连铸板坯鼓肚有限元分析

章裕琳，石林波，何保卫

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710000；2. 广西盛隆冶金有限公司，广西 防城港 538000)

0 前言

鼓肚指铸坯在凝固过程中，在钢水静压力作用下，凝固壳上产生的向外鼓胀成凸面的现象。鼓肚会加重中间偏析和内部裂纹等缺陷，若不加以控制，严重将会导致漏钢。因此，连铸板坯的鼓肚变形分析对于连铸机的设计和实际生产具有重要的意义[1-4]。

本文建立了板坯连铸凝固传热的有限元模型，应用ANSYS有限元软件，采用二维“切片法”[5-6]，得出任意时刻任意位置板坯切面的温度场。在此基础之上，把凝固仿真得到的温度场作为初始条件，建立了鼓肚变形三维有限元模型，研究了板坯的鼓肚变形规律，分析了主要工艺参数对鼓肚的影响，为连铸机的设计和实际生产中工艺参数的选定提供一定的参考。

1 板坯连铸凝固传热的有限元分析

以某钢厂直弧形板坯连铸机为研究对象，铸坯断面1000 mm×230 mm，钢种为Q235，拉速为1.5 m/min，结晶器高度为900 mm。

在对连铸过程进行合理假设基础上，对传热微分方程和边界条件进行简化，将铸坯传热简化为二维传热问题[7-10]，建立了板坯凝固传热的有限元模型，如图1所示。本研究用时间来控制边界条件的施加，截面在结晶器、二冷区、空冷区施加不同的边界条件[11-15]，用非稳态的计算方法来模拟铸坯的这个稳态过程。

图1 板坯凝固传热有限元模型

通过对ANSYS结果数据的后处理，得到铸坯宽面中心坯壳厚度随距离弯月面距离的曲线，如图2所示。

图2 铸坯凝固状态图

2 板坯连铸凝固鼓肚变形有限元分析

为简化计算，建模做如下假设和简化：

(1)铸坯温度只考虑厚度方向的变化；

(2)钢的高温力学性能仅是温度的函数；

(3)把液芯简化为空腔，钢水静压力作用于空腔内壁；

(4)考虑到结构和边界条件的对称性，取两辊间铸坯的1/4建模；

(5)以宽面中心的坯壳厚度作为鼓肚模型的坯壳厚度；

(6)辊子为刚体。

板坯连铸鼓肚有限元模型如图3所示。鼓肚一般出现在坯壳厚度较薄处，本文以直线段最后一对辊子间的铸坯为研究对象。辊距为240 mm，辊径为200 mm，坯壳厚度为25 mm。

图3 鼓肚变形有限元模型

3 连铸板坯三维鼓肚仿真结果及分析

3.1 鼓肚变形量

图4、图5所示的是板坯的X向和Y向鼓肚变形量云图，由图4、图5可以得出：板坯X向和Y向最大鼓肚变形量分别为0.03 mm和0.4 mm，且在铸坯窄面和宽面中心处。

图4 鼓肚X向变形

图5 鼓肚Y向变形

模拟结果与采用经验公式[16]计算的结果基本一致。

以Y向鼓肚变形最大点为分析对象，研究其Y向的等效应力、鼓肚变形量与时间的关系，如图6、图7所示。

图6 等效应力与时间关系

图7 Y向鼓肚与时间关系

由图6可得，该点的最大等效应力为2.3 MPa，小于该点的屈服应力5 MPa[17]，因此该点在弹性变形阶段。

由图7可得，弹性变形和高温蠕变引起的鼓肚量分别为0.1 mm、0.31 mm。因此，鼓肚变形主要是由高温蠕变引起的，这与文献[18-19]运用解析法得到的结论是吻合的。

3.2 主要参数对鼓肚的影响

影响鼓肚变形的因素很多，主要有浇铸速度、辊径、辊距、钢水静压力等，本文重点探讨浇铸速度和辊距对鼓肚的影响。

3.2.1 辊距对鼓肚的影响

在拉速为1.5 m/min，浇铸温度为1542 ℃的条件下，以固液分界面上宽面对称中心点为研究对象，改变辊距，分别模拟了辊距为280 mm、260 mm、240 mm时的鼓肚变形，如图8所示。其中Z为拉坯速度方向的坐标，L为辊距。

图8 辊距对鼓肚的影响

由图8可看出，辊距对鼓肚的影响十分明显。当辊距由280 mm变为240 mm，最大鼓肚量由1.7 mm减小到0.4 mm。因此，连铸机设计多采用小辊距来防止鼓肚变形。

3.2.2 拉速对鼓肚的影响

在拉速为1.5 m/min，浇铸温度为1542 ℃的条件下，分别改变拉速为1.4 m/min、1.3 m/min，由凝固仿真可得到对应的铸坯的表面温度、坯壳厚度以及蠕变时间，如表1所示。

表1 不同拉速下的参数

图9给出了拉速对鼓肚的影响。由图9可以看出，拉速由1.3 m/min增加到1.5 m/min，最大鼓肚量由0.38 mm增大到0.42 mm。拉速提高，最大鼓肚变形量增大，但拉速对最大鼓肚量的影响不明显。

图9 拉速对鼓肚的影响

因此，要有效控制鼓肚变形，必须设计合适的辊距，制定合理的工艺制度，匹配稳定的拉坯速度和钢水过热度[19-20]。

4 结论

(1)用“切片法”对板坯连铸凝固过程进行了有限元仿真，得到了铸坯的温度场，进而得到了铸坯的坯壳厚度；

(2)在板坯连铸凝固仿真的基础上，建立了鼓肚变形有限元模型，采用ANSYS隐式计算蠕变方程，得到了铸坯鼓肚变形最大处都在宽面和窄面的中心处，且蠕变变形是引起鼓肚变形的主要因素,仿真结果与理论计算是相吻合的；

(3)分析了辊距和拉速对鼓肚的影响，为辊列设计和工艺参数的选择提供了一定的参考。