劉克仲 閆 冬

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457;2.一重集團天津重工有限公司，天津 300301)

連鑄坯矯直的有限元分析

劉克仲1閆 冬2

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457;2.一重集團天津重工有限公司，天津 300301)

利用有限元技術模擬了連鑄坯的矯直過程，獲得了矯直過程中連鑄坯的溫度分布、受力分布等數(shù)據(jù)，對分析連鑄坯缺陷產(chǎn)生原因以及質(zhì)量改進提供數(shù)據(jù)支持。

連鑄坯;矯直;有限元模擬

連鑄坯目前仍然存在寬面縱裂、窄面凸出及內(nèi)裂等質(zhì)量缺陷，分析矯直過程中連鑄坯溫度分布及應力應變的分布對改進鑄坯質(zhì)量有著重要意義。在實際生產(chǎn)過程中，連鑄坯溫度較高，內(nèi)部存在液芯，進行全過程、動態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測較復雜，可行性不高，利用有限元軟件進行數(shù)值模擬可有效解決此問題。

1 連鑄坯矯直模型的建立

1.1 矯直輥中心坐標的確定

某鋼廠的連鑄設備參數(shù)如圖1所示。鑄坯的規(guī)格為1 000 mm×237 mm，鑄坯矯直段的半徑為9 300 mm，拉坯速度為 1.5 m/min，矯直輥直徑310 mm，輥距為380 mm，鑄坯進入矯直區(qū)之前經(jīng)過的弧長為13 300 mm。

根據(jù)鋼廠的實際設備參數(shù)，取部分矯直前圓弧區(qū)輥列、連續(xù)矯直區(qū)輥列及后續(xù)直線區(qū)輥列為研究對象，計算得到各輥的中心坐標見表1。

連鑄坯矯直模型中鑄坯圓弧區(qū)的圓心坐標是(762.8，9 584)mm，半徑 R 為9 300 mm。

1.2 連鑄坯網(wǎng)格的劃分與材料選取

圖1 連鑄機設備參數(shù)Figure 1 Equipment parameters of continuous caster

表1 矯直模型的輥子中心坐標Table 1 Center coordinates of straightening model roller

選取即將進入矯直區(qū)一段的鑄坯為分析對象，由于六面體的良好受力傳遞特性，鑄坯全部劃分為六面體網(wǎng)格，見圖2。選取鑄坯段共劃分成12 800個網(wǎng)格，節(jié)點15 309個。

1.3 建立矯直模型

鑄坯由接觸面的摩擦力帶動前行。定義接觸控制及高級接觸控制，選擇摩擦類型，確定接觸探測時的接觸容限和偏斜系數(shù)以及分離力等重要參數(shù)，建立矯直模型如圖3所示。

圖2 鑄坯的網(wǎng)格劃分Figure 2 Grid division of casting blank

圖3 矯直模型圖示Figure 3 Illustration of straighteningmodel

2 數(shù)值模擬

2.1 矯直前鑄坯溫度分布

鑄坯進入矯直前的溫度分布見圖4，表面溫度在950℃左右，鑄坯的角部溫度較低，約為800℃。鑄坯中心部分溫度較高，約為1 450℃，處于材料的固相線與液相線之間。

圖4 鑄坯的溫度分布假設Figure 4 Temperature distribution assumption of casting blank

2.2 矯直過程的條件簡化

(1)鑄坯在矯直過程中存在寬面的對流換熱、窄面的對流換熱，垂直鑄坯運行方向假設為絕熱面，加載邊界條件如圖5所示。

(2)矯直過程中矯直輥為不變形剛體。

2.3 矯直模擬

本次數(shù)據(jù)模擬共300個增量步，為了形象的表示模擬過程，分別取增量步為100、200和300時的鑄坯矯直狀態(tài)，見圖6。

通過模擬，鑄坯經(jīng)過矯直區(qū)后得到了矯直，驗證了利用有限元軟件模擬的正確性，鑄坯在矯直過程的溫度及力學參數(shù)為進一步改進鑄坯質(zhì)量提供參考。

圖5 鑄坯的邊界條件Figure 5 Boundary condition of casting blank

3 模擬結果分析

3.1 應力分析

鑄坯在矯直過程中，由曲變直，內(nèi)弧側受拉力，外弧側受壓力。在236增量步時選取鑄坯厚度方向自上至下的一列節(jié)點作為分析研究對象，從結果文件中提取等效應力分布，見圖7。

圖6 矯直模擬過程狀態(tài)Figure 6 Straightening simulation process status

可以看出，鑄坯內(nèi)弧側與外弧側表面上等效應力較大，且內(nèi)弧側最大等效應力稍大于外弧側［1］。矯直應力向鑄坯中心方向逐漸減小，鑄坯中心處最小。

3.2 應變分析

應變反映了鑄坯在矯直過程中的變形速度，在鑄坯上選取處于不同部位的213、224、231節(jié)點為研究對象，分析它們從矯直初始至矯直結束的應變變化，提取應變結果如圖8所示。

圖7 等效應力分布圖Figure 7 Equivalent stress distribution chart

可以看出，鑄坯在矯直初始階段與矯直末端應變速率很小，矯直過程中應變接近線性變化，鑄坯與矯直輥接觸的瞬間應變產(chǎn)生突變，因此若采用矯直輥密排技術，可有效減小突變，對提高鑄坯質(zhì)量有很大益處。

3.3 溫度場分析

在矯直過程中，對流換熱使鑄坯溫度不斷降低，為了更好的觀察溫度分布情況，沿鑄坯行進方向做切片顯示，見圖9。鑄坯溫度中部較高，外側逐漸降低，角部溫度最低。同實際情況相吻合，驗證了模擬的合理性。

圖8 鑄坯不同節(jié)點的應變圖Figure 8 Various nodes strain chart of casting blank

4 結語

本文結合某鋼廠實際設備參數(shù)，建立了連鑄坯的矯直模型并成功模擬了連鑄坯的矯直過程，得到了矯直過程中的應力應變與溫度等重要數(shù)據(jù)，為今后改善連鑄坯的質(zhì)量提供了參考和依據(jù)。

圖9 鑄坯的溫度切片顯示Figure 9 Temperature slice appearance of casting blank

［1］劉立文.有限元法在連鑄工藝中的應用.鋼鐵研究總院，2000:35－38.

編輯 傅冬梅

Finite Element Analysis of Continuous Casting Blank Straightening

Liu Kezhong，Yan Dong

Straightening process of continuous casting blank has been simulated by finite element technique and relevant data in the process of straightening has been obtained，such as temperature distribution and force distribution，which provided data basis for analyzing continuous casting blank defects origin and quality improvement.

continuous casting blank;straightening;finite element simulation

O242.21

A

2013—07—04