蔣昭陽(yáng) 戴靜 李麗麗 邢薇

【摘 要】連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，鑄輥溫度場(chǎng)非均勻周期性變化是產(chǎn)生熱應(yīng)力、變形的主要因素，運(yùn)用ANSYS有限元模擬軟件對(duì)鑄輥進(jìn)行了彈塑性熱力耦合有限元模擬，分析了水平段鑄輥的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及鑄輥裂紋的產(chǎn)生發(fā)展。分析得出，鑄輥工作100min后，鑄輥溫度達(dá)到平衡，橫截面呈現(xiàn)出“動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”、“靜態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”。鑄輥表面各點(diǎn)的溫度、應(yīng)力值隨鑄輥的旋轉(zhuǎn)而周期性變化，其表面最高溫度為484.1℃，最大等效應(yīng)力為131MPa。

【關(guān)鍵字】鑄輥 熱-力耦合 溫度場(chǎng) 熱應(yīng)力

近年來(lái)，高效連鑄技術(shù)、低過(guò)熱度的澆鑄技術(shù)和近終成型澆鑄等技術(shù)得到快速發(fā)展，連鑄過(guò)程中優(yōu)化鑄坯凝固過(guò)程的控制凸顯重要。特別是二冷水的噴淋狀況，鑄輥的布置等參數(shù)的控制。鑄輥在鑄坯的凝固過(guò)程中起支撐、導(dǎo)向、矯直作用。在空冷段，鑄輥繼續(xù)驅(qū)使鑄坯前進(jìn)，同時(shí)也起到冷卻的作用。采用紅外熱成像儀可以對(duì)鑄坯及鑄輥表面進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫，基于紅外熱成像測(cè)溫所建立起來(lái)的三維鑄輥模型，可計(jì)算得到不同工藝條件下的鑄輥溫度。

1 模型建立

本文采用了ANSYS自帶的APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)編寫(xiě)了計(jì)算程序。按照現(xiàn)場(chǎng)鑄輥的實(shí)際數(shù)據(jù)，取整個(gè)鑄輥為研究對(duì)象，綜合考慮鑄輥尺寸、計(jì)算精度，建立了如圖1所示模型。模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為44160，單元數(shù)為40500。

2 模擬結(jié)果及討論

水平段鑄輥位于二冷區(qū)末端，此處鑄坯主要靠自身輻射散熱，考慮到凝固潛熱的釋放，故此處噴嘴主要用來(lái)冷卻鑄坯。

圖2為鑄輥溫度場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的溫度分布圖。圖（a）為切向分布云圖，圖（b）為橫向分布云圖。由圖2可看出，鑄輥整體溫度成均勻梯度分布，且與鑄坯表面接觸處的溫度，要明顯高于鑄輥其他位置處的溫度。中心由于通冷卻水，故其溫度明顯低于其他位置在同一切面上，最大溫差達(dá)到了440℃。在剛開(kāi)始拉坯時(shí)，鑄輥內(nèi)部及表面溫度迅速升高，后來(lái)溫升的速度逐漸減少，當(dāng)拉坯進(jìn)行大約50min后，溫度增速變緩慢，100min時(shí)，鑄輥表面點(diǎn)溫度極值趨于一定值。此時(shí)周?chē)h(huán)境傳給鑄輥的熱量，與冷卻水帶走的熱量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，我們稱此刻鑄輥的溫度場(chǎng)為動(dòng)平衡下的溫度場(chǎng)。在鑄輥表面附近的某一范圍內(nèi)，各點(diǎn)的溫度值隨鑄輥的旋轉(zhuǎn)而周期性變化，我們稱此區(qū)域?yàn)椤皠?dòng)態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”；而在距輥面某一范圍以上各點(diǎn)的溫度值則基本上不隨之而變化，這說(shuō)明當(dāng)輥?zhàn)拥臏囟葓?chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，鑄輥內(nèi)部存在一個(gè)定常的、軸對(duì)稱的溫度場(chǎng)，我們稱此區(qū)域?yàn)椤办o態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”。本模型水平段鑄輥的動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷區(qū)值大約為2mm。

3 中心與邊部鑄輥的比較

實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，鑄輥的中心部位與端部的溫度分布也有差別，本課題研究的為內(nèi)弧段鑄輥，從圖中可以看出，鑄輥端部形貌與中心部位呈現(xiàn)出明顯的不同。端部裂紋較多，且表面沒(méi)有中心部位光滑，溫度整體從中心到端部呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，端部是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位，他與軸承座接觸，直接會(huì)影響到軸承座的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，故本文又對(duì)比了鑄輥端部與中心的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)。

圖3為鑄輥不同位置的溫度場(chǎng)，圖（a）為鑄輥中心部位溫度場(chǎng)云圖，圖（b）為鑄輥端部溫度場(chǎng)云圖。由圖可以發(fā)現(xiàn)，中心部位橫向溫度分布均勻，整體上沒(méi)有差別，端部鑄輥，角部溫度較低，比中心部位低74℃左右，端部鑄輥由中心到角部，溫度呈現(xiàn)出遞減變化。

4 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS有限元軟件三維傳熱模型模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下水平鑄輥的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，分析了鑄輥溫度、應(yīng)力的非均勻分布，中心輥和邊部輥的不同及表面龜裂產(chǎn)生原因，得出了如下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)約100min后，鑄輥溫度達(dá)到平衡，橫截面呈現(xiàn)出“動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”、“靜態(tài)熱負(fù)荷區(qū)”。鑄輥表面各點(diǎn)的溫度、應(yīng)力值隨鑄輥的旋轉(zhuǎn)而周期性變化，其表面最高溫度為484.1℃，最大等效應(yīng)力為131MPa。（2）對(duì)比分析了水平段不同位置鑄輥。中間分節(jié)輥?zhàn)罡邷囟缺榷瞬糠止?jié)輥?zhàn)罡邷囟雀?4℃；中間分節(jié)輥?zhàn)畲蟮刃?yīng)力比端部高22MPa。