果晶晶，陳 健

（1.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境工程系，河北 邢臺 054035；2.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025）

鋼包是盛裝、運(yùn)送鋼水的主要設(shè)備。隨著鋼鐵企業(yè)設(shè)備和裝置的不斷更新，對鋼包質(zhì)量要求也越來越高。因滑動水口澆注系統(tǒng)可以提高鋼鐵企業(yè)的作業(yè)率和經(jīng)濟(jì)效益，故其成為鋼包控制鋼流的首選[1-2]。

在滑動水口澆注系統(tǒng)中，一旦底座產(chǎn)生裂紋，就需要停止?jié)沧ⅲ鼡Q新的底座，故滑板底座的使用壽命直接影響到連鑄生產(chǎn)的正常進(jìn)行。分析鋼包澆鋼及停澆自然冷卻過程中的滑板底座受熱情況，對探尋底座的使用壽命起到相當(dāng)關(guān)鍵的作用。澆鋼過程中兩種結(jié)構(gòu)底座的熱/力分析已被模擬過[3]，本研究以澆鋼結(jié)束自然冷卻過程中兩種不同結(jié)構(gòu)的滑板底座為研究對象，應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行鋼包停澆滑板底座自然冷卻過程中的溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬，以期為提高滑板底座壽命，減少開裂提供理論指導(dǎo)。

1 滑板底座熱/力耦合模型的建立

1.1 模型的建立

作為滑動水口澆注系統(tǒng)中的滑板底座，經(jīng)歷著底座安裝→初包澆注→鋼包放置冷卻→澆注→鋼包放置冷卻→澆注的循環(huán)使用過程。本研究以澆鋼結(jié)束自然冷卻過程中兩種不同結(jié)構(gòu)的滑板底座為研究對象，為研究方便，將兩種不同結(jié)構(gòu)的滑板底座分別命名為1號底座和2號底座。依據(jù)底座結(jié)構(gòu)的對稱性，取1號和2號兩種底座的1/2建立模型，其模型如圖1所示[3-4]。

圖1 滑板底座模型

1.2 定解條件

1.2.1 初始條件

鋼包停澆金屬底座自然冷卻時，滑板底座的初始溫度選取澆鋼時計(jì)算出的金屬底座溫度場的最后一步。

在進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算時，在對稱面上設(shè)置對稱約束，固定孔處施加固定約束，其余為自由邊界。在分析金屬底座澆鋼后的自然冷卻過程中應(yīng)力分布時，把澆鋼30 min時計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果視為初始應(yīng)力。

1.2.2 邊界條件

底座與空氣接觸的表面被空氣冷卻，形成自然對流（忽略輻射散熱），自然對流的對流換熱公式如下[5]：

式中：hf為底座與空氣的對流換熱系數(shù)；Tb為底座表面溫度；Ta為環(huán)境溫度。

由于底座的外表面溫度較高，考慮到輻熱散熱對底座溫度場的影響，采用綜合對流傳熱來表示底座表面的自然對流和輻射散熱；在計(jì)算域?qū)ΨQ面上，單元在對稱面法線方向上無熱流通過，視為絕熱條件。

1.3 鑄坯物性參數(shù)的確定

底座熱/力模擬過程中將要用到的材料物性參數(shù)見表1[3,6]。

表1 材料的物性參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 鋼水停澆底座自然冷卻的傳熱

澆鋼結(jié)束后，在自然冷卻條件下，1號和2號兩種底座的溫度分布的變化過程如圖2所示。兩種底座在同一時刻的溫度場分布情況基本相同。在鋼水停澆28 min時1號底座溫度出現(xiàn)最高值為436℃，這是由于澆鋼結(jié)束以后，上水口溫度仍較高，繼續(xù)向底座傳熱，使得底座的溫度繼續(xù)上升，隨時間的推移，上水口的溫度逐漸降低，底座也冷卻降溫。

圖2 停澆后底座的溫度場分布

由表2可知鋼水停澆，兩種類型的金屬底座在冷卻時的最高溫度與最低溫度在各個時間點(diǎn)上的分布相差不是很多，差值最高為3℃。

表2 鋼水停澆兩種結(jié)構(gòu)的金屬底座冷卻時的溫度對比℃

2.2 鋼水停澆底座自然冷卻的應(yīng)力

澆鋼結(jié)束后，在自然冷卻條件下，使用1號、2號兩種結(jié)構(gòu)的金屬底座計(jì)算出的應(yīng)力場結(jié)果對比如下頁圖3、4所示。圖3為鋼包停澆5 min及2 h時1號、2號滑板底座的等效應(yīng)力分布。1號底座的最大等效應(yīng)力（SEQV）產(chǎn)生于固定孔的周圍或材料薄弱的部位，并在鋼水停澆過程中最大等效應(yīng)力值起初呈增加的趨勢；停澆40 min時等效應(yīng)力達(dá)到最大值，其值為509 MPa（見下頁表3），隨后等效應(yīng)力值又開始減小。2號底座除固定孔的圓臺附近因材料較薄存在較大的應(yīng)力集中區(qū)域外，在金屬底座下表面不存在沿底座中心45°方向上的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力分布較均勻。

圖3 停澆5 min、2 h底座的等效應(yīng)力（SEQV）分布

同一時刻金屬底座下表面（與鋼包底部接觸一側(cè)）的應(yīng)力值大于底座上表面（與上滑板接觸一側(cè)）的應(yīng)力值，故可知澆鋼結(jié)束時若產(chǎn)生裂紋，首先將從如圖4所示的金屬底座的下表面開始。圖4為鋼包澆鋼5 min及2 h時的1號、2號滑板底座第一主應(yīng)力分布圖。停澆5 min時，在1號底座下表面沿底座水口孔中心45°方向?yàn)槔瓚?yīng)力集中區(qū)域，第一主應(yīng)力的最大值為567 MPa（見表3），隨時間推移該值逐漸減??；當(dāng)停澆冷卻2 h后，底座的應(yīng)力集中區(qū)域減弱，此時的第一主應(yīng)力最大值為542 MPa。而2號底座的下表面不存在較大的應(yīng)力集中分布區(qū)，比同一時刻的1號底座的第一主應(yīng)力分布要均勻得多。

圖4 停澆5 min、2 h底座的第一主應(yīng)力（S1）分布

表3 停澆過程中兩種結(jié)構(gòu)底座的應(yīng)力值 MPa

3 結(jié)論

1）澆鋼結(jié)束在自然冷卻條件下，兩種底座在同一時刻的溫度場分布情況基本相同；在鋼水停澆28 min時1號底座溫度出現(xiàn)最高值為436℃。

2）兩種類型的金屬底座在冷卻時的最高溫度與最低溫度在各個時間點(diǎn)上的分布相差不是很多，差值最高為3℃。

3）鋼包停澆自然冷卻時，1號底座的最大等效應(yīng)力（SEQV）產(chǎn)生于固定孔的周圍或材料薄弱的部位。在鋼水停澆過程中，最大等效應(yīng)力值起初呈增加的趨勢，停澆40 min時等效應(yīng)力達(dá)到最大值，其值為509 MPa，隨后等效應(yīng)力值又開始減小。

4）2號底座的下表面不存在較大的應(yīng)力集中分布區(qū)，比同一時刻的1號底座的第一主應(yīng)力分布要均勻得多。