板坯連鑄結晶器熱態調寬過程的力學分析

田勇，秦旭，汪繼偉，趙志，徐俊超，毛志勇（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

板坯連鑄結晶器熱態調寬過程的力學分析

田勇，秦旭，汪繼偉，趙志，徐俊超，毛志勇
（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

根據板坯連鑄結晶器熱態調寬過程的特點建立了熱態調寬過程的力學計算模型。將實際生產過程中的參數代入模型進行求解，并與實測的調寬液壓缸推力進行比較，結果表明，計算模型可以較準確地描述板坯連鑄結晶器熱態調寬過程的力學特征。

板坯連鑄；結晶器；熱態調寬；受力分析

隨著鋼鐵企業品種規格的不斷擴展和成本壓力的日益提高，對連鑄機低成本連續運行能力的要求越來越高。利用結晶器在線調寬可以在不停澆更換斷面的情況下連續實現多個寬度規格的生產，有效提高了連鑄機的作業率，降低了連鑄工序成本［1］。

目前國內的連鑄機在線調寬系統大多數為引進國外成套產品［2-3］，雖然能夠滿足日常生產的要求，但無法進行移植和用于老式板坯連鑄機的改造，并且也較難滿足新鋼種的要求。因此，對在線調寬的機理和模型進行研究非常必要。

本文以鞍鋼煉鋼總廠Siemens-VAI在線調寬系統的板坯連鑄機為研究對象，以其現有結晶器設備條件為依據，推導板坯在線調寬的過程力學模型，探討影響調寬過程的工藝和設備參數，并且將模型計算的結果與實際調寬過程中液壓缸的推力進行對比分析。

1　熱態調寬過程力學模型

1.1結晶器熱態調寬過程

無論調寬的方向如何，板坯連鑄機結晶器熱態調寬過程均可以分為三個階段，即錐度由正常澆鋼錐度變小（或變大）→連續調寬及錐度微調→錐度變大（或變小）回到正常澆鋼錐度，見圖1所示。依據這三個階段的不同特點，分別進行受力分析。

1.2熱態調寬各階段受力分析

1.2.1錐度由大變小

在錐度由大變小階段，可將鑄坯窄邊受力簡化為梁的塑性形變問題，將鑄坯寬邊受力簡化為板的受壓問題，這樣形成的受力分析如圖2所示。

將窄邊出口處的坯殼視為一個斷面厚度為H，寬度為b的塑性鉸截面［4］，該截面在變形時所受的彎矩Mp為：

式中，b為鑄坯厚度規格，m；σs為高溫下坯殼屈服強度，MPa；H為坯殼厚度，m，H可由下式確定：

式中，L為彎月面到結晶器出口高度，m；υc為拉速，m/min；Km為結晶器凝固系數，mm/min1/2。

則要使窄邊坯殼變形需要的力Fn應為：

式中，Lm為窄邊銅板總長度，m。

在錐度變化時，促使寬邊銅板產生應變的力Fw1可以描述為：

式中，Aw為受到變形的新增坯殼截面積，m2；σw為坯殼中的應力，MPa。根據文獻［5］中的研究，σw可以用下式計算：

式中,C為常數，取1.8；ε為變形速率，min-1；m為應變速率敏感性指數，取0.36。

設窄邊銅板的弧度值變化速率為υα，則在時間Δt內，新增坯殼面積如圖2中陰影部分所示：

將式（6）、（7）代入式（4），得到雙側寬邊所需變形合力為：

結晶器內鋼水靜壓力Fp為：

式中，ρs為鋼水密度，kg/m3。則在錐度由大變小的過程中，總的驅動力F1為：

1.2.2連續調寬過程

在連續調寬階段，鑄坯窄邊錐度變化很小，可忽略不計，外力主要用于鑄坯寬邊的形變。這樣形成的受力分析如圖3所示。

在連續調寬過程中，促使寬邊銅板產生應變的力Fw2的計算方法與式（4）、（5）確定方法相同。文獻［6］具體討論了連續調寬過程的形變，并提出:

式中，υm為調寬速率，mm/min。

考慮鋼水靜壓力，在連續調寬過程中，總的驅動力F2為：

1.2.3錐度由小變大

在錐度由小變大的過程中，窄邊坯殼變形的力主要由鋼水靜壓力提供，而寬邊坯殼則無應變發生。則總的驅動力F3為：

Fn的計算方法與式3相同。

根據上述分析，得出影響調寬過程的主要工藝參數包括：

（1）拉速υc

在結晶器冷卻條件不變的情況下，拉速直接2影響了結晶期內坯殼厚度，從而使調寬過程的受力發生變化。拉速越高，結晶器內坯殼相對越容易變形，調寬過程應力越小。因此調寬應盡量在恒拉速條件下完成，無異常狀況不宜降速調寬。

（2）窄邊銅板錐度調節速率υα和調寬速率υm

這兩個參數決定了坯殼在單位時間內的形變程度，當二者取值較小時，坯殼應力較低，調寬過程不易出現缺陷，但由此形成的調寬坯長度變長，增加后續精整成本。因此要根據現場實際情況確定合適的取值范圍。

2　計算結果與分析

2.1計算參數確定

2.1.1物性參數

計算時物性參數如表1所示。

表1　計算所用物性參數

2.1.2結晶器參數

現場結晶器調寬裝置為液壓驅動，左右兩側各有兩個調寬液壓缸，采用伺服閥根據預設的調寬曲線執行動作，液壓缸結構如圖4所示。

結晶器參數見表2所示。

表2　結晶器參數

2.2計算結果與實測值比較

以實際生產中由寬向窄調寬過程為例，調寬時拉速υc=1.5 m/min，窄邊銅板的弧度值變化速率為υα=0.017 min-1，調寬速率為40 mm/min，由此得出各階段液壓缸推力計算結果。實測結果可由調寬缸的有桿側和無桿側實測液壓乘以各自作用面積后的壓力差來確定。計算值與實測數據見表3。由表3可以看出，計算結果與實測結果比較吻合。

表3　各階段計算值與實測值比較

3　結論

（1）建立了結晶器在線熱態調寬的力學模型，該模型對設定調寬工藝參數提供了一定理論依據，可為結晶器在線調寬設計提供思路。

（2）影響結晶器熱態調寬的主要工藝參數是拉速和調寬錐度變化速率及窄邊移動速率，為了確保調寬過程的平穩，應在正常拉速下恒速調寬，并且選擇合適的形變速率，在調寬過程無缺陷的基礎上盡量縮短調寬坯長度。

（3）將力學模型的計算值與實測結果進行了對比，結果表明計算結果與實測結果比較吻合。

［1］楊拉道,高琦.板坯連鑄結晶器熱態調寬系統關鍵技術研究［J］.鑄造技術,2011,32（10）:1406-1409.

［2］王世寧,鮑伯祥.邯鋼CSP薄板坯連鑄連軋廠結晶器在線調寬技術［J］.冶金自動化，2001（1）：47-49.

［3］宋東飛.板坯連鑄結晶器寬度控制系統 ［J］.冶金自動化，2005（4）：51-55.

［4］杜慶華.工程力學手冊［M］.北京:高等教育出版社,1994.

［5］劉明延,李平,欒興家.板坯連鑄設計與計算［M］.北京:機械工業出版社,1990.

［6］高琦,張小龍,楊拉道,等.結晶器在線熱態調寬液壓缸推力計算［J］.鑄造技術,2010,31（11）:1464-1467.

（編輯 許營）

Mechanical Analysis on Online Width Adjustment of Slab Continuous Casting Mold

Tian Yong，Qin Xu，Wang Jiwei，Zhao Zhi，Xu Junchao，Mao Zhiyong
(General Steelmaking Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China)

The mechanical calculation model for online width adjustment of a slab continuous casting mould is made based on the characteristics of online width adjustment of the mould.The parameters used during width-adjusting in slab casting are substituted in the model and calculating results are obtained and these results can be compared with the width-adjusting hydraulic cylinder thrust in actual measurement.The comparative results show that the model can accurately represent the mechanical characteristics of online width adjustment of the mold.

slab continuous casting;mould;online width adjustment;force analysis

TF341

A

1006-4613（2015）01-0023-04

田勇，高級工程師，2007年清華大學材料科學與工程博士后。E-mail：tianyong.thu@gmail.com。

2014-04-22