板坯連鑄扇形段鑄輥熱—力行為研究

蔣昭陽 戴靜 李麗麗 邢薇

【摘 要】連鑄生產過程中，鑄輥溫度場非均勻周期性變化是產生熱應力、變形的主要因素，運用ANSYS有限元模擬軟件對鑄輥進行了彈塑性熱力耦合有限元模擬，分析了水平段鑄輥的溫度場、應力場及鑄輥裂紋的產生發展。分析得出，鑄輥工作100min后，鑄輥溫度達到平衡，橫截面呈現出“動態熱負荷區”、“靜態熱負荷區”。鑄輥表面各點的溫度、應力值隨鑄輥的旋轉而周期性變化，其表面最高溫度為484.1℃，最大等效應力為131MPa。

【關鍵字】鑄輥 熱-力耦合 溫度場 熱應力

近年來，高效連鑄技術、低過熱度的澆鑄技術和近終成型澆鑄等技術得到快速發展，連鑄過程中優化鑄坯凝固過程的控制凸顯重要。特別是二冷水的噴淋狀況，鑄輥的布置等參數的控制。鑄輥在鑄坯的凝固過程中起支撐、導向、矯直作用。在空冷段，鑄輥繼續驅使鑄坯前進，同時也起到冷卻的作用。采用紅外熱成像儀可以對鑄坯及鑄輥表面進行連續測溫，基于紅外熱成像測溫所建立起來的三維鑄輥模型，可計算得到不同工藝條件下的鑄輥溫度。

1 模型建立

本文采用了ANSYS自帶的APDL語言進行二次開發編寫了計算程序。按照現場鑄輥的實際數據，取整個鑄輥為研究對象，綜合考慮鑄輥尺寸、計算精度，建立了如圖1所示模型。模型節點總數為44160，單元數為40500。

2 模擬結果及討論

水平段鑄輥位于二冷區末端，此處鑄坯主要靠自身輻射散熱，考慮到凝固潛熱的釋放，故此處噴嘴主要用來冷卻鑄坯。

圖2為鑄輥溫度場達到動態平衡時的溫度分布圖。圖（a）為切向分布云圖，圖（b）為橫向分布云圖。由圖2可看出，鑄輥整體溫度成均勻梯度分布，且與鑄坯表面接觸處的溫度，要明顯高于鑄輥其他位置處的溫度。中心由于通冷卻水，故其溫度明顯低于其他位置在同一切面上，最大溫差達到了440℃。在剛開始拉坯時，鑄輥內部及表面溫度迅速升高，后來溫升的速度逐漸減少，當拉坯進行大約50min后，溫度增速變緩慢，100min時，鑄輥表面點溫度極值趨于一定值。此時周圍環境傳給鑄輥的熱量，與冷卻水帶走的熱量達到一個動態平衡，我們稱此刻鑄輥的溫度場為動平衡下的溫度場。在鑄輥表面附近的某一范圍內，各點的溫度值隨鑄輥的旋轉而周期性變化，我們稱此區域為“動態熱負荷區”；而在距輥面某一范圍以上各點的溫度值則基本上不隨之而變化，這說明當輥子的溫度場達到動態平衡時，鑄輥內部存在一個定常的、軸對稱的溫度場，我們稱此區域為“靜態熱負荷區”。本模型水平段鑄輥的動態熱負荷區值大約為2mm。

3 中心與邊部鑄輥的比較

實際生產當中，鑄輥的中心部位與端部的溫度分布也有差別，本課題研究的為內弧段鑄輥，從圖中可以看出，鑄輥端部形貌與中心部位呈現出明顯的不同。端部裂紋較多，且表面沒有中心部位光滑，溫度整體從中心到端部呈現出降低趨勢。在現場實際生產中，端部是最容易出現問題的部位，他與軸承座接觸，直接會影響到軸承座的溫度場及應力場，故本文又對比了鑄輥端部與中心的溫度場及應力場。

圖3為鑄輥不同位置的溫度場，圖（a）為鑄輥中心部位溫度場云圖，圖（b）為鑄輥端部溫度場云圖。由圖可以發現，中心部位橫向溫度分布均勻，整體上沒有差別，端部鑄輥，角部溫度較低，比中心部位低74℃左右，端部鑄輥由中心到角部，溫度呈現出遞減變化。

4 結語

采用ANSYS有限元軟件三維傳熱模型模擬實際生產條件下水平鑄輥的溫度場、應力場，分析了鑄輥溫度、應力的非均勻分布，中心輥和邊部輥的不同及表面龜裂產生原因，得出了如下結論：

（1）經過約100min后，鑄輥溫度達到平衡，橫截面呈現出“動態熱負荷區”、“靜態熱負荷區”。鑄輥表面各點的溫度、應力值隨鑄輥的旋轉而周期性變化，其表面最高溫度為484.1℃，最大等效應力為131MPa。（2）對比分析了水平段不同位置鑄輥。中間分節輥最高溫度比端部分節輥最高溫度高74℃；中間分節輥最大等效應力比端部高22MPa。