連鑄輕壓下過程的熱力分析

果晶晶，陳 健

（1.邢臺職業技術學院資源與環境工程系，河北 邢臺054035；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺054025）

高速發展的連鑄技術，帶來了鑄機生產效率、鑄坯質量的顯著提高。提升鑄坯質量的方法主要包括：控制結晶器液位、結晶器采用高頻小振幅、潔凈鋼生產、控制二次冷卻、結晶器電磁制動、二冷段電磁攪拌和輕壓下等。對解決連鑄坯的質量問題，以上改善鑄坯質量的方法，側重點各不相同。就連鑄過程中鑄坯產生的偏析、疏松等質量缺陷而言，目前廣泛選用凝固末端輕壓下技術來改善[1-2]。

為深入研究輕壓下過程鑄坯芯部未完全凝固區的溫度、相變、收縮等狀態，一方面可以通過熱態實驗來分析鑄坯的輕壓下過程，但因實驗條件有嚴格限制、成本較高，實驗很難進行；另一方面若運用數值模擬的方法，可獲得可視化、可量化的溫度、應力、應變分布情況及相關數據，這對于研究輕壓下中鑄坯凝固過程狀態有較強的指導意義。本研究主要是對某廠生產的D32船板鋼鑄坯在連鑄輕壓下過程的變形特點和應力分布規律進行模擬分析。

1 連鑄輕壓下模型的建立

1.1 模型的建立

以某廠的連鑄板坯為計算對象。該廠采用半徑為10.3 m的直弧型板坯連鑄機，鑄機總長31 m，連鑄機輥列如圖1所示。由SEG0-SEG12共13個扇形段組成整個連鑄機二冷區，以實現對鑄坯的彎曲、導向、支撐、矯直、拉坯和輕壓下等。在凝固末端輕壓下的過程中，鑄坯在產生變形的同時也伴隨著溫度的變化。考慮到計算成本與對稱性，本模型取鑄坯橫截面的二分之一作為計算區域，鑄坯輕壓下的熱力耦合模型如圖2所示。

圖1 板坯連鑄機輥列圖（mm）

圖2 鑄坯輕壓下的熱力耦合模型

圖2 中上、下面為連鑄夾輥，中間面為鑄坯。輕壓下的熱分析研究始于結晶器彎月面，終于鑄坯出輕壓下段；并且只在輕壓下區間內建立熱力耦合模型，即鑄坯從二冷第8段出來的凝固傳熱狀況視為該輕壓下過程的初始條件。并且，在連鑄輕壓下的模擬分析中將鑄坯視為能進行熱量傳遞的可變形體，夾輥視為不具有熱傳導能力的剛體。

1.2 鑄坯輕壓下的定解條件

1.2.1 鑄坯輕壓下的初始條件

鑄坯從二冷第8段出來的凝固傳熱狀況作為初始時間t=0時的初始數據。

1.2.2 鑄坯輕壓下的邊界條件

1.2.2.1 熱邊界條件

采用二冷段熱邊界條件中的水平段（即扇形9、10、11段）的數據。

1.2.2.2 位移的邊界條件

鑄坯平行于窄面縱截面的法線方向位移為零[3-4]，鑄坯其他表面均為自由面。

1.2.2.3 輕壓下段力的邊界條件

鑄坯液芯視為不可壓縮。采用在零強度溫度處施加鋼水靜壓力的方式進行，并將溫度高于零強度溫度的初始屈服強度視為鋼水靜壓大小，且該處應變強化系數為零[5-6]。鋼水靜壓力為：

式中：P0為鋼水的靜壓力，Pa；ρ為鋼水的密度，kg·m-3；g為重力加速度，為常數，N·kg-1；h為鑄坯坯殼內部計算點至彎月面的垂直距離，m。

1.3 鑄坯的高溫力學性能

1.3.1 模擬的鋼種

以D32船板鋼連鑄坯為研究對象，橫斷面尺寸為2 400 mm×256 mm；其材質的成分見表1。

表1 32鋼種的材質成分 %

1.3.2 彈性模量

鋼彈性模量的計算公式選用如下所示[7-8]：

式中：E為彈性模量，MPa；T為溫度，℃。

1.3.3 泊松比

將泊松比視為溫度的函數，其數學表達式為：

式中：μ為泊松比；T為溫度，℃。

1.3.4 線膨脹系數

鋼的線膨脹系數視為與溫度相關的函數，其公式如下：

式中：α為線膨脹系數；T為溫度，℃。

2 模擬結果與分析

2.1 輕壓下過程鑄坯的變形

圖3 為鑄坯輕壓下實施過程中各典型位置截面形變圖。隨著夾輥擠壓，鑄坯厚度方向產生位移，從二冷第9段至第11段輥縫逐漸收縮，鑄坯厚度方向累積的壓下量逐漸增大，達到壓下的目的。

圖3 鑄坯輕壓下過程各典型位置截面形變

由圖3可知，夾輥輥縫的持續縮小，使得鑄坯芯部未凝固區被持續擠壓減小，鑄坯內部未凝固（液芯）部分主要來承擔壓下輥對鑄坯所實施的作用。鑄坯沿寬度方向的延伸變形較小，致使鑄坯的兩寬面沿寬度方向（X方向）上的位移較小；而沿窄面中心附近的寬度方向（X方向）變形較大，這是由于坯殼側壁變形造成的；此外，鑄坯的寬展還來自于窄面坯殼受壓產生的鐓粗變形。又因寬面坯殼端部所受支撐力大于中間部位所受支撐力，誘發坯殼彎曲，導致窄面鼓肚。

2.2 輕壓下過程鑄坯的應力

下頁圖4為連鑄輕壓下過程中的各典型位置處鑄坯橫斷面上的等效應力分布情況。由圖可知，鑄坯角部的等效應力最大，其次是寬面與輥子接觸區，窄面部分等效應力最小。角部溫度最低，變形抗力值最大，易受周圍坯殼的擠壓作用，導致鑄坯角部等效應力較高，出現應力集中現象；而因鑄坯內部未凝固（液芯）部分主要來承擔壓下輥對鑄坯所實施的作用，故鑄坯寬面等效應力相對于角部小得多。

圖4 輕壓下過程各典型位置鑄坯橫斷面的等效應力分布

3 結論

1）二冷第9段至第11段輥縫逐漸收縮，鑄坯厚度方向累積壓下量逐漸增大，達到壓下的目的。

2）夾輥輥縫的持續縮小，使得鑄坯芯部未凝固區被持續擠壓減小，鑄坯內部未凝固（液芯）部分主要來承擔壓下輥對鑄坯所實施的作用。

3）鑄坯兩寬面在寬度方向（X方向）的位移較小；而在窄面中心附近的寬度方向（X方向）變形較大。

4）在輕壓下實施過程中鑄坯橫斷面各位置等效應力大小分布為角部>寬面>窄面。