钢板坯铸机扇形段在连铸动态轻压下受力分析

于燕

摘 要：钢铁是国家发展的工业基础，经济的快速发展离不开各类钢铁制品的有力支撑。新时期工业的发展、基础设施的建设需要大量的型钢、型材。不锈钢板材是一种在生产、生活领域中应用十分广泛的材料，在不锈钢板材的轧压生产过程中容易产生中心偏析、疏松等的问题。连铸动态轻压技术是一种在不锈钢板材生产过程中，通过动态跟踪监测不锈钢铸坯凝固的进程，并通过向不锈钢铸坯动态施加一定的机械外力，用以使得不锈钢铸坯末端两相区的凝固体的收缩能够得到一定程度的弥补，提高不锈钢铸坯的铸造质量。文章在分析连铸动态轻压技术特点的基础上对连铸动态轻压技术应用过程中扇形段的受力进行模拟分析。

关键词：连铸动态轻压技术；扇形段；受力；模拟分析

中图分类号：TF777.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0107-03

Abstract： Iron and steel is the industrial foundation of national development， and the rapid development of economy can not be separated from the strong support of all kinds of iron and steel products. In the new period， the development of industry and the construction of infrastructure need a large number of sections. Stainless steel plate is a kind of widely used material in the field of production and life that is easy to produce central segregation and porosity in the process of rolling and pressing stainless steel sheet. Continuous casting dynamic light reduction technology is a kind of dynamic monitoring of the solidification process of stainless steel billet during the process of production of stainless steel sheet and the application of certain mechanical external force to stainless steel billet dynamically to make the stainless steel billet. The shrinkage of the solidified body in the two-phase zone at the end can be compensated to a certain extent to improve the casting quality of stainless steel billet. On the basis of analyzing the characteristics of continuous casting dynamic light reduction technology， this paper simulates and analyzes the force acting on sectors in the process of application of continuous casting dynamic light reduction technology.

Keywords： continuous casting dynamic light reduction technology； sector section； force； simulation analysis

连铸动态轻压技术是一种应用于不锈钢板坯轧制加工的重要技术。在不锈钢板坯轧制加工中受自身重力等因素的影响在不锈钢板坯的末端两相区会产生较为严重的凝固体收缩问题进而产生较为严重的中心偏析与疏松，从而影响不锈钢板坯的生产加工质量。通过将连铸动态轻压技术应用于不锈钢板坯的生产加工中，通过在不锈钢板坯生产加工中向不锈钢板坯凝固末端施加一定的机械力用以增强不锈钢板坯的抗中心偏析和抗疏松的能力，提高不锈钢板坯的生产质量。长期以来，连铸动态轻压技术因其在不锈钢板坯生产加工中的重要作用及其技术复杂使得我国加快了对于连铸动态轻压技术的研究和应用，在加强连铸动态轻压技术国外引进的同时积极做好连铸动态轻压技术的吸收和应用努力使其国产化。

1 不锈钢板坯铸机扇形段受力分析

某型号不锈钢板坯铸机生产有160mm、200mm、220mm三种厚度规格的不锈钢板坯，生产的不锈钢板坯铸的宽度达到了800-1600mm。不锈钢板坯铸机设计半径为9m其内部共设计有11个扇形段，不锈钢板坯铸机内采用了连铸动态轻压技术，通过对所生产的不锈钢板坯凝固进程进行持续的测量并计算出所需要施加的机械力，通过机械、液压系统的所构成施力机构完成对于不锈钢板坯的连续轻压。在不锈钢板坯的生产加工中，不锈钢板坯在不锈钢板坯铸机扇形段上下夹棍的夹持下持续前进，不锈钢板铸坯在这一过程中受力复杂（承受着来自于液芯钢水的静压力、拉矫机所产生的矫直力以及夹棍所产生的拉坯力等）。这些力共同作用于不锈钢板铸坯，不锈钢板铸坯在承受外界力的同时也会对不锈钢板坯铸机中的扇形段产生一定的反作用力，这些反作用力将直接作用于不锈钢板坯铸机上，因此要求不锈钢板坯铸机扇形段的框架与夹棍需要具有足够的强度以确保不锈钢板坯铸机能够持续、稳定的产生辊缝，对不锈钢板铸坯实施连续的轻压力，不锈钢板坯铸机在持续轻压的过程中会受到复杂作用力和不锈钢板铸坯高温的持续影响，应当做好不锈钢板坯铸机扇形段的受力分析与结构设计，确保其能够具有足够的强度和使用寿命。某型号的不锈钢板坯铸机所产生的连铸动态轻压主要通过位移传感器进行位置测定，用以控制4个液压缸的上下移动来夹紧上下框架。液压控制系统主要由比例伺服阀、通断阀等液压阀所组成分别控制向4个液压缸的油腔进油。通过對不锈钢铸坯进行动态测量来动态调节不锈钢坯铸机夹棍辊缝的开度，通过连续动态轻压技术的应用取代了以往采用定距块的控制方式从而能够更好的对不锈钢铸坯的轧制厚度进行控制，提高不锈钢铸坯的生产质量。不锈钢坯铸机所采用的传感器精度能够达到±0.01mm的分辨精度，冷态辊缝的控制精度误差可以控制在±0.1mm的精度内。在对不同厚度的不锈钢铸坯进行轧制时采用连铸动态轻压技术的不锈钢坯铸机能够快速自动调整到位，大幅提高了调整速度。不同于人工调整定位块需要耗费大量的时间且对于不锈钢铸坯的控制进度仅仅只能达到采用连铸动态轻压技术不锈钢坯铸机的一半。在采用连铸动态轻压技术的不锈钢板坯铸机进行作业时需要确保不锈钢板坯铸机中的扇形段具有足够的强度。这是由于如若不锈钢板坯铸机中的扇形段强度不足将使得扇形段在动态轻压过程中会在轻压力的作用下产生一定的变形，而这些变形的存在将容易导致不锈钢板铸坯出现鼓肚或是无法达到所要求的辊缝等的问题进而无法达到轻压下的目的。因此在不锈钢板坯铸机采用连铸动态轻压技术时需要对不锈钢板坯铸机中的扇形段进行受力分析，并在完成对于扇形段受力分析的基础上模拟分析扇形段的变形情况，并通过对液压缸的下移量进行一定的动态补偿用以控制夹棍的辊缝能够达到所需要的开度。

不锈钢板坯铸机扇形段的受力分析如下：在不锈钢板坯铸机作业时扇形段将会受到不锈钢水静压力所引起的反作用力。在进行计算时将采用任意两辊间钢水静压力对夹棍的作用模型来进行相关受力分析与计算，计算可以采用材料力学中计算两端固定等截面梁受均匀分布载荷（不锈钢水将压力）来完成对于不锈钢板坯铸机扇形段所受夹棍力的计算。计算中可以选用公式（1）。

Fi=？籽ghili（？覣-2K■） （1）

在公式（1）中，？籽表示钢水的密度，hi表示不锈钢坯铸机中的第i处夹棍相对于钢液面的高度值，li表示的第i处对夹棍的辊间距，？覣表示的不锈钢铸坯的宽度等。

在计算不锈钢板坯铸机扇形段受力时所采用的辊列计算模型为粘弹性梁模型，这一计算模型在传统的纯蠕变模型的基础上也对铸坯的弹性模型进行了充分的考虑。此外，所采用的粘弹性梁模型中也加入了由于不锈钢水液芯的存在所引起的弯曲矫直力直接作用在铸坯侧面坯壳上的这一事实，通过在计算中加入了“硬壳”模型，从而使得计算的结果更加的合理。此外，在不銹钢板坯铸机扇形段动态下压的过程中，不锈钢板坯铸机扇形段还将受到铸坯变形所产生的变形力。可以通过平辊轧制理论来推导轻压下过程中作用于辊子上的力，以下列公式进行计算推导。

P=？滓2？啄■

？驻h为压下量；Q为压下速率；l为辊间距

？驻h=Ql

2 不锈钢板坯铸机动态轻压过程中扇形段变形量的建模分析

不锈钢板坯铸机具有多个扇形段，且在生产过程中各不同位置的扇形段所受到的作用力也差异较大，加之扇形段的结构较为复杂仅仅依靠简单的弹性变形计算难以完成不锈钢板坯铸机扇形段变形量的分析计算。为更好的对不锈钢板坯铸机作业过程中扇形段的变形量的计算需要对不锈钢板坯铸机扇形段的受力使用ANSYS软件进行建模分析。

使用ANSYS软件完成对于不锈钢板坯铸机扇形段受力的建模：在使用ANSYS软件对不锈钢板坯铸机扇形段的受力进行建模时需要根据不锈钢板坯铸机扇形段的设计图建立起三维实体模型。模型尺寸原则上需要按照设计尺寸，但是考虑到建模单元的划分在不影响实际计算结果的情况下可以省略以下部分：（1）不锈钢板坯铸机扇形段上的轴或板的倒角。（2）焊缝。（3）螺栓孔及定位销孔。（4）对于液压油缸施力部分可以将液压油缸的拉杆与上框架油缸杆之间视为固结体。

不锈钢板坯铸机扇形段建模计算时的边界条件：（1） 不锈钢板坯铸机下框架底部的4个地脚螺栓位置，其中的一个在三个方向全约束，其对角位置则仅仅约束Z向位移，另外的两个地脚则对YZ和XZ方向的位移进行约束。（2）截取与不锈钢板坯铸机扇形段长度相当的一段坯壳来作为计算建模模型的一部分，截面上施加Z向的微机对称边界条件。坯壳内表面承受的面压力载荷则可以根据该扇形段所处的位置来进行建模分析计算。（3）在不锈钢板坯铸机扇形段上7对夹棍与铸坯之间建立30个接触对，铸坯对上下框架的载荷分别通过对其与连接辊之间接触面来进行传递。（4）拉杆底部节点与下框架脱离，但通过约束其Y方向的位移dy来实现不锈钢板坯铸机扇形段压下量的设置。

建模计算结果分析：在不锈钢板坯铸机扇形段向钢水施加连续的动压力时，钢水将会向不锈钢板坯铸机扇形段施加一定量的反作用力，不锈钢板坯铸机扇形段将会在复杂作用力的作用下产生一定的变形，尤其是在不锈钢板坯铸机的4根连接上下框架的连杆上变形最为明显，这些变形量的存在将使得不锈钢板坯铸机扇形段的开度变大，由于变形的影响将使得钢水的静压力无法全部传递至不锈钢板坯铸机的上框架上而是由不锈钢板铸坯两侧的坯壳来进行承受，从而减小了铸坯与夹棍之间的作用，这一问题的存在将反过来减小不锈钢板坯铸机框架和拉杆的变形，减小了辊缝的开度。这一过程是一个动态调整动态平衡的过程。使用ANSYS所建立的模型能够对这一不锈钢板坯铸机扇形段的平衡力进行计算从而可以得出不锈钢板坯铸机扇形段在各种复杂工况条件下所产生的变形量。在应用连铸动态轻压技术时将依据计算变形量来对各不锈钢板坯铸机扇形段进行动态补偿。

通过对不锈钢板坯铸机扇形段变形量进行分析并将连铸动态轻压技术应用于不锈钢板坯铸机上后对所铸出的不锈钢铸坯的低倍样进行了分析，发现不锈钢板铸坯的中心偏析都得到了一定的改善且不锈钢板坯铸机扇形段的变形都得到了良好的补偿，提高了不锈钢板铸坯的生产质量与生产效率。

3 结束语

连铸动态轻压技术在不锈钢铸坯的生产过程中有着极为重要的应用效果。本文在分析不锈钢板坯铸机动态轻压过程中扇形段所受变形力与变形量的基础上设计了一种新型不锈钢坯铸机，通过模拟分析不锈钢坯铸过程中扇形段的变形量，将其施加于轻压过程中扇形段的动态补偿。通过对连铸动态轻压后生产的不锈钢铸坯的厚度进行实测发现铸坯的厚度与设定值的误差控制在0.5mm以内，且使用连铸动态轻压后铸坯的C、S中心偏析明显降低，铸坯的质量得到了较为明显的提高。

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