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
计算结果表明，正常浇铸时，下框架厚度方向(UZ)的变形，驱动辊所在位置立板变形最大，该位置在驱动辊中间轴承座与立板连接处，其大小为-0.199 mm。

非驱动辊立板中部位置也出现最大位移，大小为0.191 mm。

框架外最远端上翘为0.228 mm。

重拉坯时，下框架在UZ 方向变位的最大值为-0.31 mm，位置在非驱动辊立板中部。

驱动辊立板中部变形最大，大小为0.33 mm。

框架外最远端上翘为0.387 mm，如图2所示。

正常浇铸时，驱动辊与非驱动辊立板变形相差较小，主要由于鼓肚力相差较小。

重拉坯时驱动辊立板变形比正常浇铸时要大，主要是由于矫
直反力大于鼓肚力导致。

图2 下框架UZ 方向变形
图3 下框架UY 方向变形
如图3所示，在正常浇铸时，由于拉坯力的作用，出坯方向-UY 方向出现最大位移，大小为-0.585 mm，位置同样在驱动立板中间位置。

驱动辊两端部轴承座与立板连接位置出现局部变形，其大小为0.315 mm。

非驱动辊立板中间位置，UY 方向局部变形较小为-0.11 mm。

重拉坯情况下，由于拉坯力的作用，在出坯方向-UY 方向出现最大位移，大小为-0.708 mm，位置在驱动辊立板连接的中间位置。

驱动辊两端
部轴承座与立板连接位置出现局部变形，其大小为0.373 mm。

非驱动辊轴承座与立板连接位置，UY 方向局部变形为-0.12 mm。

综上所述，驱动辊所在立板变形大，这主要由于拉坯力作用导致。

扇形段辊子对弧精度为0.3 mm，除驱动辊立板-UY 方向变形稍大外，正常浇铸时，非驱动辊立板、驱动辊立板UZ 和-UY 方向变形均小于0.3 mm，因此，从计算结果分析该框架设计满足刚度设计要求。

2.2强度分析
如图4所示为重拉坯条件下9号段下框架应力云图，框架整体最大等效应力值为259 MPa，最大等效应力点在驱动辊所在立板与端板的连接处。

驱动辊所在立板受载荷比非驱动辊大，故驱动辊所在立板应力水平高，与轴承座连接位置应力大，应力水平大约100 MPa。

(a)重拉坯
(b)正常浇铸
图4 下框架等效应力
(转第50页)
宽度方向
－0.5 00.5
驱正
驱重
非正
非重
－1
0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8
U Y 变形(m m )
员亲临现场欣赏。

经IMAX公司专业技术人员当场测试，放映效果已达到IMAX公司预期的要求。

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少年宫IMAX球幕影院的建成已有了显著的环境效益、经济效益和社会效益。

希望通过本文的阐述，可以为以后类似工程的设计提供借鉴和参考。

参考文献
1 蔡镇钰 .建筑设计资料集(4)[M].北京：中国建筑工业
出版社，2003,07
2 中华人民共和国公安部 .高层民用建筑设计防火规范
(GB50084-2001)(2005年版)[S].北京：中国计划出版社,2005.09
3 韩占先等编写 .自动喷水灭火系统设计规范(GB50045-
95)(2005年版)[S].北京：中国计划出版社,2005.09
4 王季卿等编写 .剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学
设计规范(GB/T50356-2005)[S].北京：中国计划出版社,2005.09.
(收稿日期：2007-12-04)
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(接第44页)
子的连接采用的是板铰，也就是用 A 级螺栓连接的，与固接有细微的差异；B端假定是不动铰，但实际上新建主厂房箱形托梁的横向是靠安全挡块阻止滚轴滑移的，与不动铰支座还是有些出入。

这些问题还有待于实践检验并进一步完善。

该工程已于2007年9月投产，新建主厂房D 列、17行上角拄、箱形托梁、箱形截面深梁、滚动支座、旧有主厂房吊车梁、钢筋混凝土柱等结构均使用正常。

本文在撰写过程中得到资深专家董奇石的悉心指导，并提出了不少宝贵意见，在此表示衷心感谢！
(收稿日期：2008-02-29)
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而正常浇铸时，驱动辊所在立板与端板位置处出现应力峰值，其大小为163 MPa。

在立板与轴承座连接部位，应力作用区域较重拉坯减小。

框架材质为Q345,重拉坯和正常浇铸时最大应力值均没有超过材料屈服极限。

且框架立板的总体应力水平在60 MPa～80 MPa以下。

说明下框架设计满足强度要求。

3 结论
本文通过有限元法建立了扇形段下框架的有限元模型，通过计算表明，该扇形段框架设计满足强度设计要求，除驱动辊立板变形较大以外，可以适当增加驱动辊立板的刚度。

有限元计算方法，在扇形段的合理设计过程中发挥重要作用，已成为现代工程设计中必不可少的重要手段。

参考文献
1 罗振才 .炼钢机械[M].北京：冶金工业出版社,1999
2 周志岳 .板坯连铸机扇形段框架有限元分析的计算机
模拟[J].包头钢铁学院学报,1993 (3)63-67
3 刘赵卫 .大方坯连铸机活动段框架分析及改进[J].重
型机械, 2008(1):53-56
(收稿日期：2008-03-31)。