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    薄板坯連鑄結(jié)晶器銅板熱應(yīng)力場分析

    2014-12-23 12:17:12孫又銀崔偉偉
    科技視界 2014年11期
    關(guān)鍵詞:邯鋼銅板結(jié)晶器

    孫又銀 劉 磊 崔偉偉

    (日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東日照 276826)

    0 引言

    在連鑄機(jī)設(shè)備中,結(jié)晶器有“心臟”之稱[1],在連鑄工程中占有十分重要的地位。本文以邯鋼CSP 薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線為基礎(chǔ),以有限元仿真軟件ABAQUS 為工具,對CSP 薄板坯連鑄結(jié)晶器銅板的熱應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,有利于更好的了解它的傳熱規(guī)律,可以為結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供參考;對于延長結(jié)晶器的壽命,增加結(jié)晶器的安全性、提高鑄坯質(zhì)量等都具有重要的意義。

    1 CSP 漏斗結(jié)晶器銅板的物理模型

    1.1 熱應(yīng)力場研究對象的描述

    本文根據(jù)邯鋼目前使用的漏斗型結(jié)晶器[2]為研究對象,生產(chǎn)鋼種為低碳鋼SPHC,板坯寬度為1200mm,厚度為90mm.由圖1 可見,結(jié)晶器銅板的寬面上口兩側(cè)均有一段平行段,然后和一圓弧相聯(lián)接,漏斗形狀在結(jié)晶器內(nèi)保持到700mm,結(jié)晶器出口處鑄坯厚度為50-70mm。結(jié)晶器銅板分為寬面、窄面,結(jié)構(gòu)類似。銅板的長度即為結(jié)晶器的長度,所分析的結(jié)晶器銅板內(nèi)側(cè)面鍍不等厚鎳層,外側(cè)面均布豎直方向冷卻水槽和螺孔。邯鋼CSP(Compact Strip Production)生產(chǎn)線連鑄結(jié)晶器銅板寬面的冷卻水通道結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由圖2 可見,銅板上布置了42 條“凹”大水槽,一部分冷卻水沿水槽自下而上流動;為保證結(jié)晶器銅板上部的冷卻強(qiáng)度,距銅板上端0~460 mm 區(qū)域布置了22 條直徑為9mm 的圓形小水槽,另一部分冷卻水沿圓水槽自下而上流動;結(jié)晶器銅板寬板從熱面至與水相接觸的冷面的有效厚度為23.5mm;結(jié)晶器窄板均勻分布了4 條直徑為13mm 的圓形水槽,窄板從熱面至與冷卻水接觸的冷面的有效厚度為18.5mm。工作時,寬窄各兩塊銅板通過螺栓與外圍冷卻箱體相連,構(gòu)成一無頂無底的空腔。鋼液借助引錠桿通過空腔使鑄坯初步成型。銅板隨結(jié)晶器振動,冷卻水沿水槽在銅板與冷卻箱間自下而上快速流過水槽,達(dá)到冷卻作用。

    圖1 1/2 CSP 漏斗型結(jié)晶器熱面示意圖

    圖2 結(jié)晶器銅板簡化模型圖

    1.2 熱應(yīng)力場模型的簡化與假設(shè)

    由于在計(jì)算結(jié)晶器銅板的熱應(yīng)力場時使用的是計(jì)算溫度場的物理模型,因此,其簡化形式與溫度場一致,即只對結(jié)晶器背面水槽進(jìn)行簡化,而保持熱面不變,簡化后圖見圖2 所示。

    而在計(jì)算熱應(yīng)力時我們要做如下假設(shè):

    (1)據(jù)文獻(xiàn)[2],水槽對應(yīng)力影響不大,在此不予考慮。

    (2)假設(shè)材料各向同性(材質(zhì)Cu-Ag)。

    (3)根據(jù)結(jié)晶器銅板結(jié)構(gòu)的對稱性,數(shù)學(xué)模型中取結(jié)晶器銅板寬面的1/2 和整個窄面作為研究對象。

    2 結(jié)晶器銅板熱應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型及邊界條件

    2.1 熱應(yīng)力彈性本構(gòu)方程

    由于熱膨脹只產(chǎn)生線應(yīng)變,不產(chǎn)生剪切變形,故物體變溫條件的廣義胡克定律[3]為:

    2.2 邊界條件

    (1)各節(jié)點(diǎn)的溫度取溫度場模擬結(jié)果的溫度。

    (2)水箱在寬面允許銅板沿寬度方向(即x 方向)移動,不允許平行于對稱面方向(即z 方向)的移動。

    (3)對稱面的約束,不允許法向(即x 方向)移動,允許平行于對稱面的方向(即z 方向)移動。

    3 計(jì)算結(jié)果及分析

    結(jié)晶器銅板的熱面熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3 所示,由圖可知熱面熱應(yīng)力最大值發(fā)生在銅板溫度最高處(即彎月面以下55mm 對應(yīng)的背面為筋板處),為0.64MPa,因?yàn)榇颂帨囟茸罡撸~板內(nèi)外表面溫差最大,溫度梯度最大,因此熱應(yīng)力最大。另外,熱面熱應(yīng)力偏大處還出現(xiàn)在靠近角部背面為筋板對應(yīng)出的地方,由于角部最開始出現(xiàn)氣隙,這時候角部的溫度變化比較明顯,溫度梯度也比較大,所以從圖中可以看出角部的熱應(yīng)力也偏高而且在高度方向上延伸最大。

    圖3 銅板熱面熱應(yīng)力分布圖

    圖4 為銅板冷面熱應(yīng)力分布圖,由圖可知,冷面熱應(yīng)力最高處出現(xiàn)在固定螺孔且對應(yīng)熱面溫度最高處,為0.96MPa。而冷卻水槽處的熱應(yīng)力比較均勻,因?yàn)槔鋮s水槽和水對流換熱比較均勻,溫度梯度變化不大,所以產(chǎn)生的熱應(yīng)力比較均勻。為了研究結(jié)晶器銅板橫截面的熱應(yīng)力分布,我們?nèi)°~板不同高度方向上的橫截面為研究對象,如圖5 所示。

    由圖可知在彎月面下55mm 處橫截面的熱應(yīng)力最大,彎月面下460mm 處次之,彎月面下900mm 處最小。

    結(jié)晶器銅板熱面熱應(yīng)力值出現(xiàn)在溫度最高點(diǎn)(彎月面55mm),最大熱應(yīng)力值小于材料的屈服應(yīng)力。此區(qū)域是溫度梯度最大的階段,這個階段是最容易出現(xiàn)銅板裂紋和坯殼粘結(jié)的地方,根據(jù)與現(xiàn)場工程技術(shù)人員的交流,邯鋼結(jié)晶器銅板出現(xiàn)細(xì)小裂紋、點(diǎn)蝕的地方也正是在彎月面以下50-65mm 的區(qū)域內(nèi),由此可見應(yīng)力場的模擬和實(shí)際情況較吻合。

    圖4 銅板冷面熱應(yīng)力分布圖

    圖5 結(jié)晶器銅板橫截面熱應(yīng)力云圖

    [1]聞玉勝,潘國平.CSP 連鑄結(jié)晶器的技術(shù)特點(diǎn)[J].甘肅冶金,2006,28(3):15-18.

    [2]I.V.Samasckcra,J.K.Brimacombe.The Pursuit of Steel Billet Quality[J].Iron&Steel,1994,03:53-63.

    [3]蔡開科.澆注與凝固[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:83-106.

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