板坯连铸机扇形段强度和刚度分析

板坯连铸机扇形段强度和刚度分析

秦文彬¹， 胡玉梅²， 刘 芳¹， 曾 珊¹

(1．中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆400013；2．重庆大学，重庆．400030)

摘 要：根据板坯连铸机扇形段的载荷情况，对扇形段进行整体建模，运用有限元方法对扇形段的强度和刚度进行分析和计算，同时考虑在生产过程中高温铸坯对扇形段变形量的影响，为扇形段的设计提供了重要依据。

关键词：板坯连铸机；扇形段；强度；刚度

扇形段是板坯连铸机的一种重要设备。液态的钢水在结晶器中形成一定厚度的初生坯壳，通过弯曲段的弯曲进入弧形扇形段，然后在矫直扇形段中进行矫直，最后经过水平扇形段将完全凝固的铸坯输送出连铸机。在此过程中，铸坯在扇形段中进行冷却，坯壳不断增厚，直至完全凝固。

在生产过程中，扇形段的辊缝精度对铸坯的质量有着重要的影响。在现代板坯连铸机中，为了提高铸坯质量，轻压下技术在板坯连铸机中得到了广泛的运用。轻压下量的控制，是实现轻压下技术的重要手段，因而对扇形段的强度和刚度提出了更高的要求，同时扇形段的变形量的确定对轻压下辊缝精度的控制有着重要作用。

1 扇形段的载荷情况

在生产过程中，铸坯在扇形段中由7对辊子支撑(其中1对辊子为驱动辊)，驱动辊对铸坯进行驱动；辊缝夹紧液压缸通过扇形段上下框架对铸坯进行夹紧，在实施轻压下时夹紧液压缸对铸坯进行动态轻压下。

扇形段受力包括铸坯的鼓独力、辊子的旋转阻力、拉坯力(即驱动辊驱动力)、轻压下时铸坯的反力和辊缝夹紧液压缸的夹紧力。

为了使扇形段的受力与实际情况更加吻合，使扇形段的强度和刚度分析更为准确，在扇形段的整体建模中考虑夹持整块坯料，夹紧液压缸的夹紧力与各辊子上自动产生的支反力为一对平衡力，如图1所示。同时为了能够计算在最大载荷时扇形段的强度和刚度，夹紧液压缸按额定压力考虑，拉坯力按电机的额定输出力矩考虑。

根据扇形段使用的实际情况，扇形段下框架进口侧耳轴在χ、y、z两个方向施加约束，出口侧耳轴在z方向施加约束，释放χ、y两个方向的自由度。

2 扇形段有限元模型的建立

由于整体扇形段结构复杂，同时考虑模型的计算规模和计算精度，对模型进行以下处理：

1)将扇形段框架上的水管等对扇形段强度和刚度影响很小的次要结构，省略掉；

2)将辊子的轴承和轴承座作为一体考虑，将辊子轴承座与扇形段框架的支撑底座作为一体考虑；

3)扇形段上驱动辊升降梁与扇形段上框架之间的滑动采用藕合来模拟处理。

为了使扇形段的有限元分析与实际情况吻合，采取扇形段整体建模，网格按30 mm的六面体单元进行划分。整个扇形段模型包括上框架、下框架、上驱动辊升降装置、1对驱动辊、6对自由辊和四套辊缝夹紧装置。扇形段整体有限元模型如图2所示，总共有294 982个单元，156对接触。

3 扇形段的强度分析

采用整体有限元分析的方法，对扇形段的应力进行分析。图3为扇形段上框架应力分布云图；图4为扇形段下框架应力分布云图；图5辊缝调节装置螺纹连接应力分布云图。

在最大负载情况下，扇形段的最大应力分布为：

1)扇形段下框架驱动辊两端的轴承座支撑立板处应力达到360 MPa。扇形段框架材质为Q345，屈服极限为345 MPa，在使用中有损坏的可能，需要加强；

2)扇形段辊缝调节连杆螺纹连接处的应力达到738 MPa。此处材质为34CrNi3Mo，屈服极限为735 MPa，需要加强。

4 扇形段的刚度分析

采用整体有限元分析方法，对扇形段的刚度进行分析。图6为扇形段上框架变形量；图7为扇形段下框架变形量；图8为辊缝调节装置变形量；图9为自由辊变形量；图10为驱动辊变形量。扇形段辊缝开口度总的最大垂直变形量为2.36 mm。

5 生产过程中温度对扇形段变形的影响

在生产过程中，高温铸坯在扇形段中连续运行，由于钢板的弹性模量随温度的升高而降低，温度对扇形段的变形量有一定的影响。扇形段框架和辊缝调节装置的温度升高在100℃以内，钢板的弹性模量变化不大，其变形量受温度的影响较小。辊子由于直接与高温铸坯接触，高温铸坯对辊子的变形量有较大影响。

辊子芯轴内部通水冷却，芯轴受温度的影响较小。辊套的温度由表到内呈递减的趋势，外表面温度按400℃考虑，内表面温度按100℃考虑^[1]。辊子弹性模量的变化如图11所示。通过有限元分析，在生产过程中由于温度的影响，辊子的变形量增大0.12mm。

6 改进措施

根据上述扇形段整体有限元分析，该扇形段的整体强度和刚度满足使用要求，而局部有几处薄弱环节，提出如下改进措施。

1)扇形段框架辊子轴承底座加筋板，同时在辊子两侧的筋板与扇形段框架立板连通。

2)扇形段辊缝调节连杆螺纹连接处将螺纹的退刀槽加宽，同时增大过渡圆角。

通过以上改进措施，使薄弱处的强度得到改善，再次通过有限元分析，满足强度要求。

7 结语

通过对扇形段的强度和刚度分析，并考虑在生产过程中温度对扇形段变形的影响，了解扇形段的应力和应变分布情况，为扇形段的最终设计提供重要依据，扇形段的变形量与实际测试结果相符。最终设计的扇形段在柳钢6号板坯连铸机上进行实际运用，取得了满意的效果。这种结构型式的扇形段在后续设计的多台板坯连铸机中得到了推广。

参考文献：

[1]刘明延，李平．板坯连铸机设计与计算．北京：机械工业出版社，1990．