電工圓鋁桿連鑄結晶輪壁厚優化研究

王亮

摘 要：電工圓鋁桿生產中結晶輪起著非常重要的作用，而熱應力是結晶輪使用壽命的影響因素之一。在對電工圓鋁桿連鑄結晶輪進行壁厚優化時，需基于有限元分析法，對結晶輪溫度場進行熱力耦合模擬分析，進一步結合結晶輪壁厚優化原理和方法，對電工圓鋁桿連鑄結晶輪壁厚進行優化。本文以四輪水平垂直式澆鑄連鑄機為例，主要通過介紹電工圓鋁桿連鑄結晶輪的結構與功能，對其進行ANSYS熱應力耦合模擬分析，科學對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結晶輪壁厚進行優化。

關鍵詞：Φ9.5mm；電工圓鋁桿；結晶輪；壁厚優化

中圖分類號：TF123 文獻標識碼：A

0.前言

結晶輪使用周期會對電工圓鋁桿連鑄連軋生產過程產生影響。正常條件下，結晶輪使用周期為2500t左右，但由于Φ9.5mm電工圓鋁桿在連鑄、連軋生產過程中，結晶輪整體本身及結晶腔表層所要承受的溫度分別在300℃左右。因此，在較大溫差的惡劣環境下工作，就會使其出現疲勞損傷、裂紋和變形等結構性缺陷，最終會嚴重影響Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋生產工藝，主要表現為鑄錠不合格、咬錠和夾錠及出錠不順。

1.Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪介紹

結晶輪是Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋生產的重要設備之一，為保證Φ9.5mm電工圓鋁桿軋制質量，須嚴格遵循連續軋制秒流量相等原則。為了便于脫模，軋機要采用延伸孔型，粗軋首機架孔型寬高比不能過大，交界面圓滑過渡，不能有飛邊，鑄坯斷面形狀為梯形錠。通常考慮鋁液凝固冷卻方式和電工圓鋁桿連鑄工藝的連續性，結晶輪呈圓環狀，其斷面形狀為“M”型。在驅動裝置作用下，結晶輪與鋼帶共同形成結晶腔，連續旋轉，以此實現對鑄坯連續鑄造。

四輪水平垂直式澆鑄連鑄機由結晶輪和3個張緊輪組成，結構簡潔、布局合理。但在鑄造過程中，容易制造電工圓鋁桿連鑄結晶輪不僅需承受較大的鑄坯摩擦力、旋轉驅動力，且還要承受較高溫度，從而會產生機械應力和循環熱應力，故結晶輪須具有較強的抗疲勞性和耐高溫性及剛度和強度。

2.基于ANSYS DX的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪熱力耦合

2.1 構建ANSYS DX的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪熱力耦合有限元模型

在有限元模型構建前，首先需確認熱分析屬于非線性分析；其次，需對材料熱傳導系數、泊松比和彈性、模量及密度等參數進行定義。在此基礎上，對網格要素科學設置，并合理劃分網格，生成基于ANSYS分析的有限元模型。

建立模型后，需結合連鑄裝配體具體形狀，對電工圓鋁桿連鑄結晶輪有限元模型進行結構簡化，將其劃分為包括鋼帶、銅壁層和坯殼層在內的單元。因電工圓鋁桿連鑄過程溫度均勻、穩定。因此，可將這一連鑄過程視為穩態傳熱過程。與此同時，將冷卻水和坯殼層分別等效為噴淋水對流載荷及純粹的溫度載荷。在網格劃分時，電工圓鋁桿連鑄結晶輪分別選擇6面和4面體實體單元進行劃分，最終共得到 22375 個實體單元和41021個網格節點。

2.2 對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪熱力耦合溫度場有限元加載和求解

分別對有限元模擬分析過程中的溫度和約束性條件進行分析確定，指定溫度和約束性條件施加階段選項，然后對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪熱力耦合溫度場有限元加載和求解。

將Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結晶輪其中一個側面設定為約束面，結合電工圓鋁桿連鑄加工現場實際情況，利用型號為STH1513、溫度范圍在150℃～1300℃、距離系數為75∶1的紅外線測溫儀，對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪各點溫度均值進行確定，并將溫度均值作為載荷施加到ANSYS有限元模型中。通過在結晶輪中設置24個測點并循環測試，共得到24組溫度值，循環測量精度為1℃，其中，溫度max=700℃，溫度min=150℃，溫差達550℃。

2.3 對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪熱力耦合溫度場分布求解

在Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋現場，內、外冷噴淋水無調節裝置，結晶輪各個部位均勻冷卻。為了減小結晶輪冷卻時的應力變化，分別采用分段冷卻方式和均勻冷卻相結合的方式對結晶輪溫度場/噴淋水對流加載情況、溫度荷載等進行分析。

3.Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪壁厚優化

通過有限元仿真模擬分析結果可知，在均勻冷卻條件下，Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪等效應變最大值、最小值分別為0.047102m和3.1946e-5m，等效應力最大值和最小值分別為5.1812e9Pa和3.514e6Pa，整體變形最大值和最小值分別為0.00948m和0m，Y方向變形最大值和最小值分別為0.00610m和-0.000826m；在分段冷卻條件下，Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪等效應變最大值和最小值分別為0.047147Pa和3.1159e5Pa，等效應力最大值和最小值分別為4.1862e9m和3.4275e6m，整體變形最大值和最小值分別為0.009515m和0m，Y方向變形最大值和最小值分別為0.00614m和0.000899m。

根據這一仿真結果，不難看出溫度變化梯度較小的分段冷卻方式和充分釋放Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪自由度都可減小其熱應力。因此，在對Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪壁厚進行優化改造時，須結合上述模擬數值對結晶輪內冷卻管路進行適當優化改造，達到對結晶輪各個部位冷卻強度值優化調整的目的。具體如下：

（1）結合實際生產過程，通過ANSYS DX的DOE程序，利用RS分析模塊輸入參數P1、P2對結晶輪壁厚進行優化，本次優化原則是不改變結晶輪所用材料和結構形式，令初始優化變量分別為L11、L12，其中L11=20mm，L12=20mm，然后將初始變量L11增加5.17mm，L12減小1.03mm。

（2）將結晶輪內冷卻管路由原整圈圓管加鴨嘴形噴嘴改造為整個周圍均為分布8個弧形的水盒結構。

（3）為了加大水盒的噴水量和避免水流堵塞，需在每個水盒中加工1mm的水縫。

（4）調整每個水盒進水閥門開度，鋁液澆筑處為1/3，沿著結晶輪旋轉方向依次將每個水盒進水閥門開度分別調整為2/3、全開，剃錠處、空行程段水盒進水閥門開度分別調整為2/3和1/3，然后逐漸全關閉。

（5）通過對結晶輪分段冷卻水盒進水閥門進行開度調整，有效減少Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄連軋結晶輪溫度變化梯度，同時滿足了鑄錠生產工藝要求。

（6）因結晶輪外冷卻鋼帶較薄，對冷卻方式非常敏感。因此，要對其內、外冷卻強度進行調整。其中，內冷卻水量和水壓分別控制在40 t/h、0.4 MPa～0.5MPa，外冷卻水量和水壓分別控制在20 t/h、0.4 MPa～0.5MPa。

（7）通過原螺栓直聯內外轉盤固定結晶輪，并將其改造為撥塊驅動；同時，對結晶輪側面自由度充分釋放，改造前后Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結晶輪構造。

結語

實踐表明，通過改造、優化后的Φ9.5mm電工圓鋁桿連鑄結晶輪壁厚設計變量L11 =25.17mm，L12 =18.97 mm。在同等技術條件下，與改造前相比，結晶輪微裂紋產生延遲約260 t，槽口變形量減少約2 mm，結晶輪使用壽命延長約20%，有效保證了鑄坯質量和降低了電工圓鋁桿連鑄連軋溫度熱應力，達到了預期改造、優化目的。

參考文獻

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