黎建全，何 博，龍木軍

(1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠，四川 攀枝花 617062；2. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

0 前言

對(duì)于直弧形連鑄機(jī)而言，直線段有利于鋼液中夾雜物的上浮，可以生產(chǎn)質(zhì)量和性能要求更高的鋼種；而彎曲段將迫使鑄坯由垂直彎曲成弧形，并使得連鑄坯產(chǎn)生較大應(yīng)力應(yīng)變[1-3]；此時(shí)，如果彎曲區(qū)域夾持輥列的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)不合理，將對(duì)鑄坯的質(zhì)量產(chǎn)生有害的影響[4-9]。一般而言，二冷彎曲段的彎曲工藝和設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)鑄坯的中間裂紋的產(chǎn)生有著密切關(guān)聯(lián)[10-12]。針對(duì)某鋼廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)在生產(chǎn)某些鋼種時(shí)，存在較為嚴(yán)重的中間裂紋缺陷的問題，分析認(rèn)為除了鋼種本身的高溫凝固行為影響外，連鑄機(jī)二冷彎曲段設(shè)備和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性至關(guān)重要[13-22]。為此，該研究擬運(yùn)用彎曲變形的理論計(jì)算和應(yīng)用彈塑性模型(MSC.MARC軟件)的應(yīng)力應(yīng)變仿真兩個(gè)方面對(duì)某廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)彎曲段的輥?zhàn)优挪荚诓煌摲N和拉速下的合理性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐提供相關(guān)指導(dǎo)。

1 2號(hào)板坯鑄機(jī)彎曲段的主要參數(shù)

某廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)為二冷區(qū)帶直線段的直弧形連鑄機(jī),設(shè)計(jì)年產(chǎn)合格鑄坯100萬噸，足輥段和二冷彎曲段上部為直線區(qū)，二冷彎曲段下部為彎曲區(qū),鑄坯在彎曲段從垂直逐漸彎曲到鑄機(jī)的主半徑。連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)見表1，彎曲段的幾何參數(shù)如圖1所示,彎曲段詳細(xì)參數(shù)見表2。

表1 多點(diǎn)彎曲多點(diǎn)矯直,單流直弧形連鑄機(jī)參數(shù)

圖1 板坯連鑄機(jī)彎曲段結(jié)構(gòu)示意圖

表2 連鑄機(jī)彎曲段參數(shù)

2 彎曲變形率理論計(jì)算

連鑄機(jī)的彎曲段半徑變化是根據(jù)各彎曲點(diǎn)表面變形率相等的原則[11]設(shè)計(jì)的，即鑄坯外弧側(cè)表層金屬的彎曲變形率在各彎曲點(diǎn)都相等。連鑄機(jī)各彎曲點(diǎn)彎曲應(yīng)變6可采用公式[11](1)計(jì)算。

(1)

有研究表明[13]：距離鑄坯表面越近，節(jié)點(diǎn)受到的等效應(yīng)力值就越大，鑄坯變形也最大。因此，為研究彎曲區(qū)域內(nèi)各過渡曲率半徑Ri(i=1,2,…,8)是否能滿足鑄機(jī)設(shè)計(jì)要求，各彎曲輥處的鑄坯凝固殼彎曲變形是否在允許范圍內(nèi)，用外弧側(cè)表層金屬的彎曲應(yīng)變來代替各彎曲點(diǎn)彎曲應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，將x=D/2代入公式(1)，得到公式(2)，從而計(jì)算出從R1到R8各彎曲點(diǎn)的表層金屬變形率[11]。

(2)

將各彎曲半徑和鑄坯厚度帶入公式(2)，計(jì)算獲得各彎曲點(diǎn)處的表層金屬變形率見表3。

表3 彎曲點(diǎn)表面變形率

由表3可以看出，各彎曲點(diǎn)的外弧側(cè)表層金屬變形率幾乎完全相等，也就是說該板坯連鑄機(jī)二冷彎曲段中的鑄坯通過8個(gè)彎曲輥實(shí)現(xiàn)了從垂直方向逐漸被彎曲到8.0 m的主弧形半徑，過渡半徑的設(shè)計(jì)完全滿足了等變形率原則。

通常情況下，鑄坯兩相界應(yīng)變值不得超過0.5%[12,14]，而鑄坯表面在彎曲段中受到的應(yīng)力中，外弧受到最大的彎曲拉應(yīng)力，內(nèi)弧受到最大的彎曲壓應(yīng)力，對(duì)稱軸基本在鑄坯的中心；在外弧方向，越往中心拉應(yīng)力越小。在夾輥與鑄坯接觸的位置附近出現(xiàn)較大的等效應(yīng)力值[13]。

2號(hào)板坯連鑄機(jī)彎曲段各彎曲半徑設(shè)計(jì)，與國(guó)內(nèi)外其它連鑄工程技術(shù)公司在相同機(jī)型的板坯連鑄機(jī)、薄板坯連鑄機(jī)對(duì)彎曲段輥列的設(shè)計(jì)是一致。該設(shè)計(jì)符合等應(yīng)變速率原則。因此，2號(hào)板坯連鑄機(jī)二冷彎曲區(qū)域的輥列設(shè)計(jì)(彎曲半徑、外弧輥在空間上的位置)是比較合理的；加上各彎曲輥之間的間距幾乎相同(212.077 mm)，各輥間鑄坯凝固殼所受到的彎曲變形也基本相同。

3 應(yīng)力應(yīng)變模型的仿真計(jì)算

對(duì)各種結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)力應(yīng)變仿真分析研究手段，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上先后開發(fā)出了大型通用的有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析軟件如ANSYS、ABAQUS、MSC.MARC等，也還有一些專用有限元應(yīng)力分析軟件如CAEARII管道應(yīng)力分析軟件等。其中MSC.MARC軟件是目前應(yīng)用最多的著名商業(yè)軟件之一。

針對(duì)2號(hào)板坯連鑄機(jī)具體情況，運(yùn)用MSC.MARC仿真軟件,建立從結(jié)晶器彎月面到二冷彎曲段的彎曲區(qū)域沿拉坯方向上鑄坯的二維彈塑性應(yīng)力分析模型，對(duì)彎曲段鑄坯凝固過程的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元仿真分析，模擬研究不同鋼種連鑄坯在不同澆注溫度、拉坯速度、冷卻強(qiáng)度工況下，二冷初期彎曲區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變情況。

隨著鋼種、澆注溫度、拉坯速度、冷卻強(qiáng)度的變化，以及連鑄坯受彎曲、拉坯和對(duì)弧不準(zhǔn)等因素影響，其受到的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力是復(fù)雜多變的。在整個(gè)拉坯過程中，鑄坯可能始終或大部分時(shí)間都處于超應(yīng)力極限的受力狀態(tài)，此時(shí)的鑄坯處于非彈性狀態(tài)，屬于非彈性體，因此，在對(duì)凝固初期鑄坯的應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)采用彈塑性來描述鑄坯的受力狀態(tài)。

采用二維應(yīng)力分析數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到正常冷卻強(qiáng)度和25℃過熱度下不同鋼種(Q235G、P510L、L245MB、Q450NQR1)在不同拉坯速度下(1.0 m/min、1.2 m/min、1.4 m/min、1.6 m/min)的彎曲段的各彎曲輥處鑄坯表層的應(yīng)變情況，如圖2、圖3所示。

圖2 同鋼種不同拉坯速度下連鑄坯各彎曲點(diǎn)的應(yīng)變圖

圖3 相同拉坯速度下不同鋼種連鑄坯各彎曲點(diǎn)的應(yīng)變圖

從圖2中可以看出，同一鋼種, 各彎曲輥處鑄坯表層的應(yīng)變隨著拉坯速度的提升有所增加。主要是因?yàn)樵谙嗤鋮s和過熱度條件下，拉坯速度越低，凝固坯殼越厚，抵抗變形的能力也越強(qiáng)。離彎月面越遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)變呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)殡S著鑄坯的延伸，凝固坯殼越厚抗變形能力越強(qiáng)導(dǎo)致的。

從圖3中可以看出，不同鋼種，各彎曲區(qū)域各輥和輥間的應(yīng)變規(guī)律一致，但存在一定差異，這與各個(gè)鋼種連鑄坯在高溫下的彈性極限、塑性模量、高溫?cái)嗔褟?qiáng)度、屈服強(qiáng)度等鋼種力學(xué)性能不同有關(guān)。

不同鋼種，計(jì)算獲得的表層應(yīng)力與應(yīng)變雖有一定的差異，但差異很小。主要是因?yàn)閺澢翁幱谶B鑄機(jī)頭部，二冷前端，此時(shí)二冷初期溫度還很高，坯殼也較薄，因鋼種力學(xué)性能不同造成的抗變形能力的差異還體現(xiàn)不明顯，因此計(jì)算得到不同鋼種的應(yīng)變差異也不大。

從圖2、圖3中可以得知，不同鋼種不同拉坯速度情況下，采用彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型仿真計(jì)算獲得各個(gè)彎曲點(diǎn)表層的應(yīng)變值在0.115%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于冶金理論對(duì)變形的要求，說明該連鑄機(jī)彎曲段輥列設(shè)計(jì)還是合理的。

模型仿真計(jì)算獲得的彎曲區(qū)域的應(yīng)變值較理論計(jì)算獲得的應(yīng)變值要低。分析認(rèn)為彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型仿真計(jì)算獲得的結(jié)果是表層的應(yīng)變，考慮了一定的坯殼厚度的影響，而理論計(jì)算考慮的是表面的應(yīng)變，從理論上說表層應(yīng)變比表面的應(yīng)變要小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過采用應(yīng)變理論計(jì)算公式和彈塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值仿真模型計(jì)算，2號(hào)板坯連鑄鑄機(jī)二冷彎曲段的彎曲應(yīng)變?cè)?.165%以內(nèi)，各彎曲點(diǎn)表面變形率基本相等，彎曲段的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)等彎曲應(yīng)變的要求。因此，2號(hào)板坯連鑄機(jī)鑄機(jī)彎曲段采用8點(diǎn)彎曲，彎曲半徑依次為R1=64 000 mm，R2=32 000 mm，R3=21 300 mm，R4=16 000 mm，R5=12 800 mm，R6=10 700 mm，R7=9 100 mm，R8=8 000 mm，輥列設(shè)計(jì)合理。