも、剥離を最小限に抑えます。
- 圧延の一貫性が最優先事項の場合: 後続の保持ゾーンが、予熱中に生成された勾配を完全に排除するのに十分な滞留時間を提供し、均一な可塑性を確保するようにします。
- プロセス効率が最優先事項の場合: ウォーキングビーム炉モデルを使用してガス温度と滞留時間をシミュレートし、安全な応力制限内で収まる最大加熱速度を特定します。
予熱ゾーンをマスターすることは、単に金属を加熱することではありません。層間の結合を維持するためにエネルギー伝達のペースを管理することです。
概要表:
| 要因 | 予熱ゾーンの影響 | 保持ゾーンの影響 |
|---|---|---|
| 主な機能 | 急速な初期表面加熱 | 熱平衡（中心の追いつき） |
| 温度勾配 | 最大ピークに達する（最もリスクが高い） | 最小化され、狭まる |
| 材料リスク | 応力による界面剥離 | 予熱が制御されていればリスク軽減 |
| 熱伝達 | 高い対流と放射 | 変動が少なく、定常状態 |
| 制御目標 | 加熱速度と伝導のバランス | 圧延の一貫性のための均一性 |
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参考文献
- Zhanrui Wang, Hui Yu. Numerical investigation on heating process of Ti/Steel composite plate in a walking-beam reheating furnace. DOI: 10.2298/tsci231108082w
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Furnace ナレッジベース .
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