CN104759733A - 高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法 - Google Patents

Abstract

一种高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法，属于钢板切割加工技术领域。对于碳当量大于0.60％，30mm以下规格的钢板，采用在同一个横向轨道上布置两台便携式数控火焰切割小车，先进行预热后进行火焰切割。两台小车之间的距离、小车行进速度利用有限元法计算得出。两台小车被安放在同一横向轨道上，间隔一定距离，行进速度相同。第一台小车负责对钢板预热。第二台小车负责切割，按照要求尺寸在预热范围内进行切割。优点在于。解决了高碳当量>0.60％、钢板板厚<30mm火切割裂纹问题。

Description

高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法

技术领域

本发明属于钢板切割加工技术领域，特别是提供了一种高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法，适用于高碳当量(>0.60％)、厚度小于30mm钢板的火焰预热切割。

背景技术

钢铁企业在生产模具钢、耐磨钢、锯片用钢等产品的过程中，由于这些钢的碳含量和碳当量高、裂纹敏感性高，在火焰切割钢板的过程中经常会出现裂纹，钢板厚度和硬度越大，出现切割裂纹的几率也就越大，在北方冬季表现尤为明显，这严重影响了其加工性能和成材率。

预防钢板切割裂纹最有效的方法，就是在切割前进行预热。其预热温度的高低主要取决于钢板质量等级和板厚，一般为100～150℃。传统的预热方法可采用电子加热垫和加热炉加热等。但这些方法的缺点不是效率低、效果差，就是成本太高。避免切割裂纹的另一种方法就是降低切割速度，但使用低速切割方法防止切割裂纹，其可靠性不如预热，而且合适的速度并不容易掌握。同时还将大大降低生成率，因此并未得到广泛应用。而将钢板进行局部预热，并同时采用合适切割速度以达到加热温度和切割速度的最佳匹配，是冶金工作者需要亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法，解决了高碳当量(>0.60％)钢板(板厚<30mm)火切割裂纹问题。在同一轨道上布置两台切割小车分别进行预热和切割，第一台小车负责火焰预热，第二台小车负责切割，两台小车的间距和切割速率由有限元计算确定。

本发明的技术解决方案：

对于碳当量大于0.60％，30mm以下规格的钢板，采用在同一个横向轨道上布置两台便携式数控火焰切割小车，先进行预热后进行火焰切割。两台小车之间的距离、小车行进速度(切割速度)利用有限元法计算得出。

两台小车被安放在同一横向轨道上，间隔一定距离，行进速度相同。第一台小车负责对钢板预热。第二台小车负责切割，按照要求尺寸在预热范围内进行切割。两台小车在轨道上间距控制在300-1000mm，预热温度和切割速度根据有限元计算结果确定。

有限元法预测预热温度和切割速度的步骤如下：

(1)根据钢板的实际规格尺寸建立数学模型；

数学模型的具体内容为：利用有限元软件ANSYS，根据钢板实际规格尺寸和对火焰切割小车进行简化后的几何结构进行建模；简化后的模型只包括钢板和火焰：其中钢板固定，火焰可移动，移动速度与小车行进速度相同。

(2)将数学模型用有限元法进行离散化，得到有限元模型；对有限元模型施加火焰温度、钢板初始温度等初始条件；根据钢板与外界的辐射散热和自然对流换热情况，对有限元模型施加边界条件；

边界条件的具体内容为：将辐射换热与自然对流换热等效为综合换热系数，依据公式 $h_r=\mathrm{\&sigma;\&epsiv;}(T_s+T_{\&infin;})(T_s^2+T_{\&infin;}^2)$ 得到。

式中：T_s为钢板表面温度，T_∞为外界环境介质温度。h_r为热辐射的等效对流换热系数(W/m²·℃)，σ为Stefan-Boltzmann常数(W/m²·K⁴)，ε为表面辐射率。

钢板与火焰之间为接触传热，其热流强度依据q_R＝h_R(T_S-T_R)公式确定；

式中：h_R为钢板与火焰之间的接触换热系数(W/m²·℃)；T_R为火焰温度(℃)。

(3)在ANSYS软件求解模块界面，提交计算任务，对有限元模型进行求解，计算结果用该软件的后处理模块进行分析。

(4)利用红外测温仪对现场模型进行测温，根据测温结果对模型进行校核；

(5)利用校核过的模型，代入实际钢板预热温度等初始条件，重新提交ANSYS软件求解模块进行求解。求解后利用该软件的后处理模块，进行取数分析，得到温度场结果和钢板温降速率。

(6)确定该预热温度下的最佳切割速度及两台小车间的距离。速度取值范围为：105-350mm/min；距离范围为：300-1000mm。

本发明的效果是：采用在同一横向轨道上的两台小车分别进行预热和火焰切割，火焰切割速度通过有限元法进行预测。其方法成本低，方便易行，快速有效的避免高碳当量钢板(厚度<30mm)火切割裂纹的发生，提高钢板的生产率和成材率。此方法针对高碳当量钢板火焰切割前的预热，提出预热温度和切割速度方案，具有成本低、方便易行和高效率的特点。

本发明思路明确且易实现，还解决了以往两种避免高碳当量切割裂纹的方法各自存在的局限性，而将预热和火焰切割两种方法相结合，找到加热温度和切割速度的最佳配比，避免了切割裂纹的产生。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1为进行预热和火焰切割的两台小车及钢板示意图。其中，第一台小车火焰切割喷嘴1、第二台小车火焰切割割嘴2、割缝3、第一台小车4、第二台小车5、横向轨道6、切割车固定割嘴横梁7、△L：两台小车间横向距离。

图2为有限元模型示意图。其中，8：钢板模型，9：火焰模型。

图3为钢板测温试验的测温点示意图。其中，10：移动中的火焰，火焰加热过程测温点位置11。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的技术方案。

在横向轨道上，第一台小车4在前，第二台小车5在后，前进速度相同。根据钢板切割尺寸要求首先确定第一台小车4和切割喷嘴1的位置，根据有限元法确定第一台小车火焰温度、△L以及两台小车的前进速度，从而确定第二台小车5的位置。

利用有限元法对钢板切割前火焰预热温度和切割速度的预测具体分以下几步：

1)根据钢板的实际规格建立数学模型；

2)将数学模型用有限元法进行离散化，得到有限元模型；对有限元模型施加火焰温度、钢板初始温度等初始条件；根据钢板与外界的辐射散热和自然对流换热情况，对有限元模型施加边界条件；钢板与火焰之间为接触传热，其热流强度依据根据q_R＝h_R(T_S-T_R)公式确定；

3)利用有限元法对模型进行求解；

4)利用红外测温仪对现场模型进行测温，测温结果对模型进行校核；

5)利用校核过的模型，对实际钢板在该预热温度下的温度分布和温降速率进行计算：计算钢板上表面经火焰加热后，需多长时间△t，该加热点的温度可降到100～150℃。

6)利用该计算结果，则可知两小车的距离△L与小车行进速度V(火焰切割速度)。V＝△L/△t。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细阐述，但此实施例只是说明本发明的技术方案，本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

对耐磨钢NM450钢板进行切割，其碳含量为0.28％，碳当量为0.65％，厚度规格为25mm。

1)两火焰切割小车均采用CG1-30型小车式火焰切割机，调整第一台小车喷嘴为火焰加热，第二台小车喷嘴进行切割。

2)利用ANSYS有限元软件，建立钢板预热3D数学模型，模型尺寸为2355mm×25mm×4000mm，火焰模型直径20mm，高度35mm。

3)对钢板和火焰模型进行有限元网格划分，如图2。

4)对有限元模型施加初始条件：火焰预热温度设定为2000℃。切割时钢板初始温度为室温20℃。

火焰与钢板的传热方式为接触传热。其热流强度依据公式q_R＝h_R(T_S-T_R)得到。

式中：h_R为钢板与火焰之间的接触换热系数(W/m²·℃)，为10000(W/m²·℃)；T_R为火焰温度(℃)，为2000℃。

5)对有限元模型施加边界条件：钢板除底部设为绝热外，其余面的散热方式均为第三类边界条件，即对外界环境的辐射散热和自然对流换热。本例中将辐射换热与自然对流换热等效为综合换热系数，依据公式 $h_r=\mathrm{\&sigma;\&epsiv;}(T_s+T_{\&infin;})(T_s^2+T_{\&infin;}^2)$ 得到。

式中：T_s为钢板表面温度，T_∞为外界环境介质温度，这里取20(℃)。h_r为热辐射的等效对流换热系数(W/m².℃)，σ为Stefan-Boltzmann常数，取值5.67×10-8(W/m².K⁴)，ε为表面辐射率，按照经验值取为0.8。根据上式求得等效综合换热系数为25(W/m².℃)。

火焰与钢板的传热方式可认为接触传热。其热流强度依据公式q_R＝h_R(T_S-T_R)得到。

式中：h_R为钢板与火焰之间的接触换热系数(W/m²·℃)，为10000(W/m²·℃)；T_R为火焰温度(℃)，为2000(℃)。根据上式求得的热流强度为：1.97×10⁷(W/m²)

6)在ANSYS软件求解模块界面，提交计算任务，对有限元模型进行求解，得到钢板在该火焰加热温度下的温度场分布。

7)将与模型相同规格、相同测温条件下的钢板实际红外测温结果与有限元计算得到的温度进行比较，并根据结果调整热流强度的值，直到钢板计算温度与实际测温点的温度差△T<3％(以第2和第4测温点为例，其校核过程见下表)，则认为该模型可信度较好。

钢板测温点示意图见图3(其中10点为移动中的火焰，11点为火焰加热过程测温点位置，S为火焰距测温点的距离(mm))；钢板实际测温结果与有限元计算结果及其差值见下表：

8)利用校核过的模型，计算得到：火焰加热后经过△t＝172s，某点的温度可降低到145℃。

9)利用该计算结果，则可知两小车的距离△L(这里取600mm)与小车行进速度V(火焰切割速度)。V＝△L/△t。通过上方法，得到两台小车的行进速度V(火焰切割速度)为209mm/min。对该钢板进行上述切割前预热后，切割后未出现任何裂纹。

Claims (1)

1.一种高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法，其特征在于，

对于碳当量大于0.60％，30mm以下规格的钢板，采用在同一个横向轨道上布置两台便携式数控火焰切割小车，先进行预热后进行火焰切割；两台小车被安放在同一横向轨道上，间隔一定距离，行进速度相同；第一台小车负责对钢板预热；第二台小车负责切割，按照要求尺寸在预热范围内进行切割；预热温度和切割速度根据有限元计算结果确定；

有限元法预测预热温度和切割速度的步骤如下：

(1)根据钢板的实际规格尺寸建立数学模型；

数学模型的具体内容为：利用有限元软件ANSYS，根据钢板实际规格尺寸和对火焰切割小车进行简化后的几何结构进行建模；简化后的模型只包括钢板和火焰：其中钢板固定，火焰可移动，移动速度与小车行进速度相同；

(2)将数学模型用有限元法进行离散化，得到有限元模型；对有限元模型施加火焰温度、钢板初始温度等初始条件；根据钢板与外界的辐射散热和自然对流换热情况，对有限元模型施加边界条件；

边界条件的具体内容为：将辐射换热与自然对流换热等效为综合换热系数，依据公式 $h_r=\mathrm{\&sigma;\&epsiv;}(T_s+T_{\&infin;})(T_s^2+T_{\&infin;}^2)$ 得到；

式中：T_s为钢板表面温度，T_∞为外界环境介质温度。h_r为热辐射的等效对流换热系数(W/m2.℃)，σ为Stefan-Boltzmann常数(W/m2.K4)，ε为表面辐射率。

钢板与火焰之间为接触传热，其热流强度依据q_R＝h_R(T_S-T_R)公式确定；

式中：h_R为钢板与火焰之间的接触换热系数(W/m2·℃)；T_R为火焰温度(℃)；

(3)在ANSYS软件求解模块界面，提交计算任务，对有限元模型进行求解，计算结果用该软件的后处理模块进行分析；

(4)利用红外测温仪对现场模型进行测温，根据测温结果对模型进行校核；

(5)利用校核过的模型，代入实际钢板预热温度等初始条件，重新提交ANSYS软件求解模块进行求解；求解后利用该软件的后处理模块，进行取数分析，得到温度场结果和钢板温降速率；

(6)确定该预热温度下的最佳切割速度及两台小车间的距离；速度取值范围为：105-350mm/min；距离范围为：300-1000mm。