電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪壁厚優(yōu)化研究

王亮

摘 要：電工圓鋁桿生產(chǎn)中結(jié)晶輪起著非常重要的作用，而熱應(yīng)力是結(jié)晶輪使用壽命的影響因素之一。在對(duì)電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪進(jìn)行壁厚優(yōu)化時(shí)，需基于有限元分析法，對(duì)結(jié)晶輪溫度場進(jìn)行熱力耦合模擬分析，進(jìn)一步結(jié)合結(jié)晶輪壁厚優(yōu)化原理和方法，對(duì)電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪壁厚進(jìn)行優(yōu)化。本文以四輪水平垂直式澆鑄連鑄機(jī)為例，主要通過介紹電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪的結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)其進(jìn)行ANSYS熱應(yīng)力耦合模擬分析，科學(xué)對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪壁厚進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：Φ9.5mm；電工圓鋁桿；結(jié)晶輪；壁厚優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TF123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

結(jié)晶輪使用周期會(huì)對(duì)電工圓鋁桿連鑄連軋生產(chǎn)過程產(chǎn)生影響。正常條件下，結(jié)晶輪使用周期為2500t左右，但由于Φ9.5mm電工圓鋁桿在連鑄、連軋生產(chǎn)過程中，結(jié)晶輪整體本身及結(jié)晶腔表層所要承受的溫度分別在300℃左右。因此，在較大溫差的惡劣環(huán)境下工作，就會(huì)使其出現(xiàn)疲勞損傷、裂紋和變形等結(jié)構(gòu)性缺陷，最終會(huì)嚴(yán)重影響Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋生產(chǎn)工藝，主要表現(xiàn)為鑄錠不合格、咬錠和夾錠及出錠不順。

1.Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪介紹

結(jié)晶輪是Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，為保證Φ9.5mm電工圓鋁桿軋制質(zhì)量，須嚴(yán)格遵循連續(xù)軋制秒流量相等原則。為了便于脫模，軋機(jī)要采用延伸孔型，粗軋首機(jī)架孔型寬高比不能過大，交界面圓滑過渡，不能有飛邊，鑄坯斷面形狀為梯形錠。通?？紤]鋁液凝固冷卻方式和電工圓鋁桿連鑄工藝的連續(xù)性，結(jié)晶輪呈圓環(huán)狀，其斷面形狀為“M”型。在驅(qū)動(dòng)裝置作用下，結(jié)晶輪與鋼帶共同形成結(jié)晶腔，連續(xù)旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯連續(xù)鑄造。

四輪水平垂直式澆鑄連鑄機(jī)由結(jié)晶輪和3個(gè)張緊輪組成，結(jié)構(gòu)簡潔、布局合理。但在鑄造過程中，容易制造電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪不僅需承受較大的鑄坯摩擦力、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，且還要承受較高溫度，從而會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和循環(huán)熱應(yīng)力，故結(jié)晶輪須具有較強(qiáng)的抗疲勞性和耐高溫性及剛度和強(qiáng)度。

2.基于ANSYS DX的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪熱力耦合

2.1 構(gòu)建ANSYS DX的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪熱力耦合有限元模型

在有限元模型構(gòu)建前，首先需確認(rèn)熱分析屬于非線性分析；其次，需對(duì)材料熱傳導(dǎo)系數(shù)、泊松比和彈性、模量及密度等參數(shù)進(jìn)行定義。在此基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)格要素科學(xué)設(shè)置，并合理劃分網(wǎng)格，生成基于ANSYS分析的有限元模型。

建立模型后，需結(jié)合連鑄裝配體具體形狀，對(duì)電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，將其劃分為包括鋼帶、銅壁層和坯殼層在內(nèi)的單元。因電工圓鋁桿連鑄過程溫度均勻、穩(wěn)定。因此，可將這一連鑄過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。與此同時(shí)，將冷卻水和坯殼層分別等效為噴淋水對(duì)流載荷及純粹的溫度載荷。在網(wǎng)格劃分時(shí)，電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪分別選擇6面和4面體實(shí)體單元進(jìn)行劃分，最終共得到 22375 個(gè)實(shí)體單元和41021個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

2.2 對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪熱力耦合溫度場有限元加載和求解

分別對(duì)有限元模擬分析過程中的溫度和約束性條件進(jìn)行分析確定，指定溫度和約束性條件施加階段選項(xiàng)，然后對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪熱力耦合溫度場有限元加載和求解。

將Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪其中一個(gè)側(cè)面設(shè)定為約束面，結(jié)合電工圓鋁桿連鑄加工現(xiàn)場實(shí)際情況，利用型號(hào)為STH1513、溫度范圍在150℃～1300℃、距離系數(shù)為75∶1的紅外線測(cè)溫儀，對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪各點(diǎn)溫度均值進(jìn)行確定，并將溫度均值作為載荷施加到ANSYS有限元模型中。通過在結(jié)晶輪中設(shè)置24個(gè)測(cè)點(diǎn)并循環(huán)測(cè)試，共得到24組溫度值，循環(huán)測(cè)量精度為1℃，其中，溫度max=700℃，溫度min=150℃，溫差達(dá)550℃。

2.3 對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪熱力耦合溫度場分布求解

在Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋現(xiàn)場，內(nèi)、外冷噴淋水無調(diào)節(jié)裝置，結(jié)晶輪各個(gè)部位均勻冷卻。為了減小結(jié)晶輪冷卻時(shí)的應(yīng)力變化，分別采用分段冷卻方式和均勻冷卻相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)晶輪溫度場/噴淋水對(duì)流加載情況、溫度荷載等進(jìn)行分析。

3.Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪壁厚優(yōu)化

通過有限元仿真模擬分析結(jié)果可知，在均勻冷卻條件下，Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪等效應(yīng)變最大值、最小值分別為0.047102m和3.1946e-5m，等效應(yīng)力最大值和最小值分別為5.1812e9Pa和3.514e6Pa，整體變形最大值和最小值分別為0.00948m和0m，Y方向變形最大值和最小值分別為0.00610m和-0.000826m；在分段冷卻條件下，Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪等效應(yīng)變最大值和最小值分別為0.047147Pa和3.1159e5Pa，等效應(yīng)力最大值和最小值分別為4.1862e9m和3.4275e6m，整體變形最大值和最小值分別為0.009515m和0m，Y方向變形最大值和最小值分別為0.00614m和0.000899m。

根據(jù)這一仿真結(jié)果，不難看出溫度變化梯度較小的分段冷卻方式和充分釋放Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪自由度都可減小其熱應(yīng)力。因此，在對(duì)Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪壁厚進(jìn)行優(yōu)化改造時(shí)，須結(jié)合上述模擬數(shù)值對(duì)結(jié)晶輪內(nèi)冷卻管路進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化改造，達(dá)到對(duì)結(jié)晶輪各個(gè)部位冷卻強(qiáng)度值優(yōu)化調(diào)整的目的。具體如下：

（1）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程，通過ANSYS DX的DOE程序，利用RS分析模塊輸入?yún)?shù)P1、P2對(duì)結(jié)晶輪壁厚進(jìn)行優(yōu)化，本次優(yōu)化原則是不改變結(jié)晶輪所用材料和結(jié)構(gòu)形式，令初始優(yōu)化變量分別為L11、L12，其中L11=20mm，L12=20mm，然后將初始變量L11增加5.17mm，L12減小1.03mm。

（2）將結(jié)晶輪內(nèi)冷卻管路由原整圈圓管加鴨嘴形噴嘴改造為整個(gè)周圍均為分布8個(gè)弧形的水盒結(jié)構(gòu)。

（3）為了加大水盒的噴水量和避免水流堵塞，需在每個(gè)水盒中加工1mm的水縫。

（4）調(diào)整每個(gè)水盒進(jìn)水閥門開度，鋁液澆筑處為1/3，沿著結(jié)晶輪旋轉(zhuǎn)方向依次將每個(gè)水盒進(jìn)水閥門開度分別調(diào)整為2/3、全開，剃錠處、空行程段水盒進(jìn)水閥門開度分別調(diào)整為2/3和1/3，然后逐漸全關(guān)閉。

（5）通過對(duì)結(jié)晶輪分段冷卻水盒進(jìn)水閥門進(jìn)行開度調(diào)整，有效減少Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結(jié)晶輪溫度變化梯度，同時(shí)滿足了鑄錠生產(chǎn)工藝要求。

（6）因結(jié)晶輪外冷卻鋼帶較薄，對(duì)冷卻方式非常敏感。因此，要對(duì)其內(nèi)、外冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。其中，內(nèi)冷卻水量和水壓分別控制在40 t/h、0.4 MPa～0.5MPa，外冷卻水量和水壓分別控制在20 t/h、0.4 MPa～0.5MPa。

（7）通過原螺栓直聯(lián)內(nèi)外轉(zhuǎn)盤固定結(jié)晶輪，并將其改造為撥塊驅(qū)動(dòng)；同時(shí)，對(duì)結(jié)晶輪側(cè)面自由度充分釋放，改造前后Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪構(gòu)造。

結(jié)語

實(shí)踐表明，通過改造、優(yōu)化后的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結(jié)晶輪壁厚設(shè)計(jì)變量L11 =25.17mm，L12 =18.97 mm。在同等技術(shù)條件下，與改造前相比，結(jié)晶輪微裂紋產(chǎn)生延遲約260 t，槽口變形量減少約2 mm，結(jié)晶輪使用壽命延長約20%，有效保證了鑄坯質(zhì)量和降低了電工圓鋁桿連鑄連軋溫度熱應(yīng)力，達(dá)到了預(yù)期改造、優(yōu)化目的。

參考文獻(xiàn)

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