基于鋼包停澆自然冷卻條件下兩種滑板底座的熱/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）

鋼包是盛裝、運送鋼水的主要設備。隨著鋼鐵企業設備和裝置的不斷更新，對鋼包質量要求也越來越高。因滑動水口澆注系統可以提高鋼鐵企業的作業率和經濟效益，故其成為鋼包控制鋼流的首選[1-2]。

在滑動水口澆注系統中，一旦底座產生裂紋，就需要停止澆注，更換新的底座，故滑板底座的使用壽命直接影響到連鑄生產的正常進行。分析鋼包澆鋼及停澆自然冷卻過程中的滑板底座受熱情況，對探尋底座的使用壽命起到相當關鍵的作用。澆鋼過程中兩種結構底座的熱/力分析已被模擬過[3]，本研究以澆鋼結束自然冷卻過程中兩種不同結構的滑板底座為研究對象，應用ANSYS有限元軟件進行鋼包停澆滑板底座自然冷卻過程中的溫度場和應力場的數值模擬，以期為提高滑板底座壽命，減少開裂提供理論指導。

1 滑板底座熱/力耦合模型的建立

1.1 模型的建立

作為滑動水口澆注系統中的滑板底座，經歷著底座安裝→初包澆注→鋼包放置冷卻→澆注→鋼包放置冷卻→澆注的循環使用過程。本研究以澆鋼結束自然冷卻過程中兩種不同結構的滑板底座為研究對象，為研究方便，將兩種不同結構的滑板底座分別命名為1號底座和2號底座。依據底座結構的對稱性，取1號和2號兩種底座的1/2建立模型，其模型如圖1所示[3-4]。

圖1 滑板底座模型

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

鋼包停澆金屬底座自然冷卻時，滑板底座的初始溫度選取澆鋼時計算出的金屬底座溫度場的最后一步。

在進行熱應力計算時，在對稱面上設置對稱約束，固定孔處施加固定約束，其余為自由邊界。在分析金屬底座澆鋼后的自然冷卻過程中應力分布時，把澆鋼30 min時計算出的應力結果視為初始應力。

1.2.2 邊界條件

底座與空氣接觸的表面被空氣冷卻，形成自然對流（忽略輻射散熱），自然對流的對流換熱公式如下[5]：

式中：hf為底座與空氣的對流換熱系數；Tb為底座表面溫度；Ta為環境溫度。

由于底座的外表面溫度較高，考慮到輻熱散熱對底座溫度場的影響，采用綜合對流傳熱來表示底座表面的自然對流和輻射散熱；在計算域對稱面上，單元在對稱面法線方向上無熱流通過，視為絕熱條件。

1.3 鑄坯物性參數的確定

底座熱/力模擬過程中將要用到的材料物性參數見表1[3,6]。

表1 材料的物性參數

2 模擬結果與分析

2.1 鋼水停澆底座自然冷卻的傳熱

澆鋼結束后，在自然冷卻條件下，1號和2號兩種底座的溫度分布的變化過程如圖2所示。兩種底座在同一時刻的溫度場分布情況基本相同。在鋼水停澆28 min時1號底座溫度出現最高值為436℃，這是由于澆鋼結束以后，上水口溫度仍較高，繼續向底座傳熱，使得底座的溫度繼續上升，隨時間的推移，上水口的溫度逐漸降低，底座也冷卻降溫。

圖2 停澆后底座的溫度場分布

由表2可知鋼水停澆，兩種類型的金屬底座在冷卻時的最高溫度與最低溫度在各個時間點上的分布相差不是很多，差值最高為3℃。

表2 鋼水停澆兩種結構的金屬底座冷卻時的溫度對比℃

2.2 鋼水停澆底座自然冷卻的應力

澆鋼結束后，在自然冷卻條件下，使用1號、2號兩種結構的金屬底座計算出的應力場結果對比如下頁圖3、4所示。圖3為鋼包停澆5 min及2 h時1號、2號滑板底座的等效應力分布。1號底座的最大等效應力（SEQV）產生于固定孔的周圍或材料薄弱的部位，并在鋼水停澆過程中最大等效應力值起初呈增加的趨勢；停澆40 min時等效應力達到最大值，其值為509 MPa（見下頁表3），隨后等效應力值又開始減小。2號底座除固定孔的圓臺附近因材料較薄存在較大的應力集中區域外，在金屬底座下表面不存在沿底座中心45°方向上的應力集中區域，應力分布較均勻。

圖3 停澆5 min、2 h底座的等效應力（SEQV）分布

同一時刻金屬底座下表面（與鋼包底部接觸一側）的應力值大于底座上表面（與上滑板接觸一側）的應力值，故可知澆鋼結束時若產生裂紋，首先將從如圖4所示的金屬底座的下表面開始。圖4為鋼包澆鋼5 min及2 h時的1號、2號滑板底座第一主應力分布圖。停澆5 min時，在1號底座下表面沿底座水口孔中心45°方向為拉應力集中區域，第一主應力的最大值為567 MPa（見表3），隨時間推移該值逐漸減小；當停澆冷卻2 h后，底座的應力集中區域減弱，此時的第一主應力最大值為542 MPa。而2號底座的下表面不存在較大的應力集中分布區，比同一時刻的1號底座的第一主應力分布要均勻得多。

圖4 停澆5 min、2 h底座的第一主應力（S1）分布

表3 停澆過程中兩種結構底座的應力值 MPa

3 結論

1）澆鋼結束在自然冷卻條件下，兩種底座在同一時刻的溫度場分布情況基本相同；在鋼水停澆28 min時1號底座溫度出現最高值為436℃。

2）兩種類型的金屬底座在冷卻時的最高溫度與最低溫度在各個時間點上的分布相差不是很多，差值最高為3℃。

3）鋼包停澆自然冷卻時，1號底座的最大等效應力（SEQV）產生于固定孔的周圍或材料薄弱的部位。在鋼水停澆過程中，最大等效應力值起初呈增加的趨勢，停澆40 min時等效應力達到最大值，其值為509 MPa，隨后等效應力值又開始減小。

4）2號底座的下表面不存在較大的應力集中分布區，比同一時刻的1號底座的第一主應力分布要均勻得多。