朱正海，徐其言，孙前进，常立忠，施晓芳

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002；2.马鞍山钢铁股份有限公司第二钢轧总厂，安徽马鞍山243051)

装炉温度对大板坯加热过程热应力的影响

朱正海1，徐其言1，孙前进2，常立忠1，施晓芳1

(1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002；2.马鞍山钢铁股份有限公司第二钢轧总厂，安徽马鞍山243051)

针对大板坯的加热过程，建立铸坯的热弹塑性模型，研究不同装炉温度条件下铸坯热应力分布的变化规律。研究表明：冷装和400℃装炉的铸坯，表面和心部分别受到压应力和拉应力作用，热应力随加热过程的进行逐渐减小；600，800℃热装铸坯入炉后，表面所受拉应力迅速转变成压应力，峰值最高达37MPa，心部所受压应力迅速转变为拉应力；出炉之前，热装和冷装铸坯内外的热应力都趋于零。

铸坯；装炉温度；热应力；弹塑性模型

连铸坯的断面越大，其内外温度分布就越不均匀[1]，形成的温度梯度容易引起铸坯内外产生热应力。应力严重时将影响铸坯的质量，导致热送热装的铸坯在加热过程产生热送裂纹[2]，对企业生产造成损失。前人对铸坯的热应力进行了一定的研究，但连铸研究者主要集中在结晶器内和连铸二冷段内方面，如赵奇少等[3]研究了连铸板坯二冷区的应力分布；而轧钢研究者主要集中于研究轧制形成的应力，如李胜祗等[4]研究了热矫初始温度分布对TMCP钢板残余应力的影响。而对于连铸-轧钢工序间加热过程中铸坯应力的研究则少见报道，因此有必要对加热过程铸坯内部的热应力分布进行研究。铸坯断面为210mm×2 300mm，是典型的大断面板坯，内外温度差异较大，在加热过程易发生应力不均匀的现象。尤其对于微合金钢铸坯的热送热装过程，生产中常出现由于热装加热导致的热送裂纹。

笔者针对某炼钢厂加热过程的铸坯，在前期铸坯传热研究[1]的基础上建立热弹塑性模型，使用非线性有限元软件MSC.MARC进行数学建模，对不同装炉温度条件下加热过程中铸坯热应力分布的变化规律进行数值模拟。

1 模型的建立

1.1数学模型

针对铸坯的加热过程，在已有的传热模型基础[5-6]上建立铸坯的热弹塑性模型，铸坯的计算域以及网格划分与传热模型完全相同，并以传热模型的计算结果作为热弹塑性模型的温度场。模型在传热计算假设条件的基础上，假定在前述各过程中铸坯断面处于平面应力状态。

模型中采用四节点单元，对铸坯在求解域内作离散化处理后，采用有限单元法求解。热弹塑性力学性能问题由以下二式描述：

1.2 物性参数

对于大多数材料，实验测得的泊松比均在0～0.5之间。钢在固相线温度以下时泊松比(γ)受温度影响不大，本研究采用Uehara等[7]的回归关系公式，γ=0.278+8.23×10-5T，弹性模量和热膨胀系数的值采用文献[8]中的数据。

1.3 工艺参数

文中研究的宽厚板加热炉为步进梁式加热炉，各段长度及温度如表1。

表1 加热炉各段长度及温度Tab.1 Temperatureand length of furnace

2 计算结果与分析

铸坯进入加热炉后，温度不断升高，其所受热应力也随之发生变化。冷装铸坯和热装炉铸坯由于铸坯本身温度分布的不同，在加热过程中其所受热应力的分布也不相同，图1～4分别是对冷装以及400，600，800℃热装时的铸坯内外热应力变化进行数值模拟的结果。

2.1 冷装

由图1(a)可以看到铸坯温度降到常温后，铸坯内已经没有热应力，但在进入加热炉后，随着铸坯温度的升高以及铸坯内外温度的不均匀，铸坯内产生了不同方向的热应力。铸坯表面由于温度相对较高，受到压应力的作用，铸坯心部温度相对较低，受到拉应力的作用。在入炉的开始阶段，由于铸坯表面温度迅速升高，导致铸坯内外温差骤然增大，表面瞬间受到较大的压应力，如图1(b)。同时铸坯断面中心也受到了方向相反的拉应力作用，只是在时间上略有延迟，如图1(c)。随后在铸坯的升温过程，由于温差的逐渐减小，铸坯表面以及心部所受热应力逐渐减小。到了加热炉均热段后与出炉前，铸坯内外的热应力逐渐趋于零，在实际生产中可以忽略。

图1 冷装铸坯热应力分布Fig.1 Thermalstressdistribution of coolcharging slab

2.2 400℃装炉

铸坯经保温坑缓冷48 h后进入加热炉，此时铸坯内外温度分布较为均匀，为简化计算，假定铸坯温度内外均匀为400℃。如图2(a)，铸坯内外应力的变化过程与铸坯冷装较为相似，区别在于由于铸坯入炉温度较高，入炉后铸坯内外所受压应力虽也有突然上升的过程，但峰值相对冷装坯较小，如图2(b)，(c)。在铸坯随后的升温过程中，铸坯内外所受热应力同样是方向不变，但绝对值在不断减小。在铸坯出炉前，铸坯内外热应力的分布与冷装铸坯非常相似。

2.3 600℃装炉

图2 400℃热装铸坯热应力分布Fig.2 Thermalstressdistribution of hot charging slab at400℃

由图3(a)可知，600℃热装铸坯与前述2个入炉温度铸坯的热应力变化过程明显不同，原因在于600℃热装的铸坯在入炉前本身就受到热应力作用，铸坯表面受拉应力作用，铸坯心部受压应力作用。在铸坯入炉之后，铸坯表面受到加热，而铸坯心部由于没有热源，所以铸坯表面温度很快高于铸坯心部温度，铸坯内外温度的变化直接影响铸坯内外所受热应力的变化。在入炉后铸坯表面随温度升高，所受拉应力转变成压应力，如图3(b)。而铸坯心部由于铸坯表面温度的变化，所受压应力转变为拉应力，如图3(c)。在铸坯出炉之前，铸坯内外热应力的分布已经减小降近零，与冷装铸坯非常相似。

图3 600℃热装铸坯热应力分布Fig.3 Thermalstress distribution of hot charging slab at600℃

2.4 800℃装炉

由图4(a)可知，800℃热装铸坯与600℃热装铸坯热应力的变化过程较为相似，铸坯内外热应力的方向在入炉之后都发生了改变。区别在于，800℃热装铸坯内外热应力的变化速度较慢，不同于600℃热装铸坯内外应力在入炉后瞬间改变方向，如图4(b)，(c)。从铸坯内外所受热应力大小的峰值来看，600，800℃热装的铸坯较为接近，铸坯表面压应力的峰值最高达37MPa，铸坯心部拉应力的峰值最高达15MPa。铸坯出炉之前热应力已经由入炉前的高值降低并趋于零，这一点与前面的装炉温度相似。

图4 800℃热装铸坯热应力分布Fig.4 Thermalstressdistribution of hot charging slab at800℃

2.5 比较与分析

由以上分析可知，在加热过程中，由于在装炉时铸坯本身的温度场不同，导致了不同装炉条件下的铸坯内外热应力及其变化具有显著的差异。冷装铸坯和400℃铸坯入炉后，表面瞬间受到较大的压应力，铸坯横断面中心也受到了方向相反的拉应力作用，之后的加热过程中，铸坯表面以及心部所受热应力逐渐减小。600，800℃装炉铸坯，由于本身存在热应力，在入炉后的加热过程，铸坯表面所受拉应力转变成压应力，峰值最高达37MPa，铸坯心部所受压应力，转变为拉应力峰值最高达15MPa，其中600℃装炉铸坯转变过程相对更为剧烈。

虽然在铸坯出炉之前，由于温度的均匀分布，热装和冷装铸坯内外的热应力都趋于零，但是在加热过程中出现的应力峰值仍然可能导致铸坯出现微裂纹，加热结束时也难以愈合，在轧制力作用下大幅延伸，最终以热送裂纹的形式表现出来。因此，为保证热装铸坯的质量，在加热过程有必要对铸坯内外热应力进行控制，避免出现应力峰值。

3 结论

建立了大板坯加热过程中铸坯的热弹塑性模型，并研究了不同装炉温度条件下铸坯热应力分布的变化规律。结果表明：冷装和400℃装炉的铸坯，表面和心部分别受到压应力和拉应力作用，热应力随加热过程的进行逐渐减小；600，800℃热装铸坯在入炉后，表面所受拉应力迅速转变成压应力，峰值最高达37MPa，心部所受压应力迅速转变为拉应力；在出炉之前，热装和冷装铸坯内外的热应力都趋于零。

[1]朱正海,仇圣桃,干勇,等.连铸－热轧区段大板坯温度变化规律研究[J].钢铁,2009,44(10):31-35.

[2]夏文勇,朱正海,干勇.微合金钢红送裂纹形成的试验研究[J].钢铁,2011,46(12):30-33.

[3]赵奇少,陈艳.连铸板坯二冷区的应力分析[J].安徽工业大学学报：自然科学版,2013,30(1):16-21.

[4]李胜祗,李珺,刘宇，等.热矫初始温度分布对TMCP钢板残余应力的影响[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2009,26(4):345-349.

[5]王仁,黄文彬,黄筑平.塑性力学引论[M].北京：北京大学出版社,2006:192-194.

[6]赵祖武.塑性力学导论[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.板坯连铸动态轻压下工艺的三维热—力学模型研究[D].北京：北京科技大学，2005.

责任编辑：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

安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2012Z037)；国家自然科学基金项目(51304003)

朱正海(1979-)，男，安徽马鞍山人，博士，副教授，研究方向为炼钢与连铸新技术。