板坯连铸机扇形段上框架有限元分析

靳月华

（中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176）

1 引言

直弧型板坯连铸机的主要设备由结晶器、弯曲段、弧形段、矫直段和水平段组成，其中弧形段、矫直段和水平段统称扇形段。

改进后，低体温、并发症合计发生率低于改进前，改进后患者满意率与医师满意率高于改进前，差异有统计学意义（P＜0.05）。 见表 1。

扇形段的主要功能［1］是支撑来自结晶器弯曲段的具有一定坯壳厚度的铸坯，并对其进行强制喷水或气雾冷却，使坯壳厚度不断增加，至铸坯完全凝固后通过水平段驱动辊送出扇形段。当凝固的坯壳被拉出结晶器后，受内部钢水静压力作用，会产生“鼓肚”现象，所以板坯连铸机多采用小辊径密排辊布置，避免因钢水静压力而引起“鼓肚”或漏钢事故。

每段扇形段包括上框架、下框架、连杆、压下液压缸、从动辊和驱动辊等。驱动辊布置在中间，由电机减速机驱动旋转，且上驱动辊由油缸驱动，可单独升降。下框架固定在底座上，上下框架之间4根连杆相连接，通过4个液压缸的驱动实现上下框架之间的相对运动，从而实现对铸坯的夹紧或松开。

扇形段框架是由钢板焊接而成的结构件，用于支撑导向的辊子。框架主要承受通过支撑导向辊传递来的钢水静压力产生的鼓肚力、辊子与高温铸坯反复接触引起的热应力、设备自重和拉坯力等。这些复杂的载荷作用于框架，框架又长期处于高温和水蒸气的恶劣环境下工作，因此框架要求有足够的强度和刚度。

框架的刚度也影响连铸机的对弧精度［2］，这就要求框架的刚性必须保持连续。若框架刚性突变太大，必须调整结构尺寸，否则即使冷态下连铸机对弧准确，但在拉坯时框架产生较大变形也会引起支撑导向辊错位，从而导致辊缝开口度超差［3］，严重时甚至会发生漏钢事故。

2 建立扇形段上框架的有限元分析模型

通常板坯连铸机扇形段各段之间具有互换性，如弧形段之间可以互换，水平段之间也可以互换，而弧形段处“鼓肚”力小；矫直段和水平段处受“鼓肚”力、矫直力大。因此，本文选取在板坯连铸机凝固末端的水平段第一段的上框架来计算分析。

2.1 基本参数

2.3.3 拉坯力

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表1 材料性能参数

2.2 模型简化

框架主要由板筋件焊接而成，因此必须对小于25mm的结构进行简化处理：

正常浇铸时，驱动辊所在立板上轴承座位置作用拉坯力和鼓肚力，非驱动辊所在立板轴承座除施加拉坯阻力和鼓肚力。在扇形段与基础框架连接位置实际固定约束，夹紧油缸拉杆位置施加夹紧力。

建立有限元模型，选择合适的计算单元很重要，综合考虑计算模型和计算精度，经过多次试验，选用8节点6面体Solid45单元，单元尺寸为25mm。

1） 模型没有考虑温度影响；

2） 油缸作为动力源，对结构强度不起任何影响，可以用适当约束、载荷简化。

在有限元分析模型中，坐标系定义如下，X向为铸坯宽度方向；-Y向：铸流出坯方向；Z向：厚度方向。ANSYS中计算单位，采用国际单位，即长度：m，质量：kg，应力：Pa，密度：kg／m3。

2.3 框架受力分析

2.3.1 鼓肚力

海岛是一个特殊的地域单元，在海洋经济大发展的背景下，海岛不仅是维护国家海洋权益的战略要地，也是海陆统筹发展的重要基地、海洋经济发展的前沿阵地、以及区域可持续发展的战略资源宝库[1]。

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铸坯由于钢水静压力而产生的鼓肚力，作用于辊子上，经轴承座传递到框架立板上。由于钢水静压力引起的第i个导辊处的鼓肚力为：

式中：FDKi为第i个导辊处的鼓肚力，N；r为钢水比重，r＝7000kg／m3；g为重力加速度；Hi为第i个导辊处钢液面高度，m；Sg为铸坯厚度中心线上两辊距之和的一半，m；Bmax板坯最大宽度，m；Si为第i个导辊处的坯壳厚度，m。

为了克服铸坯的鼓肚力，对扇形段夹紧实施一定的夹紧力，通过辊子作用于铸坯上，平衡鼓肚力，因此扇形段上框架每根辊都受鼓肚力作用。

鼓肚阻力RB（相当于车轮在红坯钢轨上的滚动摩擦阻力）

拉坯阻力R按下式计算：

2.3.2 拉坯阻力

式中，0.5为与实测值比较给出的修正系数；FDK为鼓肚力；AREA