高碳當(dāng)量厚度小于30mm鋼板的火焰預(yù)熱切割方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001] 本發(fā)明屬于鋼板切割加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種高碳當(dāng)量厚度小于30mm 鋼板的火焰預(yù)熱切割方法，適用于高碳當(dāng)量（>〇. 60% )、厚度小于30mm鋼板的火焰預(yù)熱切 割。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002] 鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)模具鋼、耐磨鋼、鋸片用鋼等產(chǎn)品的過程中，由于這些鋼的碳含量 和碳當(dāng)量高、裂紋敏感性高，在火焰切割鋼板的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋，鋼板厚度和硬度越 大，出現(xiàn)切割裂紋的幾率也就越大，在北方冬季表現(xiàn)尤為明顯，這嚴重影響了其加工性能和 成材率。

　　[0003] 預(yù)防鋼板切割裂紋最有效的方法，就是在切割前進行預(yù)熱。其預(yù)熱溫度的高低主 要取決于鋼板質(zhì)量等級和板厚，一般為100~150°C。傳統(tǒng)的預(yù)熱方法可采用電子加熱墊和 加熱爐加熱等。但這些方法的缺點不是效率低、效果差，就是成本太高。避免切割裂紋的另 一種方法就是降低切割速度，但使用低速切割方法防止切割裂紋，其可靠性不如預(yù)熱，而且 合適的速度并不容易掌握。同時還將大大降低生成率，因此并未得到廣泛應(yīng)用。而將鋼板 進行局部預(yù)熱，并同時采用合適切割速度以達到加熱溫度和切割速度的最佳匹配，是冶金 工作者需要亟待解決的問題。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0004] 本發(fā)明旨在提供一種高碳當(dāng)量厚度小于30mm鋼板的火焰預(yù)熱切割方法，解決了 高碳當(dāng)量（>0.60% )鋼板（板厚〈30_)火切割裂紋問題。在同一軌道上布置兩臺切割小 車分別進行預(yù)熱和切割，第一臺小車負責(zé)火焰預(yù)熱，第二臺小車負責(zé)切割，兩臺小車的間距 和切割速率由有限元計算確定。

　　[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

　　[0006] 對于碳當(dāng)量大于0. 60%，30mm以下規(guī)格的鋼板，采用在同一個橫向軌道上布置兩 臺便攜式數(shù)控火焰切割小車，先進行預(yù)熱后進行火焰切割。兩臺小車之間的距離、小車行進 速度（切割速度）利用有限元法計算得出。

　　[0007] 兩臺小車被安放在同一橫向軌道上，間隔一定距離，行進速度相同。第一臺小車負 責(zé)對鋼板預(yù)熱。第二臺小車負責(zé)切割，按照要求尺寸在預(yù)熱范圍內(nèi)進行切割。兩臺小車在 軌道上間距控制在300-1000mm，預(yù)熱溫度和切割速度根據(jù)有限元計算結(jié)果確定。

　　[0008] 有限元法預(yù)測預(yù)熱溫度和切割速度的步驟如下：

　　[0009] (1)根據(jù)鋼板的實際規(guī)格尺寸建立數(shù)學(xué)模型；

　　[0010] 數(shù)學(xué)模型的具體內(nèi)容為：利用有限元軟件ANSYS，根據(jù)鋼板實際規(guī)格尺寸和對火 焰切割小車進行簡化后的幾何結(jié)構(gòu)進行建模；簡化后的模型只包括鋼板和火焰：其中鋼板 固定，火焰可移動，移動速度與小車行進速度相同。

　　[0011] (2)將數(shù)學(xué)模型用有限元法進行離散化，得到有限元模型；對有限元模型施加火 焰溫度、鋼板初始溫度等初始條件；根據(jù)鋼板與外界的輻射散熱和自然對流換熱情況，對有 限元模型施加邊界條件；

　　[0012] 邊界條件的具體內(nèi)容為：將輻射換熱與自然對流換熱等效為綜合換熱系數(shù)，依據(jù) 公式欠=沉(7； +乙）(r、： + ')得到。

　　[0013] 式中：TS為鋼板表面溫度，T00為外界環(huán)境介質(zhì)溫度。匕為熱輻射的等效對流換熱 系數(shù)（W/m 2 · °C )，σ 為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)（W/m2 · K4)，ε 為表面輻射率。

　　[0014] 鋼板與火焰之間為接觸傳熱，其熱流強度依據(jù)qK=h K(TS-TK)公式確定；

　　[0015] 式中：hK為鋼板與火焰之間的接觸換熱系數(shù)（W/m2 · °C ) ;TK為火焰溫度（°C )。

　　[0016] (3)在ANSYS軟件求解模塊界面，提交計算任務(wù)，對有限元模型進行求解，計算結(jié) 果用該軟件的后處理模塊進行分析。

　　[0017] (4)利用紅外測溫儀對現(xiàn)場模型進行測溫，根據(jù)測溫結(jié)果對模型進行校核；

　　[0018] (5)利用校核過的模型，代入實際鋼板預(yù)熱溫度等初始條件，重新提交ANSYS軟件 求解模塊進行求解。求解后利用該軟件的后處理模塊，進行取數(shù)分析，得到溫度場結(jié)果和鋼 板溫降速率。

　　[0019] (6)確定該預(yù)熱溫度下的最佳切割速度及兩臺小車間的距離。速度取值范圍為： 105-350mm/min ;距離范圍為：300-1000mm。

　　[0020] 本發(fā)明的效果是：采用在同一橫向軌道上的兩臺小車分別進行預(yù)熱和火焰切割， 火焰切割速度通過有限元法進行預(yù)測。其方法成本低，方便易行，快速有效的避免高碳當(dāng)量 鋼板（厚度<30mm)火切割裂紋的發(fā)生，提高鋼板的生產(chǎn)率和成材率。此方法針對高碳當(dāng)量 鋼板火焰切割前的預(yù)熱，提出預(yù)熱溫度和切割速度方案，具有成本低、方便易行和高效率的 特點。

　　[0021] 本發(fā)明思路明確且易實現(xiàn)，還解決了以往兩種避免高碳當(dāng)量切割裂紋的方法各自 存在的局限性，而將預(yù)熱和火焰切割兩種方法相結(jié)合，找到加熱溫度和切割速度的最佳配 比，避免了切割裂紋的產(chǎn)生。

　　【附圖說明】

　　[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。

　　[0023] 圖1為進行預(yù)熱和火焰切割的兩臺小車及鋼板示意圖。其中，第一臺小車火焰切 割噴嘴1、第二臺小車火焰切割割嘴2、割縫3、第一臺小車4、第二臺小車5、橫向軌道6、切 割車固定割嘴橫梁7、Λ L :兩臺小車間橫向距離。

　　[0024] 圖2為有限元模型示意圖。其中，8 :鋼板模型，9 :火焰模型。

　　[0025] 圖3為鋼板測溫試驗的測溫點示意圖。其中，10 :移動中的火焰，火焰加熱過程測 溫點位置11。

　　【具體實施方式】

　　[0026] 下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

　　[0027] 在橫向軌道上，第一臺小車4在前，第二臺小車5在后，前進速度相同。根據(jù)鋼板 切割尺寸要求首先確定第一臺小車4和切割噴嘴1的位置，根據(jù)有限元法確定第一臺小車 火焰溫度、Λ L以及兩臺小車的前進速度，從而確定第二臺小車5的位置。

　　[0028] 利用有限元法對鋼板切割前火焰預(yù)熱溫度和切割速度的預(yù)測具體分以下幾步：

　　[0029] 1)根據(jù)鋼板的實際規(guī)格建立數(shù)學(xué)模型；

　　[0030] 2)將數(shù)學(xué)模型用有限元法進行離散化，得到有限元模型；對有限元模型施加火焰 溫度、鋼板初始溫度等初始條件；根據(jù)鋼板與外界的輻射散熱和自然對流換熱情況，對有限 元模型施加邊界條件；鋼板與火焰之間為接觸傳熱，其熱流強度依據(jù)根據(jù)q K=h ,(Ts-Tk)公 式確定；

　　[0031] 3)利用有限元法對模型進行求解；

　　[0032] 4)利用紅外測溫儀對現(xiàn)場模型

　　進行測溫，測溫結(jié)果對模型進行校核；

　　[0033] 5)利用校核過的模型，對實際鋼板在該預(yù)熱溫度下的溫度分布和溫降速率進行計 算：計算鋼板上表面經(jīng)火焰加熱后，需多長時間Λ t，該加熱點的溫度可降到100~150°C。

　　[0034] 6)利用該計算結(jié)果，則可知兩小車的距離Λ L與小車行進速度V(火焰切割速 度）。V=Λ L/ Λ t 〇

　　[0035] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細闡述，但此實施例只是說明本發(fā)明的 技術(shù)方案，本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

　　[0036] 實施例1

　　[0037] 對耐磨鋼NM450鋼板進行切割，其碳含量為0. 28%，碳當(dāng)量為0. 65%，厚度規(guī)格為 25mm〇

　　[0038] 1)兩火焰切割小車均采用CG1-30型小車式火焰切割機，調(diào)整第一臺小車噴嘴為 火焰加熱，第二臺小車噴嘴進行切割。

　　[0039] 2)利用ANSYS有限元軟件，建立鋼板預(yù)熱3D數(shù)學(xué)模型，模型尺寸為 2355mm X 25mm X 4000mm，火焰模型直徑 20mm，高度 35mm。

　　[0040] 3)對鋼板和火焰模型進行有限元網(wǎng)格劃分，如圖2。

　　[0041] 4)對有限元模型施加初始條件：火焰預(yù)熱溫度設(shè)定為2000°C。切割時鋼板初始溫 度為室溫20 °C。

　　[0042] 火焰與鋼板的傳熱方式為接觸傳熱。其熱流強度依據(jù)公式qK=hK(Ts-TK)得到。

　　[0043] 式中：hK為鋼板與火焰之間的接觸換熱系數(shù)（W/m2 · °C )，為10000(W/m2 · °C ) ;TR 為火焰溫度（°C )，為2000°C。

　　[0044] 5)對有限元模型施加邊界條件：鋼板除底部設(shè)為絕熱外，其余面的散熱方式均為 第三類邊界條件，即對外界環(huán)境的輻射散熱和自然對流換熱。本例中將輻射換熱與自然對 流換熱等效為綜合換熱系數(shù)，依據(jù)公式弋=07(7: +Γ, )(7:: +7?)得到。

　　[0045] 式中：TS為鋼板表面溫度，T "為外界環(huán)境介質(zhì)溫度，這里取20 (°C )。h,為熱輻射 的等效對流換熱系數(shù)（W/m2. °C )，〇 為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)，取值 5. 67 X 10-8 (W/m2. K4)， ε為表面輻射率，按照經(jīng)驗值取為0. 8。根據(jù)上式求得等效綜合換熱系數(shù)為25 (W/m2. °C )。

　　[0046] 火焰與鋼板的傳熱方式可認為接觸傳熱。其熱流強度依據(jù)公SqK=hK (Ts-Tk)得 到。

　　[0047] 式中：hK為鋼板與火焰之間的接觸換熱系數(shù)（W/m 2 · °C )，為10000 (W/m2 · °C ) ;TK 為火焰溫度（°C )，為2000CC )。根據(jù)上式求得的熱流強度為：1.97X 107(W/m2)

　　[0048] 6)在ANSYS軟件求解模塊界面，提交計算任務(wù)，對有限元模型進行求解，得到鋼板 在該火焰加熱溫度下的溫度場分布。

　　[0049] 7)將與模型相同規(guī)格、相同測溫條件下的鋼板實際紅外測溫結(jié)果與有限元計算得 到的溫度進行比較，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整熱流強度的值，直到鋼板計算溫度與實際測溫點的溫 度差Λ 1X3% (以第2和第4測溫點為例，其校核過程見下表），則認為該模型可信度較好。

　　[0050]

　　【主權(quán)項】

　　1. 一種高碳當(dāng)量厚度小于30mm鋼板的火焰預(yù)熱切割方法，其特征在于， 對于碳當(dāng)量大于0. 60%，30mm以下規(guī)格的鋼板，采用在同一個橫向軌道上布置兩臺便 攜式數(shù)控火焰切割小車，先進行預(yù)熱后進行火焰切割；兩臺小車被安放在同一橫向軌道上， 間隔一定距離，行進速度相同；第一臺小車負責(zé)對鋼板預(yù)熱；第二臺小車負責(zé)切割，按照要 求尺寸在預(yù)熱范圍內(nèi)進行切割；預(yù)熱溫度和切割速度根據(jù)有限元計算結(jié)果確定； 有限元法預(yù)測預(yù)熱溫度和切割速度的步驟如下： (1) 根據(jù)鋼板的實際規(guī)格尺寸建立數(shù)學(xué)模型； 數(shù)學(xué)模型的具體內(nèi)容為：利用有限元軟件ANSYS，根據(jù)鋼板實際規(guī)格尺寸和對火焰切 割小車進行簡化后的幾何結(jié)構(gòu)進行建模；簡化后的模型只包括鋼板和火焰：其中鋼板固 定，火焰可移動，移動速度與小車行進速度相同； (2) 將數(shù)學(xué)模型用有限元法進行離散化，得到有限元模型；對有限元模型施加火焰溫 度、鋼板初始溫度等初始條件；根據(jù)鋼板與外界的輻射散熱和自然對流換熱情況，對有限元 模型施加邊界條件； 邊界條件的具體內(nèi)容為：將輻射換熱與自然對流換熱等效為綜合換熱系數(shù)，依據(jù)公式 Zir=ατ(7：+7:)(7；2+Γ,2)得到； 式中：TS為鋼板表面溫度，T00為外界環(huán)境介質(zhì)溫度。匕為熱輻射的等效對流換熱系數(shù) (W/m2.°C)，σ 為 Stefan-Boltzmann常數(shù)（W/m2.K4)，ε 為表面福射率。 鋼板與火焰之間為接觸傳熱，其熱流強度依據(jù)qK=h ,(Ts-Tk)公式確定； 式中：hK為鋼板與火焰之間的接觸換熱系數(shù)（W/m2 · °C ) ;TK為火焰溫度（°C ); (3) 在ANSYS軟件求解模塊界面，提交計算任務(wù)，對有限元模型進行求解，計算結(jié)果用 該軟件的后處理模塊進行分析； (4) 利用紅外測溫儀對現(xiàn)場模型進行測溫，根據(jù)測溫結(jié)果對模型進行校核； (5) 利用校核過的模型，代入實際鋼板預(yù)熱溫度等初始條件，重新提交ANSYS軟件求解 模塊進行求解；求解后利用該軟件的后處理模塊，進行取數(shù)分析，得到溫度場結(jié)果和鋼板溫 降速率； (6) 確定該預(yù)熱溫度下的最佳切割速度及兩臺小車間的距離；速度取值范圍為： 105-350mm/min ;距離范圍為：300-1000mm。

　　【專利摘要】一種高碳當(dāng)量厚度小于30mm鋼板的火焰預(yù)熱切割方法，屬于鋼板切割加工技術(shù)領(lǐng)域。對于碳當(dāng)量大于0.60％，30mm以下規(guī)格的鋼板，采用在同一個橫向軌道上布置兩臺便攜式數(shù)控火焰切割小車，先進行預(yù)熱后進行火焰切割。兩臺小車之間的距離、小車行進速度利用有限元法計算得出。兩臺小車被安放在同一橫向軌道上，間隔一定距離，行進速度相同。第一臺小車負責(zé)對鋼板預(yù)熱。第二臺小車負責(zé)切割，按照要求尺寸在預(yù)熱范圍內(nèi)進行切割。優(yōu)點在于。解決了高碳當(dāng)量>0.60％、鋼板板厚<30mm火切割裂紋問題。

　　【IPC分類】B23K7-00, B23K7-10

　　【公開號】CN104759733

　　【申請?zhí)枴緾N201510161077

　　【發(fā)明人】劉金剛, 王衛(wèi)華, 顧林豪, 初仁生, 王立峰, 朱志遠, 李戰(zhàn)軍, 郝珊, 郝寧, 王彥鋒, 閆新慧, 王森

　　【申請人】首鋼總公司

　　【公開日】2015年7月8日

　　【申請日】2015年4月7日