高碳当量厚度小于30mm钢板的火焰预热切割方法
【技术领域】
[0001] 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（>〇. 60% )、厚度小于30mm钢板的火焰预热切 割。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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°C。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】
[0004] 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〈30_)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。
[0005] 本发明的技术解决方案：
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 有限元法预测预热温度和切割速度的步骤如下：
[0009] (1)根据钢板的实际规格尺寸建立数学模型；
[0010] 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。
[0011] (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；
[0012] 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 公式欠=沉(7； +乙）(r、： + ')得到。
[0013] 式中：TS为钢板表面温度，T00为外界环境介质温度。匕为热辐射的等效对流换热 系数（W/m 2 · °C )，σ 为 Stefan-Boltzmann 常数（W/m2 · K4)，ε 为表面辐射率。
[0014] 钢板与火焰之间为接触传热，其热流强度依据qK= h K(TS-TK)公式确定；
[0015] 式中：hK为钢板与火焰之间的接触换热系数（W/m2 · °C ) ;TK为火焰温度（°C )。
[0016] (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。
[0017] (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；
[0018] (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。
[0019] (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。
[0020] 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。
[0021] 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】
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0023] 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、Λ L :两台小车间横向距离。
[0024] 图2为有限元模型示意图。其中，8 :钢板模型，9 :火焰模型。
[0025] 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】
[0026] 下面结合附图来说明本发明的技术方案。
[0027] 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、Λ 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。
[0028] 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：
[0029] 1)根据钢板的实际规格建立数学模型；
[0030] 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 K= h ,(Ts-Tk)公 式确定；
[0031] 3)利用有限元法对模型进行求解；
[0032] 4)利用红外测温仪对现场模型