板坯連鑄機扇形段上框架有限元分析

靳月華

（中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176）

1 引言

直弧型板坯連鑄機的主要設備由結晶器、彎曲段、弧形段、矯直段和水平段組成，其中弧形段、矯直段和水平段統稱扇形段。

改進后，低體溫、并發癥合計發生率低于改進前，改進后患者滿意率與醫師滿意率高于改進前，差異有統計學意義（P＜0.05）。 見表 1。

扇形段的主要功能［1］是支撐來自結晶器彎曲段的具有一定坯殼厚度的鑄坯，并對其進行強制噴水或氣霧冷卻，使坯殼厚度不斷增加，至鑄坯完全凝固后通過水平段驅動輥送出扇形段。當凝固的坯殼被拉出結晶器后，受內部鋼水靜壓力作用，會產生“鼓肚”現象，所以板坯連鑄機多采用小輥徑密排輥布置，避免因鋼水靜壓力而引起“鼓肚”或漏鋼事故。

每段扇形段包括上框架、下框架、連桿、壓下液壓缸、從動輥和驅動輥等。驅動輥布置在中間，由電機減速機驅動旋轉，且上驅動輥由油缸驅動，可單獨升降。下框架固定在底座上，上下框架之間4根連桿相連接，通過4個液壓缸的驅動實現上下框架之間的相對運動，從而實現對鑄坯的夾緊或松開。

扇形段框架是由鋼板焊接而成的結構件，用于支撐導向的輥子。框架主要承受通過支撐導向輥傳遞來的鋼水靜壓力產生的鼓肚力、輥子與高溫鑄坯反復接觸引起的熱應力、設備自重和拉坯力等。這些復雜的載荷作用于框架，框架又長期處于高溫和水蒸氣的惡劣環境下工作，因此框架要求有足夠的強度和剛度。

框架的剛度也影響連鑄機的對弧精度［2］，這就要求框架的剛性必須保持連續。若框架剛性突變太大，必須調整結構尺寸，否則即使冷態下連鑄機對弧準確，但在拉坯時框架產生較大變形也會引起支撐導向輥錯位，從而導致輥縫開口度超差［3］，嚴重時甚至會發生漏鋼事故。

2 建立扇形段上框架的有限元分析模型

通常板坯連鑄機扇形段各段之間具有互換性，如弧形段之間可以互換，水平段之間也可以互換，而弧形段處“鼓肚”力小；矯直段和水平段處受“鼓肚”力、矯直力大。因此，本文選取在板坯連鑄機凝固末端的水平段第一段的上框架來計算分析。

2.1 基本參數

2.3.3 拉坯力

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表1 材料性能參數

2.2 模型簡化

框架主要由板筋件焊接而成，因此必須對小于25mm的結構進行簡化處理：

正常澆鑄時，驅動輥所在立板上軸承座位置作用拉坯力和鼓肚力，非驅動輥所在立板軸承座除施加拉坯阻力和鼓肚力。在扇形段與基礎框架連接位置實際固定約束，夾緊油缸拉桿位置施加夾緊力。

建立有限元模型，選擇合適的計算單元很重要，綜合考慮計算模型和計算精度，經過多次試驗，選用8節點6面體Solid45單元，單元尺寸為25mm。

1） 模型沒有考慮溫度影響；

2） 油缸作為動力源，對結構強度不起任何影響，可以用適當約束、載荷簡化。

在有限元分析模型中，坐標系定義如下，X向為鑄坯寬度方向；-Y向：鑄流出坯方向；Z向：厚度方向。ANSYS中計算單位，采用國際單位，即長度：m，質量：kg，應力：Pa，密度：kg／m3。

2.3 框架受力分析

2.3.1 鼓肚力

海島是一個特殊的地域單元，在海洋經濟大發展的背景下，海島不僅是維護國家海洋權益的戰略要地，也是海陸統籌發展的重要基地、海洋經濟發展的前沿陣地、以及區域可持續發展的戰略資源寶庫[1]。

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鑄坯由于鋼水靜壓力而產生的鼓肚力，作用于輥子上，經軸承座傳遞到框架立板上。由于鋼水靜壓力引起的第i個導輥處的鼓肚力為：

式中：FDKi為第i個導輥處的鼓肚力，N；r為鋼水比重，r＝7000kg／m3；g為重力加速度；Hi為第i個導輥處鋼液面高度，m；Sg為鑄坯厚度中心線上兩輥距之和的一半，m；Bmax板坯最大寬度，m；Si為第i個導輥處的坯殼厚度，m。

為了克服鑄坯的鼓肚力，對扇形段夾緊實施一定的夾緊力，通過輥子作用于鑄坯上，平衡鼓肚力，因此扇形段上框架每根輥都受鼓肚力作用。

鼓肚阻力RB（相當于車輪在紅坯鋼軌上的滾動摩擦阻力）

拉坯阻力R按下式計算：

2.3.2 拉坯阻力

式中，0.5為與實測值比較給出的修正系數；FDK為鼓肚力；AREA