連鑄坯矯直的有限元分析

劉克仲 閆 冬

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457;2.一重集團(tuán)天津重工有限公司，天津 300301)

連鑄坯矯直的有限元分析

劉克仲1閆 冬2

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457;2.一重集團(tuán)天津重工有限公司，天津 300301)

利用有限元技術(shù)模擬了連鑄坯的矯直過(guò)程，獲得了矯直過(guò)程中連鑄坯的溫度分布、受力分布等數(shù)據(jù)，對(duì)分析連鑄坯缺陷產(chǎn)生原因以及質(zhì)量改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

連鑄坯;矯直;有限元模擬

連鑄坯目前仍然存在寬面縱裂、窄面凸出及內(nèi)裂等質(zhì)量缺陷，分析矯直過(guò)程中連鑄坯溫度分布及應(yīng)力應(yīng)變的分布對(duì)改進(jìn)鑄坯質(zhì)量有著重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，連鑄坯溫度較高，內(nèi)部存在液芯，進(jìn)行全過(guò)程、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)較復(fù)雜，可行性不高，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可有效解決此問(wèn)題。

1 連鑄坯矯直模型的建立

1.1 矯直輥中心坐標(biāo)的確定

某鋼廠的連鑄設(shè)備參數(shù)如圖1所示。鑄坯的規(guī)格為1 000 mm×237 mm，鑄坯矯直段的半徑為9 300 mm，拉坯速度為 1.5 m/min，矯直輥直徑310 mm，輥距為380 mm，鑄坯進(jìn)入矯直區(qū)之前經(jīng)過(guò)的弧長(zhǎng)為13 300 mm。

根據(jù)鋼廠的實(shí)際設(shè)備參數(shù)，取部分矯直前圓弧區(qū)輥列、連續(xù)矯直區(qū)輥列及后續(xù)直線區(qū)輥列為研究對(duì)象，計(jì)算得到各輥的中心坐標(biāo)見(jiàn)表1。

連鑄坯矯直模型中鑄坯圓弧區(qū)的圓心坐標(biāo)是(762.8，9 584)mm，半徑 R 為9 300 mm。

1.2 連鑄坯網(wǎng)格的劃分與材料選取

圖1 連鑄機(jī)設(shè)備參數(shù)Figure 1 Equipment parameters of continuous caster

表1 矯直模型的輥?zhàn)又行淖鴺?biāo)Table 1 Center coordinates of straightening model roller

選取即將進(jìn)入矯直區(qū)一段的鑄坯為分析對(duì)象，由于六面體的良好受力傳遞特性，鑄坯全部劃分為六面體網(wǎng)格，見(jiàn)圖2。選取鑄坯段共劃分成12 800個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)15 309個(gè)。

1.3 建立矯直模型

鑄坯由接觸面的摩擦力帶動(dòng)前行。定義接觸控制及高級(jí)接觸控制，選擇摩擦類(lèi)型，確定接觸探測(cè)時(shí)的接觸容限和偏斜系數(shù)以及分離力等重要參數(shù)，建立矯直模型如圖3所示。

圖2 鑄坯的網(wǎng)格劃分Figure 2 Grid division of casting blank

圖3 矯直模型圖示Figure 3 Illustration of straighteningmodel

2 數(shù)值模擬

2.1 矯直前鑄坯溫度分布

鑄坯進(jìn)入矯直前的溫度分布見(jiàn)圖4，表面溫度在950℃左右，鑄坯的角部溫度較低，約為800℃。鑄坯中心部分溫度較高，約為1 450℃，處于材料的固相線與液相線之間。

圖4 鑄坯的溫度分布假設(shè)Figure 4 Temperature distribution assumption of casting blank

2.2 矯直過(guò)程的條件簡(jiǎn)化

(1)鑄坯在矯直過(guò)程中存在寬面的對(duì)流換熱、窄面的對(duì)流換熱，垂直鑄坯運(yùn)行方向假設(shè)為絕熱面，加載邊界條件如圖5所示。

(2)矯直過(guò)程中矯直輥為不變形剛體。

2.3 矯直模擬

本次數(shù)據(jù)模擬共300個(gè)增量步，為了形象的表示模擬過(guò)程，分別取增量步為100、200和300時(shí)的鑄坯矯直狀態(tài)，見(jiàn)圖6。

通過(guò)模擬，鑄坯經(jīng)過(guò)矯直區(qū)后得到了矯直，驗(yàn)證了利用有限元軟件模擬的正確性，鑄坯在矯直過(guò)程的溫度及力學(xué)參數(shù)為進(jìn)一步改進(jìn)鑄坯質(zhì)量提供參考。

圖5 鑄坯的邊界條件Figure 5 Boundary condition of casting blank

3 模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

鑄坯在矯直過(guò)程中，由曲變直，內(nèi)弧側(cè)受拉力，外弧側(cè)受壓力。在236增量步時(shí)選取鑄坯厚度方向自上至下的一列節(jié)點(diǎn)作為分析研究對(duì)象，從結(jié)果文件中提取等效應(yīng)力分布，見(jiàn)圖7。

圖6 矯直模擬過(guò)程狀態(tài)Figure 6 Straightening simulation process status

可以看出，鑄坯內(nèi)弧側(cè)與外弧側(cè)表面上等效應(yīng)力較大，且內(nèi)弧側(cè)最大等效應(yīng)力稍大于外弧側(cè)［1］。矯直應(yīng)力向鑄坯中心方向逐漸減小，鑄坯中心處最小。

3.2 應(yīng)變分析

應(yīng)變反映了鑄坯在矯直過(guò)程中的變形速度，在鑄坯上選取處于不同部位的213、224、231節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，分析它們從矯直初始至矯直結(jié)束的應(yīng)變變化，提取應(yīng)變結(jié)果如圖8所示。

圖7 等效應(yīng)力分布圖Figure 7 Equivalent stress distribution chart

可以看出，鑄坯在矯直初始階段與矯直末端應(yīng)變速率很小，矯直過(guò)程中應(yīng)變接近線性變化，鑄坯與矯直輥接觸的瞬間應(yīng)變產(chǎn)生突變，因此若采用矯直輥密排技術(shù)，可有效減小突變，對(duì)提高鑄坯質(zhì)量有很大益處。

3.3 溫度場(chǎng)分析

在矯直過(guò)程中，對(duì)流換熱使鑄坯溫度不斷降低，為了更好的觀察溫度分布情況，沿鑄坯行進(jìn)方向做切片顯示，見(jiàn)圖9。鑄坯溫度中部較高，外側(cè)逐漸降低，角部溫度最低。同實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了模擬的合理性。

圖8 鑄坯不同節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變圖Figure 8 Various nodes strain chart of casting blank

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某鋼廠實(shí)際設(shè)備參數(shù)，建立了連鑄坯的矯直模型并成功模擬了連鑄坯的矯直過(guò)程，得到了矯直過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變與溫度等重要數(shù)據(jù)，為今后改善連鑄坯的質(zhì)量提供了參考和依據(jù)。

圖9 鑄坯的溫度切片顯示Figure 9 Temperature slice appearance of casting blank

［1］劉立文.有限元法在連鑄工藝中的應(yīng)用.鋼鐵研究總院，2000:35－38.

編輯 傅冬梅

Finite Element Analysis of Continuous Casting Blank Straightening

Liu Kezhong，Yan Dong

Straightening process of continuous casting blank has been simulated by finite element technique and relevant data in the process of straightening has been obtained，such as temperature distribution and force distribution，which provided data basis for analyzing continuous casting blank defects origin and quality improvement.

continuous casting blank;straightening;finite element simulation

O242.21

A

2013—07—04