連鑄板坯鼓肚有限元分析

章裕琳，石林波，何保衛(wèi)

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710000；2. 廣西盛隆冶金有限公司，廣西 防城港 538000)

0 前言

鼓肚指鑄坯在凝固過程中，在鋼水靜壓力作用下，凝固殼上產(chǎn)生的向外鼓脹成凸面的現(xiàn)象。鼓肚會加重中間偏析和內(nèi)部裂紋等缺陷，若不加以控制，嚴(yán)重將會導(dǎo)致漏鋼。因此，連鑄板坯的鼓肚變形分析對于連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)具有重要的意義[1-4]。

本文建立了板坯連鑄凝固傳熱的有限元模型，應(yīng)用ANSYS有限元軟件，采用二維“切片法”[5-6]，得出任意時(shí)刻任意位置板坯切面的溫度場。在此基礎(chǔ)之上，把凝固仿真得到的溫度場作為初始條件，建立了鼓肚變形三維有限元模型，研究了板坯的鼓肚變形規(guī)律，分析了主要工藝參數(shù)對鼓肚的影響，為連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選定提供一定的參考。

1 板坯連鑄凝固傳熱的有限元分析

以某鋼廠直弧形板坯連鑄機(jī)為研究對象，鑄坯斷面1000 mm×230 mm，鋼種為Q235，拉速為1.5 m/min，結(jié)晶器高度為900 mm。

在對連鑄過程進(jìn)行合理假設(shè)基礎(chǔ)上，對傳熱微分方程和邊界條件進(jìn)行簡化，將鑄坯傳熱簡化為二維傳熱問題[7-10]，建立了板坯凝固傳熱的有限元模型，如圖1所示。本研究用時(shí)間來控制邊界條件的施加，截面在結(jié)晶器、二冷區(qū)、空冷區(qū)施加不同的邊界條件[11-15]，用非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法來模擬鑄坯的這個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。

圖1 板坯凝固傳熱有限元模型

通過對ANSYS結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理，得到鑄坯寬面中心坯殼厚度隨距離彎月面距離的曲線，如圖2所示。

圖2 鑄坯凝固狀態(tài)圖

2 板坯連鑄凝固鼓肚變形有限元分析

為簡化計(jì)算，建模做如下假設(shè)和簡化：

(1)鑄坯溫度只考慮厚度方向的變化；

(2)鋼的高溫力學(xué)性能僅是溫度的函數(shù)；

(3)把液芯簡化為空腔，鋼水靜壓力作用于空腔內(nèi)壁；

(4)考慮到結(jié)構(gòu)和邊界條件的對稱性，取兩輥間鑄坯的1/4建模；

(5)以寬面中心的坯殼厚度作為鼓肚模型的坯殼厚度；

(6)輥?zhàn)訛閯傮w。

板坯連鑄鼓肚有限元模型如圖3所示。鼓肚一般出現(xiàn)在坯殼厚度較薄處，本文以直線段最后一對輥?zhàn)娱g的鑄坯為研究對象。輥距為240 mm，輥徑為200 mm，坯殼厚度為25 mm。

圖3 鼓肚變形有限元模型

3 連鑄板坯三維鼓肚仿真結(jié)果及分析

3.1 鼓肚變形量

圖4、圖5所示的是板坯的X向和Y向鼓肚變形量云圖，由圖4、圖5可以得出：板坯X向和Y向最大鼓肚變形量分別為0.03 mm和0.4 mm，且在鑄坯窄面和寬面中心處。

圖4 鼓肚X向變形

圖5 鼓肚Y向變形

模擬結(jié)果與采用經(jīng)驗(yàn)公式[16]計(jì)算的結(jié)果基本一致。

以Y向鼓肚變形最大點(diǎn)為分析對象，研究其Y向的等效應(yīng)力、鼓肚變形量與時(shí)間的關(guān)系，如圖6、圖7所示。

圖6 等效應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

圖7 Y向鼓肚與時(shí)間關(guān)系

由圖6可得，該點(diǎn)的最大等效應(yīng)力為2.3 MPa，小于該點(diǎn)的屈服應(yīng)力5 MPa[17]，因此該點(diǎn)在彈性變形階段。

由圖7可得，彈性變形和高溫蠕變引起的鼓肚量分別為0.1 mm、0.31 mm。因此，鼓肚變形主要是由高溫蠕變引起的，這與文獻(xiàn)[18-19]運(yùn)用解析法得到的結(jié)論是吻合的。

3.2 主要參數(shù)對鼓肚的影響

影響鼓肚變形的因素很多，主要有澆鑄速度、輥徑、輥距、鋼水靜壓力等，本文重點(diǎn)探討澆鑄速度和輥距對鼓肚的影響。

3.2.1 輥距對鼓肚的影響

在拉速為1.5 m/min，澆鑄溫度為1542 ℃的條件下，以固液分界面上寬面對稱中心點(diǎn)為研究對象，改變輥距，分別模擬了輥距為280 mm、260 mm、240 mm時(shí)的鼓肚變形，如圖8所示。其中Z為拉坯速度方向的坐標(biāo)，L為輥距。

圖8 輥距對鼓肚的影響

由圖8可看出，輥距對鼓肚的影響十分明顯。當(dāng)輥距由280 mm變?yōu)?40 mm，最大鼓肚量由1.7 mm減小到0.4 mm。因此，連鑄機(jī)設(shè)計(jì)多采用小輥距來防止鼓肚變形。

3.2.2 拉速對鼓肚的影響

在拉速為1.5 m/min，澆鑄溫度為1542 ℃的條件下，分別改變拉速為1.4 m/min、1.3 m/min，由凝固仿真可得到對應(yīng)的鑄坯的表面溫度、坯殼厚度以及蠕變時(shí)間，如表1所示。

表1 不同拉速下的參數(shù)

圖9給出了拉速對鼓肚的影響。由圖9可以看出，拉速由1.3 m/min增加到1.5 m/min，最大鼓肚量由0.38 mm增大到0.42 mm。拉速提高，最大鼓肚變形量增大，但拉速對最大鼓肚量的影響不明顯。

圖9 拉速對鼓肚的影響

因此，要有效控制鼓肚變形，必須設(shè)計(jì)合適的輥距，制定合理的工藝制度，匹配穩(wěn)定的拉坯速度和鋼水過熱度[19-20]。

4 結(jié)論

(1)用“切片法”對板坯連鑄凝固過程進(jìn)行了有限元仿真，得到了鑄坯的溫度場，進(jìn)而得到了鑄坯的坯殼厚度；

(2)在板坯連鑄凝固仿真的基礎(chǔ)上，建立了鼓肚變形有限元模型，采用ANSYS隱式計(jì)算蠕變方程，得到了鑄坯鼓肚變形最大處都在寬面和窄面的中心處，且蠕變變形是引起鼓肚變形的主要因素,仿真結(jié)果與理論計(jì)算是相吻合的；

(3)分析了輥距和拉速對鼓肚的影響，為輥列設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的選擇提供了一定的參考。