裝爐溫度對大板坯加熱過程熱應力的影響

朱正海，徐其言，孫前進，常立忠，施曉芳

(1.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二鋼軋總廠，安徽馬鞍山243051)

裝爐溫度對大板坯加熱過程熱應力的影響

朱正海1，徐其言1，孫前進2，常立忠1，施曉芳1

(1.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二鋼軋總廠，安徽馬鞍山243051)

針對大板坯的加熱過程，建立鑄坯的熱彈塑性模型，研究不同裝爐溫度條件下鑄坯熱應力分布的變化規律。研究表明：冷裝和400℃裝爐的鑄坯，表面和心部分別受到壓應力和拉應力作用，熱應力隨加熱過程的進行逐漸減??；600，800℃熱裝鑄坯入爐后，表面所受拉應力迅速轉變成壓應力，峰值最高達37MPa，心部所受壓應力迅速轉變為拉應力；出爐之前，熱裝和冷裝鑄坯內外的熱應力都趨于零。

鑄坯；裝爐溫度；熱應力；彈塑性模型

連鑄坯的斷面越大，其內外溫度分布就越不均勻[1]，形成的溫度梯度容易引起鑄坯內外產生熱應力。應力嚴重時將影響鑄坯的質量，導致熱送熱裝的鑄坯在加熱過程產生熱送裂紋[2]，對企業生產造成損失。前人對鑄坯的熱應力進行了一定的研究，但連鑄研究者主要集中在結晶器內和連鑄二冷段內方面，如趙奇少等[3]研究了連鑄板坯二冷區的應力分布；而軋鋼研究者主要集中于研究軋制形成的應力，如李勝祗等[4]研究了熱矯初始溫度分布對TMCP鋼板殘余應力的影響。而對于連鑄-軋鋼工序間加熱過程中鑄坯應力的研究則少見報道，因此有必要對加熱過程鑄坯內部的熱應力分布進行研究。鑄坯斷面為210mm×2 300mm，是典型的大斷面板坯，內外溫度差異較大，在加熱過程易發生應力不均勻的現象。尤其對于微合金鋼鑄坯的熱送熱裝過程，生產中常出現由于熱裝加熱導致的熱送裂紋。

筆者針對某煉鋼廠加熱過程的鑄坯，在前期鑄坯傳熱研究[1]的基礎上建立熱彈塑性模型，使用非線性有限元軟件MSC.MARC進行數學建模，對不同裝爐溫度條件下加熱過程中鑄坯熱應力分布的變化規律進行數值模擬。

1 模型的建立

1.1數學模型

針對鑄坯的加熱過程，在已有的傳熱模型基礎[5-6]上建立鑄坯的熱彈塑性模型，鑄坯的計算域以及網格劃分與傳熱模型完全相同，并以傳熱模型的計算結果作為熱彈塑性模型的溫度場。模型在傳熱計算假設條件的基礎上，假定在前述各過程中鑄坯斷面處于平面應力狀態。

模型中采用四節點單元，對鑄坯在求解域內作離散化處理后，采用有限單元法求解。熱彈塑性力學性能問題由以下二式描述：

1.2 物性參數

對于大多數材料，實驗測得的泊松比均在0～0.5之間。鋼在固相線溫度以下時泊松比(γ)受溫度影響不大，本研究采用Uehara等[7]的回歸關系公式，γ=0.278+8.23×10-5T，彈性模量和熱膨脹系數的值采用文獻[8]中的數據。

1.3 工藝參數

文中研究的寬厚板加熱爐為步進梁式加熱爐，各段長度及溫度如表1。

表1 加熱爐各段長度及溫度Tab.1 Temperatureand length of furnace

2 計算結果與分析

鑄坯進入加熱爐后，溫度不斷升高，其所受熱應力也隨之發生變化。冷裝鑄坯和熱裝爐鑄坯由于鑄坯本身溫度分布的不同，在加熱過程中其所受熱應力的分布也不相同，圖1～4分別是對冷裝以及400，600，800℃熱裝時的鑄坯內外熱應力變化進行數值模擬的結果。

2.1 冷裝

由圖1(a)可以看到鑄坯溫度降到常溫后，鑄坯內已經沒有熱應力，但在進入加熱爐后，隨著鑄坯溫度的升高以及鑄坯內外溫度的不均勻，鑄坯內產生了不同方向的熱應力。鑄坯表面由于溫度相對較高，受到壓應力的作用，鑄坯心部溫度相對較低，受到拉應力的作用。在入爐的開始階段，由于鑄坯表面溫度迅速升高，導致鑄坯內外溫差驟然增大，表面瞬間受到較大的壓應力，如圖1(b)。同時鑄坯斷面中心也受到了方向相反的拉應力作用，只是在時間上略有延遲，如圖1(c)。隨后在鑄坯的升溫過程，由于溫差的逐漸減小，鑄坯表面以及心部所受熱應力逐漸減小。到了加熱爐均熱段后與出爐前，鑄坯內外的熱應力逐漸趨于零，在實際生產中可以忽略。

圖1 冷裝鑄坯熱應力分布Fig.1 Thermalstressdistribution of coolcharging slab

2.2 400℃裝爐

鑄坯經保溫坑緩冷48 h后進入加熱爐，此時鑄坯內外溫度分布較為均勻，為簡化計算，假定鑄坯溫度內外均勻為400℃。如圖2(a)，鑄坯內外應力的變化過程與鑄坯冷裝較為相似，區別在于由于鑄坯入爐溫度較高，入爐后鑄坯內外所受壓應力雖也有突然上升的過程，但峰值相對冷裝坯較小，如圖2(b)，(c)。在鑄坯隨后的升溫過程中，鑄坯內外所受熱應力同樣是方向不變，但絕對值在不斷減小。在鑄坯出爐前，鑄坯內外熱應力的分布與冷裝鑄坯非常相似。

2.3 600℃裝爐

圖2 400℃熱裝鑄坯熱應力分布Fig.2 Thermalstressdistribution of hot charging slab at400℃

由圖3(a)可知，600℃熱裝鑄坯與前述2個入爐溫度鑄坯的熱應力變化過程明顯不同，原因在于600℃熱裝的鑄坯在入爐前本身就受到熱應力作用，鑄坯表面受拉應力作用，鑄坯心部受壓應力作用。在鑄坯入爐之后，鑄坯表面受到加熱，而鑄坯心部由于沒有熱源，所以鑄坯表面溫度很快高于鑄坯心部溫度，鑄坯內外溫度的變化直接影響鑄坯內外所受熱應力的變化。在入爐后鑄坯表面隨溫度升高，所受拉應力轉變成壓應力，如圖3(b)。而鑄坯心部由于鑄坯表面溫度的變化，所受壓應力轉變為拉應力，如圖3(c)。在鑄坯出爐之前，鑄坯內外熱應力的分布已經減小降近零，與冷裝鑄坯非常相似。

圖3 600℃熱裝鑄坯熱應力分布Fig.3 Thermalstress distribution of hot charging slab at600℃

2.4 800℃裝爐

由圖4(a)可知，800℃熱裝鑄坯與600℃熱裝鑄坯熱應力的變化過程較為相似，鑄坯內外熱應力的方向在入爐之后都發生了改變。區別在于，800℃熱裝鑄坯內外熱應力的變化速度較慢，不同于600℃熱裝鑄坯內外應力在入爐后瞬間改變方向，如圖4(b)，(c)。從鑄坯內外所受熱應力大小的峰值來看，600，800℃熱裝的鑄坯較為接近，鑄坯表面壓應力的峰值最高達37MPa，鑄坯心部拉應力的峰值最高達15MPa。鑄坯出爐之前熱應力已經由入爐前的高值降低并趨于零，這一點與前面的裝爐溫度相似。

圖4 800℃熱裝鑄坯熱應力分布Fig.4 Thermalstressdistribution of hot charging slab at800℃

2.5 比較與分析

由以上分析可知，在加熱過程中，由于在裝爐時鑄坯本身的溫度場不同，導致了不同裝爐條件下的鑄坯內外熱應力及其變化具有顯著的差異。冷裝鑄坯和400℃鑄坯入爐后，表面瞬間受到較大的壓應力，鑄坯橫斷面中心也受到了方向相反的拉應力作用，之后的加熱過程中，鑄坯表面以及心部所受熱應力逐漸減小。600，800℃裝爐鑄坯，由于本身存在熱應力，在入爐后的加熱過程，鑄坯表面所受拉應力轉變成壓應力，峰值最高達37MPa，鑄坯心部所受壓應力，轉變為拉應力峰值最高達15MPa，其中600℃裝爐鑄坯轉變過程相對更為劇烈。

雖然在鑄坯出爐之前，由于溫度的均勻分布，熱裝和冷裝鑄坯內外的熱應力都趨于零，但是在加熱過程中出現的應力峰值仍然可能導致鑄坯出現微裂紋，加熱結束時也難以愈合，在軋制力作用下大幅延伸，最終以熱送裂紋的形式表現出來。因此，為保證熱裝鑄坯的質量，在加熱過程有必要對鑄坯內外熱應力進行控制，避免出現應力峰值。

3 結論

建立了大板坯加熱過程中鑄坯的熱彈塑性模型，并研究了不同裝爐溫度條件下鑄坯熱應力分布的變化規律。結果表明：冷裝和400℃裝爐的鑄坯，表面和心部分別受到壓應力和拉應力作用，熱應力隨加熱過程的進行逐漸減??；600，800℃熱裝鑄坯在入爐后，表面所受拉應力迅速轉變成壓應力，峰值最高達37MPa，心部所受壓應力迅速轉變為拉應力；在出爐之前，熱裝和冷裝鑄坯內外的熱應力都趨于零。

[1]朱正海,仇圣桃,干勇,等.連鑄－熱軋區段大板坯溫度變化規律研究[J].鋼鐵,2009,44(10):31-35.

[2]夏文勇,朱正海,干勇.微合金鋼紅送裂紋形成的試驗研究[J].鋼鐵,2011,46(12):30-33.

[3]趙奇少,陳艷.連鑄板坯二冷區的應力分析[J].安徽工業大學學報：自然科學版,2013,30(1):16-21.

[4]李勝祗,李珺,劉宇，等.熱矯初始溫度分布對TMCP鋼板殘余應力的影響[J].安徽工業大學學報：自然科學版，2009,26(4):345-349.

[5]王仁,黃文彬,黃筑平.塑性力學引論[M].北京：北京大學出版社,2006:192-194.

[6]趙祖武.塑性力學導論[M].北京：高等教育出版社,1989:58-59.

[7]UeharaM,Samarasekera IV,Brimacombe JK.Mathematicalmodeling of unbending of continuously caststeelslabs[J].Ironmaking and Steelmaking,1986,13:138-142.

[8]崔立新.板坯連鑄動態輕壓下工藝的三維熱—力學模型研究[D].北京：北京科技大學，2005.

責任編輯：何莉

A Study of the Effectof Charging Temperature for Thermal Stressof Slab in Heating Process

ZHU Zhenghai1，XU Qiyan1，SUN Qianjin2，CHANG Lizhong1，SHIXiangfang1
(1.SchoolofMetallurgicalEngineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China;2.No.2Steelmaking and Rolling Gennal Plant,Ma'anshan Iron&SteelCo.Ltd.,Ma'anshan 243051,China)

As to the heating processof slab,thermalelastoplasticmode of the slab was established,thermal stress distribution of the slab were studied under the condition of different charging temperature.Results show that under the condition of cold charge and 400℃hot charge,the surface and center of slab are effected by the compressive and tensile stress respectively,and the thermal stress decreaseswith the temperature increase.Under the condition of 600℃and 800℃hot charge,the tensile stress on the slab surface is quickly converted to the compressive stress with the peak value of 37 MPa,while the compressive stress in the slab center is promptly converted to the tensile stress.Before discharge,the internal and external thermal stresses of the slab are tending to zero both in hotand cold charge.

slab；charging temperature；thermalstress；elastoplasticmodel

TG335

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.002

1671-7872(2014)02-0111-06

2013-06-19

安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2012Z037)；國家自然科學基金項目(51304003)

朱正海(1979-)，男，安徽馬鞍山人，博士，副教授，研究方向為煉鋼與連鑄新技術。