电工圆铝杆连铸结晶轮壁厚优化研究

王亮

摘 要：电工圆铝杆生产中结晶轮起着非常重要的作用，而热应力是结晶轮使用寿命的影响因素之一。在对电工圆铝杆连铸结晶轮进行壁厚优化时，需基于有限元分析法，对结晶轮温度场进行热力耦合模拟分析，进一步结合结晶轮壁厚优化原理和方法，对电工圆铝杆连铸结晶轮壁厚进行优化。本文以四轮水平垂直式浇铸连铸机为例，主要通过介绍电工圆铝杆连铸结晶轮的结构与功能，对其进行ANSYS热应力耦合模拟分析，科学对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸结晶轮壁厚进行优化。

关键词：Φ9.5mm；电工圆铝杆；结晶轮；壁厚优化

中图分类号：TF123 文献标识码：A

0.前言

结晶轮使用周期会对电工圆铝杆连铸连轧生产过程产生影响。正常条件下，结晶轮使用周期为2500t左右，但由于Φ9.5mm电工圆铝杆在连铸、连轧生产过程中，结晶轮整体本身及结晶腔表层所要承受的温度分别在300℃左右。因此，在较大温差的恶劣环境下工作，就会使其出现疲劳损伤、裂纹和变形等结构性缺陷，最终会严重影响Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧生产工艺，主要表现为铸锭不合格、咬锭和夹锭及出锭不顺。

1.Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮介绍

结晶轮是Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧生产的重要设备之一，为保证Φ9.5mm电工圆铝杆轧制质量，须严格遵循连续轧制秒流量相等原则。为了便于脱模，轧机要采用延伸孔型，粗轧首机架孔型宽高比不能过大，交界面圆滑过渡，不能有飞边，铸坯断面形状为梯形锭。通常考虑铝液凝固冷却方式和电工圆铝杆连铸工艺的连续性，结晶轮呈圆环状，其断面形状为“M”型。在驱动装置作用下，结晶轮与钢带共同形成结晶腔，连续旋转，以此实现对铸坯连续铸造。

四轮水平垂直式浇铸连铸机由结晶轮和3个张紧轮组成，结构简洁、布局合理。但在铸造过程中，容易制造电工圆铝杆连铸结晶轮不仅需承受较大的铸坯摩擦力、旋转驱动力，且还要承受较高温度，从而会产生机械应力和循环热应力，故结晶轮须具有较强的抗疲劳性和耐高温性及刚度和强度。

2.基于ANSYS DX的Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮热力耦合

2.1 构建ANSYS DX的Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮热力耦合有限元模型

在有限元模型构建前，首先需确认热分析属于非线性分析；其次，需对材料热传导系数、泊松比和弹性、模量及密度等参数进行定义。在此基础上，对网格要素科学设置，并合理划分网格，生成基于ANSYS分析的有限元模型。

建立模型后，需结合连铸装配体具体形状，对电工圆铝杆连铸结晶轮有限元模型进行结构简化，将其划分为包括钢带、铜壁层和坯壳层在内的单元。因电工圆铝杆连铸过程温度均匀、稳定。因此，可将这一连铸过程视为稳态传热过程。与此同时，将冷却水和坯壳层分别等效为喷淋水对流载荷及纯粹的温度载荷。在网格划分时，电工圆铝杆连铸结晶轮分别选择6面和4面体实体单元进行划分，最终共得到 22375 个实体单元和41021个网格节点。

2.2 对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮热力耦合温度场有限元加载和求解

分别对有限元模拟分析过程中的温度和约束性条件进行分析确定，指定温度和约束性条件施加阶段选项，然后对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮热力耦合温度场有限元加载和求解。

将Φ9.5mm电工圆铝杆连铸结晶轮其中一个侧面设定为约束面，结合电工圆铝杆连铸加工现场实际情况，利用型号为STH1513、温度范围在150℃～1300℃、距离系数为75∶1的红外线测温仪，对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮各点温度均值进行确定，并将温度均值作为载荷施加到ANSYS有限元模型中。通过在结晶轮中设置24个测点并循环测试，共得到24组温度值，循环测量精度为1℃，其中，温度max=700℃，温度min=150℃，温差达550℃。

2.3 对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮热力耦合温度场分布求解

在Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧现场，内、外冷喷淋水无调节装置，结晶轮各个部位均匀冷却。为了减小结晶轮冷却时的应力变化，分别采用分段冷却方式和均匀冷却相结合的方式对结晶轮温度场/喷淋水对流加载情况、温度荷载等进行分析。

3.Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮壁厚优化

通过有限元仿真模拟分析结果可知，在均匀冷却条件下，Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮等效应变最大值、最小值分别为0.047102m和3.1946e-5m，等效应力最大值和最小值分别为5.1812e9Pa和3.514e6Pa，整体变形最大值和最小值分别为0.00948m和0m，Y方向变形最大值和最小值分别为0.00610m和-0.000826m；在分段冷却条件下，Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮等效应变最大值和最小值分别为0.047147Pa和3.1159e5Pa，等效应力最大值和最小值分别为4.1862e9m和3.4275e6m，整体变形最大值和最小值分别为0.009515m和0m，Y方向变形最大值和最小值分别为0.00614m和0.000899m。

根据这一仿真结果，不难看出温度变化梯度较小的分段冷却方式和充分释放Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮自由度都可减小其热应力。因此，在对Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮壁厚进行优化改造时，须结合上述模拟数值对结晶轮内冷却管路进行适当优化改造，达到对结晶轮各个部位冷却强度值优化调整的目的。具体如下：

（1）结合实际生产过程，通过ANSYS DX的DOE程序，利用RS分析模块输入参数P1、P2对结晶轮壁厚进行优化，本次优化原则是不改变结晶轮所用材料和结构形式，令初始优化变量分别为L11、L12，其中L11=20mm，L12=20mm，然后将初始变量L11增加5.17mm，L12减小1.03mm。

（2）将结晶轮内冷却管路由原整圈圆管加鸭嘴形喷嘴改造为整个周围均为分布8个弧形的水盒结构。

（3）为了加大水盒的喷水量和避免水流堵塞，需在每个水盒中加工1mm的水缝。

（4）调整每个水盒进水阀门开度，铝液浇筑处为1/3，沿着结晶轮旋转方向依次将每個水盒进水阀门开度分别调整为2/3、全开，剃锭处、空行程段水盒进水阀门开度分别调整为2/3和1/3，然后逐渐全关闭。

（5）通过对结晶轮分段冷却水盒进水阀门进行开度调整，有效减少Φ9.5mm电工圆铝杆连铸连轧结晶轮温度变化梯度，同时满足了铸锭生产工艺要求。

（6）因结晶轮外冷却钢带较薄，对冷却方式非常敏感。因此，要对其内、外冷却强度进行调整。其中，内冷却水量和水压分别控制在40 t/h、0.4 MPa～0.5MPa，外冷却水量和水压分别控制在20 t/h、0.4 MPa～0.5MPa。

（7）通过原螺栓直联内外转盘固定结晶轮，并将其改造为拨块驱动；同时，对结晶轮侧面自由度充分释放，改造前后Φ9.5mm电工圆铝杆连铸结晶轮构造。

结语

实践表明，通过改造、优化后的Φ9.5mm电工圆铝杆连铸结晶轮壁厚设计变量L11 =25.17mm，L12 =18.97 mm。在同等技术条件下，与改造前相比，结晶轮微裂纹产生延迟约260 t，槽口变形量减少约2 mm，结晶轮使用寿命延长约20%，有效保证了铸坯质量和降低了电工圆铝杆连铸连轧温度热应力，达到了预期改造、优化目的。

参考文献

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