鋼板坯鑄機扇形段在連鑄動態輕壓下受力分析

于燕

摘 要：鋼鐵是國家發展的工業基礎，經濟的快速發展離不開各類鋼鐵制品的有力支撐。新時期工業的發展、基礎設施的建設需要大量的型鋼、型材。不銹鋼板材是一種在生產、生活領域中應用十分廣泛的材料，在不銹鋼板材的軋壓生產過程中容易產生中心偏析、疏松等的問題。連鑄動態輕壓技術是一種在不銹鋼板材生產過程中，通過動態跟蹤監測不銹鋼鑄坯凝固的進程，并通過向不銹鋼鑄坯動態施加一定的機械外力，用以使得不銹鋼鑄坯末端兩相區的凝固體的收縮能夠得到一定程度的彌補，提高不銹鋼鑄坯的鑄造質量。文章在分析連鑄動態輕壓技術特點的基礎上對連鑄動態輕壓技術應用過程中扇形段的受力進行模擬分析。

關鍵詞：連鑄動態輕壓技術；扇形段；受力；模擬分析

中圖分類號：TF777.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0107-03

Abstract： Iron and steel is the industrial foundation of national development， and the rapid development of economy can not be separated from the strong support of all kinds of iron and steel products. In the new period， the development of industry and the construction of infrastructure need a large number of sections. Stainless steel plate is a kind of widely used material in the field of production and life that is easy to produce central segregation and porosity in the process of rolling and pressing stainless steel sheet. Continuous casting dynamic light reduction technology is a kind of dynamic monitoring of the solidification process of stainless steel billet during the process of production of stainless steel sheet and the application of certain mechanical external force to stainless steel billet dynamically to make the stainless steel billet. The shrinkage of the solidified body in the two-phase zone at the end can be compensated to a certain extent to improve the casting quality of stainless steel billet. On the basis of analyzing the characteristics of continuous casting dynamic light reduction technology， this paper simulates and analyzes the force acting on sectors in the process of application of continuous casting dynamic light reduction technology.

Keywords： continuous casting dynamic light reduction technology； sector section； force； simulation analysis

連鑄動態輕壓技術是一種應用于不銹鋼板坯軋制加工的重要技術。在不銹鋼板坯軋制加工中受自身重力等因素的影響在不銹鋼板坯的末端兩相區會產生較為嚴重的凝固體收縮問題進而產生較為嚴重的中心偏析與疏松，從而影響不銹鋼板坯的生產加工質量。通過將連鑄動態輕壓技術應用于不銹鋼板坯的生產加工中，通過在不銹鋼板坯生產加工中向不銹鋼板坯凝固末端施加一定的機械力用以增強不銹鋼板坯的抗中心偏析和抗疏松的能力，提高不銹鋼板坯的生產質量。長期以來，連鑄動態輕壓技術因其在不銹鋼板坯生產加工中的重要作用及其技術復雜使得我國加快了對于連鑄動態輕壓技術的研究和應用，在加強連鑄動態輕壓技術國外引進的同時積極做好連鑄動態輕壓技術的吸收和應用努力使其國產化。

1 不銹鋼板坯鑄機扇形段受力分析

某型號不銹鋼板坯鑄機生產有160mm、200mm、220mm三種厚度規格的不銹鋼板坯，生產的不銹鋼板坯鑄的寬度達到了800-1600mm。不銹鋼板坯鑄機設計半徑為9m其內部共設計有11個扇形段，不銹鋼板坯鑄機內采用了連鑄動態輕壓技術，通過對所生產的不銹鋼板坯凝固進程進行持續的測量并計算出所需要施加的機械力，通過機械、液壓系統的所構成施力機構完成對于不銹鋼板坯的連續輕壓。在不銹鋼板坯的生產加工中，不銹鋼板坯在不銹鋼板坯鑄機扇形段上下夾棍的夾持下持續前進，不銹鋼板鑄坯在這一過程中受力復雜（承受著來自于液芯鋼水的靜壓力、拉矯機所產生的矯直力以及夾棍所產生的拉坯力等）。這些力共同作用于不銹鋼板鑄坯，不銹鋼板鑄坯在承受外界力的同時也會對不銹鋼板坯鑄機中的扇形段產生一定的反作用力，這些反作用力將直接作用于不銹鋼板坯鑄機上，因此要求不銹鋼板坯鑄機扇形段的框架與夾棍需要具有足夠的強度以確保不銹鋼板坯鑄機能夠持續、穩定的產生輥縫，對不銹鋼板鑄坯實施連續的輕壓力，不銹鋼板坯鑄機在持續輕壓的過程中會受到復雜作用力和不銹鋼板鑄坯高溫的持續影響，應當做好不銹鋼板坯鑄機扇形段的受力分析與結構設計，確保其能夠具有足夠的強度和使用壽命。某型號的不銹鋼板坯鑄機所產生的連鑄動態輕壓主要通過位移傳感器進行位置測定，用以控制4個液壓缸的上下移動來夾緊上下框架。液壓控制系統主要由比例伺服閥、通斷閥等液壓閥所組成分別控制向4個液壓缸的油腔進油。通過對不銹鋼鑄坯進行動態測量來動態調節不銹鋼坯鑄機夾棍輥縫的開度，通過連續動態輕壓技術的應用取代了以往采用定距塊的控制方式從而能夠更好的對不銹鋼鑄坯的軋制厚度進行控制，提高不銹鋼鑄坯的生產質量。不銹鋼坯鑄機所采用的傳感器精度能夠達到±0.01mm的分辨精度，冷態輥縫的控制精度誤差可以控制在±0.1mm的精度內。在對不同厚度的不銹鋼鑄坯進行軋制時采用連鑄動態輕壓技術的不銹鋼坯鑄機能夠快速自動調整到位，大幅提高了調整速度。不同于人工調整定位塊需要耗費大量的時間且對于不銹鋼鑄坯的控制進度僅僅只能達到采用連鑄動態輕壓技術不銹鋼坯鑄機的一半。在采用連鑄動態輕壓技術的不銹鋼板坯鑄機進行作業時需要確保不銹鋼板坯鑄機中的扇形段具有足夠的強度。這是由于如若不銹鋼板坯鑄機中的扇形段強度不足將使得扇形段在動態輕壓過程中會在輕壓力的作用下產生一定的變形，而這些變形的存在將容易導致不銹鋼板鑄坯出現鼓肚或是無法達到所要求的輥縫等的問題進而無法達到輕壓下的目的。因此在不銹鋼板坯鑄機采用連鑄動態輕壓技術時需要對不銹鋼板坯鑄機中的扇形段進行受力分析，并在完成對于扇形段受力分析的基礎上模擬分析扇形段的變形情況，并通過對液壓缸的下移量進行一定的動態補償用以控制夾棍的輥縫能夠達到所需要的開度。

不銹鋼板坯鑄機扇形段的受力分析如下：在不銹鋼板坯鑄機作業時扇形段將會受到不銹鋼水靜壓力所引起的反作用力。在進行計算時將采用任意兩輥間鋼水靜壓力對夾棍的作用模型來進行相關受力分析與計算，計算可以采用材料力學中計算兩端固定等截面梁受均勻分布載荷（不銹鋼水將壓力）來完成對于不銹鋼板坯鑄機扇形段所受夾棍力的計算。計算中可以選用公式（1）。

Fi=？籽ghili（？覣-2K■） （1）

在公式（1）中，？籽表示鋼水的密度，hi表示不銹鋼坯鑄機中的第i處夾棍相對于鋼液面的高度值，li表示的第i處對夾棍的輥間距，？覣表示的不銹鋼鑄坯的寬度等。

在計算不銹鋼板坯鑄機扇形段受力時所采用的輥列計算模型為粘彈性梁模型，這一計算模型在傳統的純蠕變模型的基礎上也對鑄坯的彈性模型進行了充分的考慮。此外，所采用的粘彈性梁模型中也加入了由于不銹鋼水液芯的存在所引起的彎曲矯直力直接作用在鑄坯側面坯殼上的這一事實，通過在計算中加入了“硬殼”模型，從而使得計算的結果更加的合理。此外，在不銹鋼板坯鑄機扇形段動態下壓的過程中，不銹鋼板坯鑄機扇形段還將受到鑄坯變形所產生的變形力。可以通過平輥軋制理論來推導輕壓下過程中作用于輥子上的力，以下列公式進行計算推導。

P=？滓2？啄■

？駐h為壓下量；Q為壓下速率；l為輥間距

？駐h=Ql

2 不銹鋼板坯鑄機動態輕壓過程中扇形段變形量的建模分析

不銹鋼板坯鑄機具有多個扇形段，且在生產過程中各不同位置的扇形段所受到的作用力也差異較大，加之扇形段的結構較為復雜僅僅依靠簡單的彈性變形計算難以完成不銹鋼板坯鑄機扇形段變形量的分析計算。為更好的對不銹鋼板坯鑄機作業過程中扇形段的變形量的計算需要對不銹鋼板坯鑄機扇形段的受力使用ANSYS軟件進行建模分析。

使用ANSYS軟件完成對于不銹鋼板坯鑄機扇形段受力的建模：在使用ANSYS軟件對不銹鋼板坯鑄機扇形段的受力進行建模時需要根據不銹鋼板坯鑄機扇形段的設計圖建立起三維實體模型。模型尺寸原則上需要按照設計尺寸，但是考慮到建模單元的劃分在不影響實際計算結果的情況下可以省略以下部分：（1）不銹鋼板坯鑄機扇形段上的軸或板的倒角。（2）焊縫。（3）螺栓孔及定位銷孔。（4）對于液壓油缸施力部分可以將液壓油缸的拉桿與上框架油缸桿之間視為固結體。

不銹鋼板坯鑄機扇形段建模計算時的邊界條件：（1） 不銹鋼板坯鑄機下框架底部的4個地腳螺栓位置，其中的一個在三個方向全約束，其對角位置則僅僅約束Z向位移，另外的兩個地腳則對YZ和XZ方向的位移進行約束。（2）截取與不銹鋼板坯鑄機扇形段長度相當的一段坯殼來作為計算建模模型的一部分，截面上施加Z向的微機對稱邊界條件。坯殼內表面承受的面壓力載荷則可以根據該扇形段所處的位置來進行建模分析計算。（3）在不銹鋼板坯鑄機扇形段上7對夾棍與鑄坯之間建立30個接觸對，鑄坯對上下框架的載荷分別通過對其與連接輥之間接觸面來進行傳遞。（4）拉桿底部節點與下框架脫離，但通過約束其Y方向的位移dy來實現不銹鋼板坯鑄機扇形段壓下量的設置。

建模計算結果分析：在不銹鋼板坯鑄機扇形段向鋼水施加連續的動壓力時，鋼水將會向不銹鋼板坯鑄機扇形段施加一定量的反作用力，不銹鋼板坯鑄機扇形段將會在復雜作用力的作用下產生一定的變形，尤其是在不銹鋼板坯鑄機的4根連接上下框架的連桿上變形最為明顯，這些變形量的存在將使得不銹鋼板坯鑄機扇形段的開度變大，由于變形的影響將使得鋼水的靜壓力無法全部傳遞至不銹鋼板坯鑄機的上框架上而是由不銹鋼板鑄坯兩側的坯殼來進行承受，從而減小了鑄坯與夾棍之間的作用，這一問題的存在將反過來減小不銹鋼板坯鑄機框架和拉桿的變形，減小了輥縫的開度。這一過程是一個動態調整動態平衡的過程。使用ANSYS所建立的模型能夠對這一不銹鋼板坯鑄機扇形段的平衡力進行計算從而可以得出不銹鋼板坯鑄機扇形段在各種復雜工況條件下所產生的變形量。在應用連鑄動態輕壓技術時將依據計算變形量來對各不銹鋼板坯鑄機扇形段進行動態補償。

通過對不銹鋼板坯鑄機扇形段變形量進行分析并將連鑄動態輕壓技術應用于不銹鋼板坯鑄機上后對所鑄出的不銹鋼鑄坯的低倍樣進行了分析，發現不銹鋼板鑄坯的中心偏析都得到了一定的改善且不銹鋼板坯鑄機扇形段的變形都得到了良好的補償，提高了不銹鋼板鑄坯的生產質量與生產效率。

3 結束語

連鑄動態輕壓技術在不銹鋼鑄坯的生產過程中有著極為重要的應用效果。本文在分析不銹鋼板坯鑄機動態輕壓過程中扇形段所受變形力與變形量的基礎上設計了一種新型不銹鋼坯鑄機，通過模擬分析不銹鋼坯鑄過程中扇形段的變形量，將其施加于輕壓過程中扇形段的動態補償。通過對連鑄動態輕壓后生產的不銹鋼鑄坯的厚度進行實測發現鑄坯的厚度與設定值的誤差控制在0.5mm以內，且使用連鑄動態輕壓后鑄坯的C、S中心偏析明顯降低，鑄坯的質量得到了較為明顯的提高。

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