连铸板坯矫直过程的有限元仿真 韩志伟 冯科

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连铸板坯矫直过程的有限元仿真

韩志伟  冯科

摘要:  针对某厂板坯连铸机，应用MSC.Marc有限元软件对铸坯矫直过程进行了应力应变的有限元分析，获得了铸坯在矫直过程中不同位置的应变、应力和对夹辊的反力，并阐述了其变化规律。这些力学结果对扇形段设计、工艺制度的制定以及分析铸坯质量问题具有很好的指导意义。

关键词:  连铸板坯；矫直；有限元仿真

The FiniteElement Simulation on the Unbending Process of Continuous Casting Slab

HAN Zhiwei   FENG Ke

Abstract:  The unbending process of continuous castingslab is simulated by MSC.Marc software for the No. 4 slab caster in certainplant. The Stress, strain and unbending force in unbending process areobtained. The varying trends are expounded. The results ,such as stress, strainand unbending force, are very important for designing segments, establish process parameters and analyzing the crackproblems of slab.

Keywords:  continuous casting slab; unbending; finiteelement simulation

引言

目前，全世界使用的板坯连铸机的主要机型为圆弧型连铸机和直结晶器圆弧连铸机，约占所有连铸机的70%。圆弧型连铸机始终是和铸坯的矫直联系在一起的。对应不同的矫直方式，矫直过程不可避免，只是矫直的点数不同而已。对一点矫直来说，铸坯从结晶器出来以后，经1/4圆弧长度就达到水平切线的切点，被强迫矫直后才沿水平线送出铸机；对于多点矫直来说，具有一定圆弧半径的铸坯矫直成水平直线时，不是靠一次(一个点矫直)完成，而是靠多次逐步完成的；对于连续矫直而言，具有一定圆弧半径的铸坯矫直成水平直线时，是靠一条理想的连续曲线经圆弧的曲率连续减少为零的过程[1]。

在板坯连铸机的设计中，弯曲或矫直段的辊列排布非常重要。因为带液芯的铸坯在弯曲和矫直中要附加弯曲或矫直应变，需合理设置该区域的辊列，以使应变均匀并降低，避免因变形发生裂纹，同时需要把辊子上的应力限制在允许的范围内。因而，需要把弯曲或矫直过程中的应力和应变进行研究。本文主要从铸坯在矫直过程的应力应变以及夹辊所受矫直反力方面进行讨论。

所谓矫直反力是指铸坯在矫直的过程中，辊子对对铸坯的作用力为矫直力，而铸坯对辊子的反作用力就叫矫直反力。矫直反力计算作为连铸机辊列设计中的主要环节之一，过去普遍采用的计算方法为解析法，在计算精度上有所偏差，随着计算机技术及有限元法的发展，用有限元软件模拟铸坯矫直或弯曲过程的应力、应变以及矫直或弯曲反力已经是一种很好的选择〔2〕。

1 有限元模型

铸坯应力应变数学模型主要有弹塑性模型、粘弹性模型和蠕变模型。本文采用弹塑性模型来模拟铸坯矫直过程。

1.1 分析对象

针对某钢厂四号板坯连铸机，仿真分析铸坯在矫直过程中的应力应变，仿真分析对象的基本情况简要描述如下：

板坯规格：220mm（厚）× 1800mm（宽）

连铸机基本半径：9000mm

浇铸钢种：Q345

拉坯速度：1.2m/min

冷却制度：中冷方案

1.2 基本假设

   1）忽略铸坯宽度方向的传热和变形，铸坯为二维平面应力应变问题；

   2）材料是各向同性和均匀的，其力学性能随温度变化；

   3）用Prandtl Reuss流动增量理论描述铸坯屈服时的应力应变增量关系；

   4）用Von Mises屈服准则描述铸坯的屈服；

   根据上述假设，针对某厂四号板坯连铸机的辊列，建立板坯连铸在矫直区的有限元模型如图1所示。夹辊考虑为刚体，板坯为变形体，夹辊与板坯接触，但不考虑夹辊传热，夹辊与板坯的摩擦考虑为库仑摩擦。

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图1 连铸板坯矫直过程的有限元模型

1.3 边界条件

温度场：先用MSC.Marc计算板坯的温度场，然后在板坯应力应变模型中加载温度场。板坯的力学参数取与温度相关的函数进行计算。

钢水静压力：根据计算的温度场以及钢种的固相线温度，找出板坯的固液分界面，在固液界面加载钢水加压力。

有限元采模型中采用的边界条件如图2所示。

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图2 边界条件示意图

2 计算结果与分析

铸坯在矫直过程由于要附加一个矫直应变，总应变比其它位置的要大。图3为铸坯在矫直过程中在矫直点1、3、5、7处的铸坯应变。从图中可以看出，在矫直的起始点1（即从基本半径9000mm开始变弧的夹辊）其应变较小，随着铸坯在矫直区内运行，其变化逐渐增加，如在矫直点5处增加至最大，然后铸坯应变又逐渐减小。上述分析的应变变化规律与式（1）〔3〕的计算是相吻合的。

由于采用弹塑性模型，所以总应变主要由弹性应变和塑性应变组成两部分组成，在铸坯表面以塑性应变为主。塑性应变与距铸坯表面距离的增加而减小，弹性应变相对恒定，如图4所示。

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图3 不同矫直点处的铸坯应变的变化规律

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图4 矫直点5处的铸坯应变

铸坯在矫直过程的等效应力变化如图5所示。在矫直的起始点1其等效应最小，约为16MPa左右，随着铸坯在矫直区内的运行，其等效应力逐渐增加，但增加幅度不大，约为23MPa。只有在矫直起始点1处，距铸坯表面的距离不同对应的等效应力不同。

在知道铸坯在两相区的临界应变或者临界应力的情况下，可以分析铸坯在固液界面是否会产生裂纹，并且可以优化连铸工艺参数。

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图5 不同矫直点处的铸坯等效应力的变化规律

铸坯对夹辊的反力随其在矫直区内的运动而变化，其值在20～50t。根据每个夹辊最大的矫直反力可以校核夹辊的强度以及扇形段框架的强度，并可作为扇形段设计的依据。

3 结论

本文应用MSC. Marc有限元软件，针对板坯连铸的矫直过程进行了应力应变的分析，获得了铸坯在矫直过程的应变、应力和对夹辊的反力的变化规律，这些力学结果对扇形段设计、工艺制度的制定以及分析铸坯质量问题具有很好的指导意义。同时，也从另一方面说明了把有限元仿真方法应用于连铸工程设计并指导设计是有效手段之一。

[参考 文 献]

[1] Michel M. Mangin. The Continuous StraighteningProcess [A]. Proceedings of the 68th Steelmaking Conference, Vol 68, 1985.

[2] M. Deisinger, K . - H. Unbending ofContinuously Cast Slabs with Liquid Core〔J〕.Ironmaking and Steelmaking. 24(4), 1997.

[3] 刘明延, 李平,栾兴家等.板坯连铸机〔M〕.北京：机械工业出版社，1990.

----本文选自2010年msc公司论文集