连铸机扇形段下框架有限元分析

连铸机扇形段下框架有限元分析

靳月华 彭晓华 青绍平

(中冶赛迪公司炼钢事业部, 重庆 400013)

[摘 要]用通用有限元软件ANSYS 8.0建立了连铸机扇形段下框架有限元模型，分别计算正常浇铸和重拉坯两种情况下下框架的强度与变形情况，为扇形段框架的设计提供依据，可靠性提供保障。

[关键词]连铸机 扇形段 有限元分析 下框架

0 引言

针对国内某钢铁公司连铸机扇形段下框架的设计，使用大型通用有限元软件ANSYS 8.0对框架的强度、刚度进行了计算，为优化框架的设计，提高框架的使用寿命和可靠性提供相应的理论依据。

1 扇形段框架有限元模型建立

位于连铸机结晶器下方的扇形段是板坯连铸机关键组成设备，主要功能[1]是接受来自结晶器具有一定坯壳厚度的铸坯，并对铸坯进行强制喷水或气雾冷却，使坯壳厚度不断增加，最大程度的避免因钢水静压力而引起“鼓肚”或漏钢事故；引导支撑引锭链,防止铸坯变形和引锭链跑偏。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，所以现代板坯连铸机多采用小辊径密排辊辊列布置。每个扇形段包括6对从动辊和1对驱动辊组成。每对驱动辊分别由电机减速机驱动，且上驱动辊由油缸驱动，可升降。上下框架之间通过4根连杆相连接，并通过4个液压缸的驱动实现上下框架之间的相对运动，从而实现上下扇形段的夹紧和松开。

连铸机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，且框架长期处于高温和水蒸气的恶劣环境下工作，因此要求有足够的强度和刚度，其冷却水路的密封性能要好，使用寿命要长。

扇形段框架的强度和刚度也影响连铸机的对弧精度[2，3]，这就要求该框架的刚性必须保持连续。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，但热态下框架产生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，严重时甚至导致漏钢事故。

1.1基本参数

连铸机扇形段框架采用Q345-B板材焊接制造，在ANSYS有限元模型中，取基本材料参数如下表1。

表1 材料性能参数

材料密度(kg/m3)弹性模量(MPa) 泊松比

Q345-B7850 2.1×105 0.3

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向为铸流出坯方向；Z向为厚度方向。

1.2模型简化

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25 mm。

框架主要由板筋件焊接而成，因此必须对小

于25 mm 的结构进行简化处理：

1)模型没有考虑温度影响； 2)框架模型没有考虑轴承座；

3)焊缝性能高于母材，而绝大多数焊缝都小于25 mm，本文模型采用先不考虑焊缝进行计算，这必然在尖角位置带来应力集中。如果模型计算出应力超标，再对该位置考虑焊缝，进行子模型分析，这样才能真实地反映该位置的应力状态。

4)在模型中，去掉水管、水管座、螺栓、孔等对结构强度影响甚微的因素；

5)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。 1.3框架受力分析

1)鼓肚力

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：

3max (2)10()

i i g i FDK r H S B S kgf −=⋅⋅−⋅

式中，r 为钢水比重(r ＝7.0 g/cm 3

)；i H 为第i 个导辊处钢液面高度(cm)；S g 为铸坯厚度中心线上两辊距之和的一半(cm)；B max 为板坯最大宽度(cm)；S i 为第i 个导辊处的坯壳厚度(cm)。

2)拉坯阻力

拉坯阻力R 按下式计算：

B R N R R R R =++

鼓肚阻力B

R (相当于车轮在红坯钢轨上的滚

动摩擦阻力)：

0.52

B R =×

在上式中，0.5为与实测值比较给出的修正系数；FDK 为鼓肚力；A R E A 为钢水静压力修正系数，对板坯连铸取1；δ为鼓肚量；D r 为内外弧辊子平均直径cm，内外弧辊子都为275，该值取275。

鼓肚力产生的轴承旋转阻力R r ：

01

0()

Z Z u R r r u D D F D K

R A R E A D D µ=+

式中，1

µ为轴承的摩擦系数(取0.01)；

Z D

Z u

D

为内外弧辊子轴承的相当直径(cm)。 对整体而言：

000.41 1.64

Z r D D =−，

0.41 1.64

Zu ru D D =−；

对分节而言：

000.52

Z r D D =−，0.52Zu ru D D =−。 油封阻力N

R ，取80 kgf/轴承。

3)拉坯力

板坯连铸机带液芯拉坯时，钢水静压力所产生的鼓肚力使坯壳外部与驱动辊之间形成摩擦，是拉坯力能够作用于板坯的基本条件。也就是驱动辊对液相板坯的驱动力取决于鼓肚力。即拉坯力的大小不取决于电机功率的大小。但实际拉坯力很难精确计算。同时还要考虑在重拉坯时能够将铸坯拉出，为安全，对于拉坯力，按照驱动电机的最大出力计算。其中电机效率η＝0.85，过载系数取1.5计算。

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。

根据二维AutoCAD 设计图，在ANSYS 中建立扇形段9号段下框架的几何CAE 模型，并进行网格划分，模型选用25 mm 六面体Soilid45单元，模型共有158052个单元。网格划分结果及约束加载情况如图1。

图1 9号扇形段下框架有限元模型

2 计算结果分析 2.1刚度分析