[發明專利]一種預測彈簧鋼加熱過程氧化層厚度的計算方法

在審

• 申請號: 202011352097.4
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112597627A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 宋強;龔志翔;周光理;張步海;高振波;汪開忠;完顏衛國;許興;尹德福;許文喜;王福禮
• 申請（專利權）人: 馬鞍山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/18;G06F119/08
• 代理公司: 馬鞍山市金橋專利代理有限公司 34111
• 代理人: 王益西

1.一種預測彈簧鋼加熱過程氧化層厚度的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：通過熱重分析實驗，確定在升溫及保溫條件下氧化增重與時間的關系曲線；

S2：升溫階段氧化層計算：氧化動力學的速率規律用阿累尼烏斯公式表達：

ΔWⁿ＝K·t (1)

式中，ΔW為單位面積氧化鐵皮的增重Kg/m²；K為氧化速率常數kg/(m²·s)；t為氧化時間，s；

其中：K＝K₀·e^-Q/RT (2)

式(2)中，Q為鋼種的激活能，J/mol；T為加熱溫度；R為氣體常數8.314J/(mol·k)；K₀為頻率因子；

式(3)中，n為反應級數；

將公式(2)帶入公式(1)并對等式兩邊進行對數變換得到公式(3)；以lnt為橫坐標，ln(ΔW)為縱坐標得到時間與單位面積氧化增重曲線，進行線性擬合，得到直線的斜率1/n，確定反應級數n；將n代入公式(3)，并以1/T為橫坐標，ln(ΔW)為縱坐標得到溫度倒數值與單位面積氧化增重曲線，進行線性擬合，得到直線的斜率-Q/R，確定氧化激活能Q，線性方程截距為lnt+lnK₀，確定頻率因子K₀；

S3：將S2所求氧化激活能Q、頻率因子K₀代入公式(2)即可求出氧化速率常數K，將氧化速率常數K、反應級數n代入(1)即可求得升溫過程單位面積氧化鐵皮增重ΔW隨加熱時間t與加熱溫度T的關系方程；

單位面積氧化增加質量ΔW為氧化層中氧原子的質量，假設氧化層中Fe₃O₄與FeO各占50％，則氧在氧化層中所占原子質量比為16/56；ρ為氧化鐵皮密度，5.2g/cm³，升溫階段氧化層厚度x₁增加計算公式為：

S4：保溫階段氧化層計算：保溫階段所有溫度下的氧化動力學均表現為快速線性氧化過程，即反應級數n為1，氧化動力學的速率定律為：

式中(W/A)為t時刻單位面積的增重，K為速率常數㎏/(㎡·s)，速率常數K(T)是溫度相關的速率常數，其遵循:

對上式等號兩邊取對數：

式中，K₀是指前因子，R是氣體常數8.314J/(mol·k)，T是絕對溫度(K)、ΔE是活化能，活化能由ln(K)與1/T曲線的斜率決定；取相同保溫時間、不同保溫溫度對應的ln(K)值作圖，得到ln(K)與1/T的關系曲線；進行線性擬合，得到直線的斜率確定活化能ΔE；截距為lnK₀，確定指前因子K₀；將前因子K₀與活化能ΔE代入公式(6)，求出速率常數K，將速率常數K代入公式(5)即可求出t時刻單位面積增重W/A；

保溫階段氧化層厚度x₂計算公式與升溫階段一致，如公式(8)所示：

S5：升溫及保溫階段氧化層總厚度x為升溫階段氧化層厚度x₁與保溫階段氧化層厚度x₂的和，即氧化層總厚度x：

x＝x₁+x₂ (9)。

2.如權利要求1所述的一種預測彈簧鋼加熱過程氧化層厚度的計算方法，其特征在于，S1中熱重分析實驗方法為：利用熱重分析儀進行氧化增重實驗：對彈簧鋼進行線切割成標準試樣，再用砂紙打磨后用酒精進行超聲波清洗，吹干，采用同步差熱分析儀進行氧化增重試驗。

3.如權利要求2所述的一種預測彈簧鋼加熱過程氧化層厚度的計算方法，其特征在于，S1中確定氧化增重與時間的關系曲線方法為：通過同步差熱分析儀每隔一定時間采集一次質量增重信號，并設定爐內混合氣體的成分組成、起始溫度、升溫速率、等溫氧化溫度及氧化時間，即可確定氧化增重與時間的關系曲線。