板坯連鑄結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程的力學(xué)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(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程的力學(xué)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(jù)板坯連鑄結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程的特點(diǎn)建立了熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程的力學(xué)計(jì)算模型。將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)代入模型進(jìn)行求解，并與實(shí)測(cè)的調(diào)寬液壓缸推力進(jìn)行比較，結(jié)果表明，計(jì)算模型可以較準(zhǔn)確地描述板坯連鑄結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程的力學(xué)特征。

板坯連鑄；結(jié)晶器；熱態(tài)調(diào)寬；受力分析

隨著鋼鐵企業(yè)品種規(guī)格的不斷擴(kuò)展和成本壓力的日益提高，對(duì)連鑄機(jī)低成本連續(xù)運(yùn)行能力的要求越來(lái)越高。利用結(jié)晶器在線調(diào)寬可以在不停澆更換斷面的情況下連續(xù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)寬度規(guī)格的生產(chǎn)，有效提高了連鑄機(jī)的作業(yè)率，降低了連鑄工序成本［1］。

目前國(guó)內(nèi)的連鑄機(jī)在線調(diào)寬系統(tǒng)大多數(shù)為引進(jìn)國(guó)外成套產(chǎn)品［2-3］，雖然能夠滿足日常生產(chǎn)的要求，但無(wú)法進(jìn)行移植和用于老式板坯連鑄機(jī)的改造，并且也較難滿足新鋼種的要求。因此，對(duì)在線調(diào)寬的機(jī)理和模型進(jìn)行研究非常必要。

本文以鞍鋼煉鋼總廠Siemens-VAI在線調(diào)寬系統(tǒng)的板坯連鑄機(jī)為研究對(duì)象，以其現(xiàn)有結(jié)晶器設(shè)備條件為依據(jù)，推導(dǎo)板坯在線調(diào)寬的過(guò)程力學(xué)模型，探討影響調(diào)寬過(guò)程的工藝和設(shè)備參數(shù)，并且將模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際調(diào)寬過(guò)程中液壓缸的推力進(jìn)行對(duì)比分析。

1　熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程力學(xué)模型

1.1結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程

無(wú)論調(diào)寬的方向如何，板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬過(guò)程均可以分為三個(gè)階段，即錐度由正常澆鋼錐度變小（或變大）→連續(xù)調(diào)寬及錐度微調(diào)→錐度變大（或變?。┗氐秸蹭撳F度，見(jiàn)圖1所示。依據(jù)這三個(gè)階段的不同特點(diǎn)，分別進(jìn)行受力分析。

1.2熱態(tài)調(diào)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(jiǎn)化為梁的塑性形變問(wèn)題，將鑄坯寬邊受力簡(jiǎn)化為板的受壓?jiǎn)栴}，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(gè)斷面厚度為H，寬度為b的塑性鉸截面［4］，該截面在變形時(shí)所受的彎矩Mp為：

式中，b為鑄坯厚度規(guī)格，m；σs為高溫下坯殼屈服強(qiáng)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(jié)晶器出口高度，m；υc為拉速，m/min；Km為結(jié)晶器凝固系數(shù)，mm/min1/2。

則要使窄邊坯殼變形需要的力Fn應(yīng)為：

式中，Lm為窄邊銅板總長(zhǎng)度，m。

在錐度變化時(shí)，促使寬邊銅板產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)力，MPa。根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的研究，σw可以用下式計(jì)算：

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

設(shè)窄邊銅板的弧度值變化速率為υα，則在時(shí)間Δt內(nèi)，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(cè)寬邊所需變形合力為：

結(jié)晶器內(nèi)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(guò)程中，總的驅(qū)動(dòng)力F1為：

1.2.2連續(xù)調(diào)寬過(guò)程

在連續(xù)調(diào)寬階段，鑄坯窄邊錐度變化很小，可忽略不計(jì)，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(xù)調(diào)寬過(guò)程中，促使寬邊銅板產(chǎn)生應(yīng)變的力Fw2的計(jì)算方法與式（4）、（5）確定方法相同。文獻(xiàn)［6］具體討論了連續(xù)調(diào)寬過(guò)程的形變，并提出:

式中，υm為調(diào)寬速率，mm/min。

考慮鋼水靜壓力，在連續(xù)調(diào)寬過(guò)程中，總的驅(qū)動(dòng)力F2為：

1.2.3錐度由小變大

在錐度由小變大的過(guò)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(wú)應(yīng)變發(fā)生。則總的驅(qū)動(dòng)力F3為：

Fn的計(jì)算方法與式3相同。

根據(jù)上述分析，得出影響調(diào)寬過(guò)程的主要工藝參數(shù)包括：

（1）拉速υc

在結(jié)晶器冷卻條件不變的情況下，拉速直接2影響了結(jié)晶期內(nèi)坯殼厚度，從而使調(diào)寬過(guò)程的受力發(fā)生變化。拉速越高，結(jié)晶器內(nèi)坯殼相對(duì)越容易變形，調(diào)寬過(guò)程應(yīng)力越小。因此調(diào)寬應(yīng)盡量在恒拉速條件下完成，無(wú)異常狀況不宜降速調(diào)寬。

（2）窄邊銅板錐度調(diào)節(jié)速率υα和調(diào)寬速率υm

這兩個(gè)參數(shù)決定了坯殼在單位時(shí)間內(nèi)的形變程度，當(dāng)二者取值較小時(shí)，坯殼應(yīng)力較低，調(diào)寬過(guò)程不易出現(xiàn)缺陷，但由此形成的調(diào)寬坯長(zhǎng)度變長(zhǎng)，增加后續(xù)精整成本。因此要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定合適的取值范圍。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1計(jì)算參數(shù)確定

2.1.1物性參數(shù)

計(jì)算時(shí)物性參數(shù)如表1所示。

表1　計(jì)算所用物性參數(shù)

2.1.2結(jié)晶器參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)晶器調(diào)寬裝置為液壓驅(qū)動(dòng)，左右兩側(cè)各有兩個(gè)調(diào)寬液壓缸，采用伺服閥根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)寬曲線執(zhí)行動(dòng)作，液壓缸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

結(jié)晶器參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2　結(jié)晶器參數(shù)

2.2計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較

以實(shí)際生產(chǎn)中由寬向窄調(diào)寬過(guò)程為例，調(diào)寬時(shí)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(diào)寬速率為40 mm/min，由此得出各階段液壓缸推力計(jì)算結(jié)果。實(shí)測(cè)結(jié)果可由調(diào)寬缸的有桿側(cè)和無(wú)桿側(cè)實(shí)測(cè)液壓乘以各自作用面積后的壓力差來(lái)確定。計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

表3　各階段計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

3　結(jié)論

（1）建立了結(jié)晶器在線熱態(tài)調(diào)寬的力學(xué)模型，該模型對(duì)設(shè)定調(diào)寬工藝參數(shù)提供了一定理論依據(jù)，可為結(jié)晶器在線調(diào)寬設(shè)計(jì)提供思路。

（2）影響結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬的主要工藝參數(shù)是拉速和調(diào)寬錐度變化速率及窄邊移動(dòng)速率，為了確保調(diào)寬過(guò)程的平穩(wěn)，應(yīng)在正常拉速下恒速調(diào)寬，并且選擇合適的形變速率，在調(diào)寬過(guò)程無(wú)缺陷的基礎(chǔ)上盡量縮短調(diào)寬坯長(zhǎng)度。

（3）將力學(xué)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

［1］楊拉道,高琦.板坯連鑄結(jié)晶器熱態(tài)調(diào)寬系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鑄造技術(shù),2011,32（10）:1406-1409.

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

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

［4］杜慶華.工程力學(xué)手冊(cè)［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(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

［6］高琦,張小龍,楊拉道,等.結(jié)晶器在線熱態(tài)調(diào)寬液壓缸推力計(jì)算［J］.鑄造技術(shù),2010,31（11）:1464-1467.

（編輯 許營(yíng)）

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(jí)工程師，2007年清華大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后。E-mail：tianyong.thu@gmail.com。

2014-04-22