板坯连铸扇形段铸辊热—力行为研究

蒋昭阳 戴静 李丽丽 邢薇

【摘 要】连铸生产过程中，铸辊温度场非均匀周期性变化是产生热应力、变形的主要因素，运用ANSYS有限元模拟软件对铸辊进行了弹塑性热力耦合有限元模拟，分析了水平段铸辊的温度场、应力场及铸辊裂纹的产生发展。分析得出，铸辊工作100min后，铸辊温度达到平衡，横截面呈现出“动态热负荷区”、“静态热负荷区”。铸辊表面各点的温度、应力值随铸辊的旋转而周期性变化，其表面最高温度为484.1℃，最大等效应力为131MPa。

【关键字】铸辊 热-力耦合 温度场 热应力

近年来，高效连铸技术、低过热度的浇铸技术和近终成型浇铸等技术得到快速发展，连铸过程中优化铸坯凝固过程的控制凸显重要。特别是二冷水的喷淋状况，铸辊的布置等参数的控制。铸辊在铸坯的凝固过程中起支撑、导向、矫直作用。在空冷段，铸辊继续驱使铸坯前进，同时也起到冷却的作用。采用红外热成像仪可以对铸坯及铸辊表面进行连续测温，基于红外热成像测温所建立起来的三维铸辊模型，可计算得到不同工艺条件下的铸辊温度。

1 模型建立

本文采用了ANSYS自带的APDL语言进行二次开发编写了计算程序。按照现场铸辊的实际数据，取整个铸辊为研究对象，综合考虑铸辊尺寸、计算精度，建立了如图1所示模型。模型节点总数为44160，单元数为40500。

2 模拟结果及讨论

水平段铸辊位于二冷区末端，此处铸坯主要靠自身辐射散热，考虑到凝固潜热的释放，故此处喷嘴主要用来冷却铸坯。

图2为铸辊温度场达到动态平衡时的温度分布图。图（a）为切向分布云图，图（b）为横向分布云图。由图2可看出，铸辊整体温度成均匀梯度分布，且与铸坯表面接触处的温度，要明显高于铸辊其他位置处的温度。中心由于通冷却水，故其温度明显低于其他位置在同一切面上，最大温差达到了440℃。在刚开始拉坯时，铸辊内部及表面温度迅速升高，后来温升的速度逐渐减少，当拉坯进行大约50min后，温度增速变缓慢，100min时，铸辊表面点温度极值趋于一定值。此时周围环境传给铸辊的热量，与冷却水带走的热量达到一个动态平衡，我们称此刻铸辊的温度场为动平衡下的温度场。在铸辊表面附近的某一范围内，各点的温度值随铸辊的旋转而周期性变化，我们称此区域为“动态热负荷区”；而在距辊面某一范围以上各点的温度值则基本上不随之而变化，这说明当辊子的温度场达到动态平衡时，铸辊内部存在一个定常的、轴对称的温度场，我们称此区域为“静态热负荷区”。本模型水平段铸辊的动态热负荷区值大约为2mm。

3 中心与边部铸辊的比较

实际生产当中，铸辊的中心部位与端部的温度分布也有差别，本课题研究的为内弧段铸辊，从图中可以看出，铸辊端部形貌与中心部位呈现出明显的不同。端部裂纹较多，且表面没有中心部位光滑，温度整体从中心到端部呈现出降低趋势。在现场实际生产中，端部是最容易出现问题的部位，他与轴承座接触，直接会影响到轴承座的温度场及应力场，故本文又对比了铸辊端部与中心的温度场及应力场。

图3为铸辊不同位置的温度场，图（a）为铸辊中心部位温度场云图，图（b）为铸辊端部温度场云图。由图可以发现，中心部位横向温度分布均匀，整体上没有差别，端部铸辊，角部温度较低，比中心部位低74℃左右，端部铸辊由中心到角部，温度呈现出递减变化。

4 结语

采用ANSYS有限元软件三维传热模型模拟实际生产条件下水平铸辊的温度场、应力场，分析了铸辊温度、应力的非均匀分布，中心辊和边部辊的不同及表面龟裂产生原因，得出了如下结论：

（1）经过约100min后，铸辊温度达到平衡，横截面呈现出“动态热负荷区”、“静态热负荷区”。铸辊表面各点的温度、应力值随铸辊的旋转而周期性变化，其表面最高温度为484.1℃，最大等效应力为131MPa。（2）对比分析了水平段不同位置铸辊。中间分节辊最高温度比端部分节辊最高温度高74℃；中间分节辊最大等效应力比端部高22MPa。