连铸拉矫机强度分析和冷却水系统研究

夏龙伟，黄森炎，刘 波，万宇轩

(中钢集团衡阳重机有限公司，湖南 衡阳 421002)

0 前言

本文的研究对象拉矫机为钳式框架结构，主要由机架、钳杆、压下臂、液压缸、上下辊装配、电机、减速机、隔热水套和冷却水系统组成，如图1所示。拉坯机的上、下辊均为传动辊，矫直机只有上辊传动。压下装置的各个动作由液压缸来完成［1］。

1 有限元(静态)分析

拉矫机的强度直接决定其工作安全性，进而影响铸坯的尺寸精度和质量。因此，对拉矫机进行强度分析具有重要的实际意义［2］。

图1 拉矫机主要部件Fig.1 Main parts of withdrawal straightener

1.1 拉矫机受力状况

拉矫机的设计中，为了克服拉坯阻力和装引锭杆时拉辊的受力［3］，必须在辊子上施加一定的正压力。经过计算可知，装引锭杆时的正压力最大，于是只分析装引锭杆时的情况。

装引锭杆时，引锭杆向上运行，摩擦阻力向下，下滑力向下，则装引锭杆拉辊的受力

式中，g=9.8 m/s2;A为引锭杆断面积，A=192.67 cm2;R为铸机基本弧半径R=900 cm;ρ为引锭杆材料比重，ρ=0.0078 kg/cm3;α为引锭头极限位与拉辊最大包角，α=80°;μ0为二冷装置内摩擦系数，μ0=0.15。

由于有两对拉辊，对一对拉辊的上辊，拉辊的受力F′r=Fr/2=6455.63 N

辊子上正压力 N=F′r/μ1=161390.75 N

式中，μ1为辊与引锭杆摩擦系数，μ1=0.04。

从结构上看，液压缸的压下力与拉辊的压下力之间有杠杆关系，则液压缸的压下力

式中，a为油缸至转轴距离，a=842 mm;b为辊子中心至转轴距离，b=550 mm。

辊子受的摩擦力Ff=6455.63 N，考虑到平衡，辊子的转矩为

式中，r为辊子半径，r=175 mm。

1.2 有限元分析

建立拉矫机几何体，将减速机和电机压缩，以简化模型。

1.2.1 材料属性准备

零件(除辊子外)材料选用普碳钢，辊子材料选用合金钢。

1.2.2 定义夹具

将机架底部六块面板的下表面选择为固定几何体。

1.2.3 施加外部载荷

对上下辊各施加压力161390.75 N、摩擦力6455.63 N、转矩1129.74 N·m;对液压缸活塞施加压力105421.51 N;对液压缸底部施加压力105421.51 N，忽略周向力(相互抵消)。对上下辊轴端减速机位置各施加压力3000 N(由于减速机已经压缩)，如图2所示。

1.2.4 划分网格

图2 拉矫机受力加载示意图Fig.2 Diagram of load-carrying force on withdrawal straightener

设置网格密度接近良好，应用网格控制对局部细化。

1.2.5 结果分析

图3为等效应力图。由图3可以看出，受力比较大的两个区域是被活塞杆压下的钳杆上部的面板，还有钳杆和机架铰接处的销轴孔边缘及销轴。最大等效应力出现在后者区域，约210.3 MPa。材料是Q235，屈服强度σs=235 MPa，选取安全系数n=1.5，则许用应力［σ］=σs/n=235/1.5=156.7 MPa。显然，许用应力小于计算得到的最大等效应力，有安全隐患。所以必须进行改进，考虑到销轴孔边缘的应力集中，于是对销轴孔边缘倒圆角。为了增加销轴的强度，将销轴材料换为合金钢。被活塞杆压下的钳杆上部的面板也存在安全隐患，在其下方增加了一个支撑板，同时保证其刚度要求，如图4所示。

图3 等效应力分布图Fig.3 Distribution of equivalent stress

再次计算后，最大等效应力明显降低，接近148 MPa。最大等效应力小于许用应力。因此改进后的设计是安全的，拉矫机的强度满足工作要求。

2 流体(冷却水系统)分析

由于拉矫机长时间处于高温辐射状态下工作，所以对拉矫机各部分设备要进行有效冷却和保护，防止设备构件产生高温蠕变、拉坯阻力增加等问题。对拉矫机冷却水系统进行流动和热交换分析，有助于改进水路结构，从而延长拉矫机使用寿命［4］。

本项目拉矫机的冷却水系统包括:轴承座及上下辊通水内冷;压下臂、钳杆通水内冷;减速机通水内冷;将红热铸坯罩住的隔热水套通水内冷;机架通水内冷。水冷机架还起到分水箱的作用，所有水冷却部件的进出水管都与机架连接，机架上只有一个进水管和出水管，便于拉矫机整体快速更换，提高连铸作业率。

2.1 流动分析

2.1.1 基本设置

模拟类型设为允许热传导，包括固体与固体之间，固体与流体之间。流体设置为水，固体材料选为普碳钢。

2.1.2 边界条件

设置进水口的流量3.6 kg/s和出水口的压力601325 Pa。

2.1.3 结果分析

要保证水流的畅通，不允许出现死水和关键水路的流量过小。因为上述两者都不能及时带走热量，致使水温升高，影响冷却效果。

第一个位置:钳杆回水腔前端部出现死水，如图5所示。

处理方法:将左、右轴承座的连通水管由轴承座前端改到轴承座后端，让轴承座冷却水由钳杆前端流入、流出，克服钳杆前端死水现象。

第二个位置:机架回水腔出现死水，如图6所示。

图5 钳杆回水腔前端部出现死水示意图Fig.5 Diagram of dead water at front end of claw beam recycle-water cavity

图6 机架回水腔出现死水示意图Fig.6 Diagram of dead water appearing in recyclewater cavity of withdrawal straightener frame

处理方法:将机架上的减速机及下辊冷却水进出水口位置，尽量远离轴承座中心位置。

第三个位置:隔热水套进水腔后部上端的一个矩形管有1个进水孔和2个出水孔，只有靠近进水孔的出水孔出水，另一个出水孔不出水，导致该管子形成死水，如图7所示。回水腔也存在同样问题。

图7 矩形管出现死水示意图Fig.7 Diagram of dead water appearing in rectangular tube

处理方法:减小该矩形管两个出水孔孔径。

第四个位置:从流动迹线的密度看出，进压下臂的水流量比进隔热水套的水流量大，主要原因是两路水管通径相同，而压下臂管路压力损耗小，因此大量冷却水经压下臂进回水腔。但实际上隔热水套直接受铸坯烘烤，需要大量冷却水冷却，而压下臂不直接受烘烤，冷却水量可以减少，如图8所示。处理方法:将压下臂的进出水口管径由原来的1in改为0.75in，这样可以保证隔热水套做进水量。

图8 压下臂和隔热水套流动迹线图Fig.8 Flow-trace of depressing-arm and heat-resistant water

2.2 热交换分析

整体热交换水路水温变化很小，故不用分析。只有隔热水套温升比较大，所以只对隔热水套进行热分析。其实铸坯放出的热量大部分是在隔热水套进行热交换的。

需要说明的是，为了实现方坯—空气—隔热水套—水之间的热交换，需要把隔热水套放在假定的一个空箱体里，以实现热空气的传热。

2.2.1 基本设置

模拟类型设为允许热传导，包括固体与固体之间，固体与流体之间。流体设置为空气(默认)和水，固体材料选为普碳钢。

2.2.2 流体区域

为水设置流动子区域。

2.2.3 边界条件

设置空气流动环境压力101325 Pa。

设置进水口的流量1 kg/s和出水口的压力601546 Pa。

2.2.4 设置热源

设置一定长度(1700 mm)方坯为热源，定义热量60 kJ/s和温度1000℃。

2.2.5 结果分析

水温变化趋势合理。水温从常温最多上升了6.5℃，位于6℃ ～10℃内，符合设计要求，如图9所示。

图9 冷却水水温分布图Fig.9 Distribution of water temperature of cooling water

3 结论

(1)通过对R9 m拉矫机的强度分析，找到了结构的薄弱位置，即被活塞杆压下的钳杆上部的面板，还有钳杆和机架铰接处的销轴孔边缘及销轴。从而有针对性的作了改进，优化了设计，保证了拉矫机工作的安全性。

(2)通过对R9 m拉矫机的冷却水系统的流动仿真，找出了某些水路出现死水和关键水路流量过小的原因，提出了处理方法。并进行了热交换仿真，得出隔热水套整体水路设计的合理性。该工作有助于改进冷却水系统的水路结构，从而延长拉矫机使用寿命。

［1］ 王浦江．小方坯连铸(再版)［M］．北京:机械工业出版社，1998．

［2］ 陈超祥，叶修梓．SolidWorks Simulation基础教程(2010版)［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［3］ 胡坚．六厂R6×1700弧形连铸机拉矫机改造设计计算［J］．重钢技术，1990，12(5)．

［4］ 贺坤茂．大方坯连铸拉矫机冷却水箱长寿化［J］．设备技术，2007(3)．