特厚板坯連鑄機彎曲段維修對中臺設(shè)計及受力分析

袁 毅，程 鵬，李 盛

(1．中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司散料物流事業(yè)部，重慶 401122；2．中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司計算部，重慶 401122)

0 前言

特厚板坯連鑄機的出現(xiàn)，實現(xiàn)了用連鑄替代模鑄加開坯的方法生產(chǎn)特厚板坯[1]，而彎曲段是板坯連鑄機的關(guān)鍵設(shè)備之一，彎曲段的精度直接關(guān)系到連鑄板坯的生產(chǎn)質(zhì)量及產(chǎn)量[2-10]，作為對彎曲段進行精度調(diào)整和測試的彎曲段維修對中臺就顯得尤其重要。李新強等[11]建立特厚板彎曲段設(shè)計模型，利用COSMOSworks(有限元分析軟件)計算了彎曲段框架在幾種情況下的強度及變形情況，

為彎曲段的設(shè)計提供了理論依據(jù)。涂家佳等[12]利用Solidworks軟件對垂直段的改進方案進行了計算驗證、選優(yōu)，改造效果良好，為連鑄機關(guān)鍵設(shè)備改造樹立了典范。李敏[13]對彎曲段進行了優(yōu)化，優(yōu)化后設(shè)備的配合精度得到提高。然而，目前針對彎曲段維修對中臺的設(shè)計、優(yōu)化、仿真驗證等相關(guān)的研究較少。基于此實際情況，針對特厚板坯連鑄機彎曲段維修對中臺的設(shè)計過程、設(shè)計方法及其仿真進行研究就很有必要和意義，對將來類似的設(shè)計和實踐有指導(dǎo)作用。

隨著各鋼鐵企業(yè)對產(chǎn)量的極致追求，特別是國內(nèi)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和嚴控新增產(chǎn)能的大背景下，設(shè)備的有效工作時間成為保證產(chǎn)量的重要因素，也成為各鋼廠爭相競逐的關(guān)鍵指標之一。連鑄機也不例外，生產(chǎn)廠對其作業(yè)率要求越來越高，并且其備件選材、組裝精度、維護和使用狀態(tài)決定了連鑄設(shè)備壽命的高低[14]，為了最大限度地減少連鑄機設(shè)備在線安裝、調(diào)整和漏鋼及異常事故處理的時間，增加設(shè)備運行時間，要求連鑄機維修設(shè)備精度更高、維修效率更高[15,16]，需要設(shè)計和制造出與連鑄機本體設(shè)備更加匹配的維修設(shè)備[17]。

中冶賽迪為國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)設(shè)計、制造、安裝(EPC項目)了全球最大厚度(475 mm)直弧形板坯連鑄機，并在2020年6月實現(xiàn)量產(chǎn)[18]。在本臺連鑄機投產(chǎn)之前，無可參考、可借鑒的相關(guān)維修設(shè)備設(shè)計經(jīng)驗。本文主要針對彎曲段維修對中臺，特別是外弧維修對中臺位(內(nèi)弧臺位與常規(guī)連鑄機類似)的設(shè)計，就其與彎曲段本體設(shè)備的匹配性、維修便利性、結(jié)構(gòu)合理性、制造安裝便捷性進行分析和分解，在初步設(shè)計方案確定后建立了三維幾何模型，并將其導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus，模型簡化后進行三維模擬仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化初步設(shè)計方案，完成彎曲段維修對中臺設(shè)計施工圖，根據(jù)最終的實際使用測試數(shù)據(jù)，彎曲段維修對中臺的對中精度達到了±0.1 mm設(shè)計精度[19,20]。

1 設(shè)計過程

彎曲段維修對中臺主要為彎曲段本體的維修和對中便利、高效服務(wù)。因此，彎曲段設(shè)備本體結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸直接影響其維修對中臺的設(shè)計，各主要設(shè)計方法和過程分解如下：

1.1 彎曲段耳軸影響分析

如圖1所示，通常情況下，彎曲段外弧框架和內(nèi)弧框架均有4個耳軸，在彎曲段維修對中臺上，4個耳軸主要用于導(dǎo)向、支撐和定位，直接關(guān)系著維修對中臺使用便利和精度，因此，耳軸對維修對中臺的影響顯得尤其重要。

圖1 彎曲段外弧框架上、下耳軸間距

彎曲段外弧框架設(shè)有上(左、右各1個)、下(左、右各1個)4個耳軸，耳軸長度和左、右耳軸間距直接影響維修對中臺框架底座的設(shè)計。比如，上耳軸和下耳軸長度不一致，直接影響支撐座Y向位置；左、右耳軸間距與支撐座X向位置。支撐座臺面寬度也與各耳軸相對差值和耳軸直徑密切相關(guān)，直接影響耳軸和彎曲段本體接觸面積，合理的設(shè)計可以改善維修對中臺的受力狀況。

1.2 彎曲段本體各方向尺寸影響分析

彎曲段的長、寬、高各方向尺寸密切影響著彎曲段維修對中臺的型式、結(jié)構(gòu)和尺寸大小的設(shè)計。因此，對彎曲段本體各方向尺寸進行分析非常有必要。

彎曲段高度(沿鑄流方向)直接影響彎曲段維修對中臺兩端樣板支架的距離，樣板支架通常安裝于維修對中臺框架底座上，這就間接決定了框架底座的長度，如圖2所示。

圖2 彎曲段樣板支架間距

彎曲段長度(垂直鑄流方向)，特別是耳軸中心離外弧框架最外側(cè)(含配管)的距離，為了便于工人維修，框架外側(cè)(或待維修位置)離操作面的高度需符合人機工程學(xué)，據(jù)此就可以確定框架底座、支撐座的設(shè)計高度和上述設(shè)備的安裝高度。如圖3所示。

圖3 彎曲段耳軸與框架外側(cè)間距

1.3 彎曲段本體其他各關(guān)鍵尺寸影響分析

彎曲段外弧框架上、下耳軸中心與輥面的距離，直接影響彎曲段維修對中臺樣板支架的高度，如圖4所示。

圖4 彎曲段耳軸與輥面間距

上、下耳軸中心間距，直接影響彎曲段維修對中臺支架的定位尺寸，如圖5所示。

圖5 彎曲段外弧框架左、右耳軸間距

樣板主要用于彎曲段輥子的精度測量，其測量范圍應(yīng)覆蓋整個輥身。因此，彎曲段輥身長度，直接影響彎曲段維修對中臺樣板支架的長度，如圖6所示。

圖6 輥子與樣板支架長度關(guān)系

彎曲段本體設(shè)備笨重、寬大，不易吊裝，為了彎曲段的安全吊裝、維修便利和更高的對中精度，彎曲段維修對中臺的導(dǎo)向裝置設(shè)計就顯得格外實用。彎曲段吊板外沿寬度，直接影響彎曲段維修對中臺導(dǎo)向架的設(shè)置與定位，如圖7所示。

圖7 彎曲段吊板和導(dǎo)向架的關(guān)系

1.4 彎曲段本體重量對維修對中臺設(shè)計影響分析

彎曲段維修對中臺的最終目的就是對經(jīng)過解體、維修、組裝后的彎曲段輥面坐標進行調(diào)整和對中，達到設(shè)計要求值，以節(jié)省彎曲段安裝到連鑄機線上后的接弧時間，并盡量提高接弧精度。通常情況下，要求維修對中臺的測試值與理論設(shè)計值誤差在0.1 mm范圍內(nèi)，即對中精度應(yīng)為±0.1 mm。

為了滿足對中精度±0.1 mm的要求，對彎曲段維修對中臺設(shè)備本身受到壓力后變形精度的控制就顯得尤為重要，這也直接關(guān)系著設(shè)計的正確性和合理性，通常情況下，要求維修對中臺支座在受到彎曲段本體重力作用下的變形量不超過0.05 mm[21]。

經(jīng)過對彎曲段設(shè)備本體的初步分析，可以判定外弧框架的4個耳軸為支撐位置，即整個彎曲段本體的重量(約120 t)全部分布在4個耳軸對應(yīng)的支座上，與常規(guī)彎曲段維修對中臺的支座相比，特厚板彎曲段維修對中臺支座受到的重力增加了數(shù)倍。因此，必須對常規(guī)板坯連鑄機彎曲段維修對中臺進行設(shè)計優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整、鋼板厚度修改，且這一過程是艱辛的、復(fù)雜的并需要豐富設(shè)計經(jīng)驗。

2 三維模型仿真模擬

為了滿足維修對中臺設(shè)備的強度要求和達到更高的精度，設(shè)計時如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗和增加的重力倍數(shù)關(guān)系來簡單地加強各關(guān)鍵受力部位(如支座、底座框架)的強度和鋼板厚度是遠遠不夠的，這樣設(shè)計出來的維修設(shè)備可能滿足安全和精度要求，但可能并不經(jīng)濟、實用，也太笨重。

設(shè)計初步方案時，經(jīng)過多次手動計算、鋼板厚度和結(jié)構(gòu)調(diào)整、摸索，并根據(jù)經(jīng)驗選擇了其中一版較為靠譜的設(shè)計方案，并據(jù)此建立了三維模型來模擬仿真計算初步方案的可行性，并根據(jù)結(jié)果實時調(diào)整設(shè)計方案。

2.1 三維模型

基于選出的設(shè)計方案，用SolidWorks三維建模軟件按照實際尺寸及比例建立了彎曲段維修對中臺三維模型，如圖8所示。

圖8 彎曲段維修對中臺三維模型

2.2 仿真模擬分析

2.2.1 模型簡化

根據(jù)仿真模擬相關(guān)規(guī)范及設(shè)備實際應(yīng)用工況，仿真建模過程中對彎曲段維修對中臺受力分析中的各模擬條件作以下簡化處理：

(1) 由于對中臺結(jié)構(gòu)左右對稱，彎曲段設(shè)備自然落在對中臺上，沒有進行任何固定，故對維修對中臺只分析其中的一半結(jié)構(gòu)。

(2) 維修對中臺樣板支架和測量軌道重量輕，可忽略，不參與分析計算。

(3) 維修對中臺上的螺栓連接不是本次分析的重點，簡化為焊接連接，采用Tie約束，相當(dāng)于剛性面之間的連接。

(4) 維修對中臺上的墊板、墊塊等細小零件和其他細小特征進行適當(dāng)簡化。

(5) 簡化后，維修對中臺的主要結(jié)構(gòu)由支座、X向定位支架和Y向定位支架構(gòu)成，如圖9所示。

圖9 簡化后的計算模型

(6) 彎曲段設(shè)備本體簡化為兩個力，并用兩個與支架相接觸的圓柱體來代替該力的作用，根據(jù)載荷邊界界定和彎曲段設(shè)備重心偏載的情況，X向與Y向定位支架受力按5 ∶7分擔(dān)，如彎曲段總質(zhì)量為120 t，X向與Y向定位支架分別承受25 t和35 t的力。根據(jù)彎曲段設(shè)備實際情況，圓柱體直徑為300 mm，圓柱體長度與支架上承載平臺同寬。

2.2.2 數(shù)值分析模型

根據(jù)仿真模型對于網(wǎng)格質(zhì)量的要求(關(guān)鍵區(qū)域Jacobian大于0.7，曲度小于60°等)，對模型進行網(wǎng)格劃分，并在重點部位進行了適當(dāng)加密，結(jié)果(含彎曲段設(shè)備圓柱體)如圖10所示。

圖10 網(wǎng)格劃分結(jié)果

載荷邊界條件如圖11所示；X向和Y向定位支架分別受到Fh(Fh為X向定位支架受到豎直向下的作用力)和Fv(Fv為Y向定位支架受到豎直向下的作用力)和重力方向一致的力，F(xiàn)h和Fv兩力的作用方式既可以考慮均勻分布在支架承載臺上，也可以通過彎曲段設(shè)備(圓柱體)與平面接觸而間接作用在支架上。結(jié)構(gòu)本體受到重力G的作用。支座底部收到三個方向的固定約束。

圖11 載荷和邊界圖

2.2.3 材料屬性

彎曲段維修對中臺主體結(jié)構(gòu)采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，其主要參數(shù)如下：

密度7 850 kg/m3；彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度為235 MPa。

2.2.4 計算工況

彎曲段設(shè)備的重力簡化為Fh=25 t和Fv=35 t(設(shè)定彎曲段總重為120 t)，加載在各自的圓柱體重心上，然后再通過圓柱體與支架承載平面的接觸，間接加載在支架承載平面上

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 結(jié)果云圖

Mises應(yīng)力場計算結(jié)果如圖12所示，計算得到最大應(yīng)力為264 MPa。

圖12 Mises應(yīng)力場

Y向位移場計算結(jié)果如圖13所示，絕對值最大位置為承載平面處，最大值為0.053 mm。

圖13 Y向位移場

2.3.2 應(yīng)力和Y向變形結(jié)果

從應(yīng)力結(jié)果上看，最大應(yīng)力分布在X向和Y向定位支架的承載平面與圓柱體接觸區(qū)域；其中X向定位支架的承載平面接觸處最大應(yīng)力為264 MPa，超過Q235鋼屈服強度的寬度大約為3.2 mm，深度為4.95 mm，屈服范圍比較大，需要引起重視；Y向定位支架的承載平面接觸處最大應(yīng)力為174 MPa，未達到相應(yīng)材料的屈服強度值。

從變形結(jié)果上看，支架承載平面的Y向位移值(絕對值)最大，但從整體變形值來考察，其在X向定位支架承載平面的值為0.050 mm，在Y向定位支架承載平面的值為0.049 mm，均在0.05 mm的控制目標值之內(nèi)。

3 仿真結(jié)論和實測結(jié)果驗證

為了符合工藝上對維修對中臺的精度要求(±0.1 mm)，僅僅依靠仿真模擬結(jié)果不完全可信。因此，需要在彎曲段維修對中臺安裝調(diào)試完畢后，現(xiàn)場實測對中數(shù)據(jù)，用于驗證和校核設(shè)計方案是否滿足要求。

3.1 仿真結(jié)論驗證

仿真結(jié)果見表1。由表1可知：對于X向定位支架，其圓柱與平面接觸承載的應(yīng)力超過了Q235鋼的屈服極限，即該支架受力超標、變形達標，但由于是局部應(yīng)力較大，可換用高強鋼墊片代替承載平面頂部的普通碳鋼，最終的施工設(shè)計圖紙采用20Cr13牌號(屈服強度為440 MPa)不銹鋼材質(zhì)墊板，厚度為40 mm，從仿真結(jié)果上看可認為替換材質(zhì)后該處應(yīng)力在可承受范圍內(nèi)；對于Y向定位支架，其受力和變形均滿足設(shè)計要求，但為了強度、精度更高及不易銹蝕，該處仍然采用不銹鋼材質(zhì)墊板。

表1 仿真結(jié)果

3.2 實測結(jié)果驗證

2019年底，為某鋼鐵企業(yè)設(shè)計的彎曲段維修對中臺已經(jīng)安裝就位并完成現(xiàn)場精度調(diào)試，同時，彎曲段本體設(shè)備也已到達現(xiàn)場，根據(jù)該鋼廠要求，需對新制彎曲段本體設(shè)備進行開箱檢查，彎曲段維修對中臺也有了實際驗證的機會，彎曲段設(shè)備本體完好順利地放入維修對中臺上，如圖14所示。

圖14 彎曲段維修對中臺現(xiàn)場圖

現(xiàn)場維修工人將彎曲段內(nèi)、外弧框架分解后，在維修對中臺外弧臺位上用離線對弧樣板進行現(xiàn)場測試，主要測量輥面與樣板之間的距離(用塞尺測量，單位為道，1 mm=100 道)。

彎曲段外弧框架有2號～18號共計17根輥子，每根輥子長度約2 500 mm，針對每根輥子找了8個點進行測量，測試結(jié)果見表2(表中數(shù)據(jù)根據(jù)實際測試值和現(xiàn)場安裝情況及人工誤差作了調(diào)整)。

表2 測試結(jié)果

彎曲段輥面與維修對中臺的樣板間距名義設(shè)計值為1 mm，臺位的制造和安裝測量誤差允許±0.1 mm范圍內(nèi)，即測量值在0.9 mm(90 道)至1.1 mm(110 道)范圍內(nèi)均滿足設(shè)計要求。由上表可知，17根輥子上取得各測量點平均值均滿足設(shè)計要求，除2號、3號、4號輥子取得8個點平均值不在誤差范圍內(nèi)外，其余14根輥子均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

(1) 本文針對特厚板坯連鑄機彎曲段維修對中臺的設(shè)計方法和步驟進行了分解，并詳細分析了各參數(shù)尺寸對彎曲段維修對中臺設(shè)計的影響和關(guān)系，對該設(shè)備的設(shè)計有較好的指導(dǎo)作用。

(2) 針對初步設(shè)計方案，建立了三維模型，結(jié)合實際使用工況簡化了模型，并就簡化模型進行了三維仿真模擬計算，針對計算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案，最終得到設(shè)計制造施工圖。

(3) 針對仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進行對比驗證，結(jié)果證明，仿真和實測結(jié)果較為吻合，并滿足工藝上對彎曲段維修對中臺的理論設(shè)計誤差要求。

(4) 本文所述的設(shè)計方法和仿真計算方法均是有效的、實用的，對今后的類似工程、設(shè)備設(shè)計有較強的指導(dǎo)意義和實踐作用。