薄板坯連鑄結晶器銅板熱應力場分析

孫又銀 劉 磊 崔偉偉

（日照職業技術學院，山東日照 276826）

0 引言

在連鑄機設備中，結晶器有“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線為基礎，以有限元仿真軟件ABAQUS 為工具，對CSP 薄板坯連鑄結晶器銅板的熱應力場進行數值模擬計算，有利于更好的了解它的傳熱規律，可以為結晶器結構和生產工藝的優化提供參考；對于延長結晶器的壽命，增加結晶器的安全性、提高鑄坯質量等都具有重要的意義。

1 CSP 漏斗結晶器銅板的物理模型

1.1 熱應力場研究對象的描述

本文根據邯鋼目前使用的漏斗型結晶器[2]為研究對象，生產鋼種為低碳鋼SPHC，板坯寬度為1200mm，厚度為90mm.由圖1 可見，結晶器銅板的寬面上口兩側均有一段平行段，然后和一圓弧相聯接，漏斗形狀在結晶器內保持到700mm，結晶器出口處鑄坯厚度為50-70mm。結晶器銅板分為寬面、窄面，結構類似。銅板的長度即為結晶器的長度，所分析的結晶器銅板內側面鍍不等厚鎳層，外側面均布豎直方向冷卻水槽和螺孔。邯鋼CSP(Compact Strip Production)生產線連鑄結晶器銅板寬面的冷卻水通道結構如圖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；為保證結晶器銅板上部的冷卻強度，距銅板上端0～460 mm 區域布置了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，達到冷卻作用。

圖1 1/2 CSP 漏斗型結晶器熱面示意圖

圖2 結晶器銅板簡化模型圖

1.2 熱應力場模型的簡化與假設

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

而在計算熱應力時我們要做如下假設：

（1）據文獻[2]，水槽對應力影響不大，在此不予考慮。

（2）假設材料各向同性(材質Cu-Ag)。

（3）根據結晶器銅板結構的對稱性，數學模型中取結晶器銅板寬面的1/2 和整個窄面作為研究對象。

2 結晶器銅板熱應力場的數學模型及邊界條件

2.1 熱應力彈性本構方程

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

2.2 邊界條件

（1）各節點的溫度取溫度場模擬結果的溫度。

（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 計算結果及分析

結晶器銅板的熱面熱應力計算結果如圖3 所示，由圖可知熱面熱應力最大值發生在銅板溫度最高處(即彎月面以下55mm 對應的背面為筋板處)，為0.64MPa，因為此處溫度最高，銅板內外表面溫差最大，溫度梯度最大，因此熱應力最大。另外，熱面熱應力偏大處還出現在靠近角部背面為筋板對應出的地方，由于角部最開始出現氣隙，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力也偏高而且在高度方向上延伸最大。

圖3 銅板熱面熱應力分布圖

圖4 為銅板冷面熱應力分布圖，由圖可知，冷面熱應力最高處出現在固定螺孔且對應熱面溫度最高處，為0.96MPa。而冷卻水槽處的熱應力比較均勻，因為冷卻水槽和水對流換熱比較均勻，溫度梯度變化不大，所以產生的熱應力比較均勻。為了研究結晶器銅板橫截面的熱應力分布，我們取銅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 處橫截面的熱應力最大，彎月面下460mm 處次之，彎月面下900mm 處最小。

結晶器銅板熱面熱應力值出現在溫度最高點(彎月面55mm)，最大熱應力值小于材料的屈服應力。此區域是溫度梯度最大的階段，這個階段是最容易出現銅板裂紋和坯殼粘結的地方，根據與現場工程技術人員的交流，邯鋼結晶器銅板出現細小裂紋、點蝕的地方也正是在彎月面以下50-65mm 的區域內，由此可見應力場的模擬和實際情況較吻合。

圖4 銅板冷面熱應力分布圖

圖5 結晶器銅板橫截面熱應力云圖

［1］聞玉勝，潘國平.CSP 連鑄結晶器的技術特點[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：冶金工業出版社，2004：83-106.