薄板坯連鑄結(jié)晶器銅板熱應(yīng)力場分析

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)力場進行數(shù)值模擬計算，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)

由于在計算結(jié)晶器銅板的熱應(yīng)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(jié)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(yīng)力時我們要做如下假設(shè)：

（1）據(jù)文獻[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 計算結(jié)果及分析

結(jié)晶器銅板的熱面熱應(yīng)力計算結(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，因為此處溫度最高，銅板內(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(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(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[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.