薄帶連鑄結(jié)晶輥熱輥型的有限元分析

薄帶連鑄結(jié)晶輥熱輥型的有限元分析

1薄帶連鑄工藝雙帶薄帶連鑄技術(shù)是近年來各國科學(xué)家廣泛研究的近最終鋼鐵制備工藝。本工藝將充滿金屬的鋼水注入由一對旋轉(zhuǎn)晶輥和一對側(cè)壓板組成的鑄造池中。在晶體表面形成冷凝碗，并與結(jié)晶碗一起附著在結(jié)晶碗表面。隨著結(jié)晶輥的旋轉(zhuǎn)，兩種硬化碗的表面相互補償，并且在出口附近，兩種硬化碗的表面通過晶體輥的壓力作用形成鑄造帶。這種工藝將傳統(tǒng)的連鑄連軋工藝整合在一起,具有流程短、能耗低的優(yōu)點,該工藝使熔融金屬在很短的時間內(nèi)凝固并且成型,使一個復(fù)雜工藝在很短的時間內(nèi)完成。結(jié)晶輥在薄帶連鑄工藝中既是結(jié)晶器又是軋輥,既要實現(xiàn)對鋼水的快速冷卻,又要對凝固坯殼進(jìn)行碾壓,這就要求結(jié)晶輥具有很好的冷卻性能及強(qiáng)度。目前,世界各國普遍使用內(nèi)部帶有水冷的銅結(jié)晶輥,采用輥軸和輥套過盈配合,輥軸為鋼質(zhì),輥套采用銅或者銅合金,表面帶有鍍層,鍍層材料多為鎳或鎳合金。由于結(jié)晶輥內(nèi)部通水冷卻,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜,在澆注過程中,結(jié)晶輥受到交變溫度場作用,產(chǎn)生熱變形,對帶鋼的截面形狀產(chǎn)生很大影響,因此,研究澆注過程中結(jié)晶輥的受力和變形,對于掌握結(jié)晶輥的變形規(guī)律,改進(jìn)結(jié)晶輥結(jié)構(gòu),獲得良好的鑄帶質(zhì)量具有重要意義。本文利用熱力耦合彈塑性大變形有限元方法對結(jié)晶輥的熱變形進(jìn)行了分析,利用有限元模型成功模擬了結(jié)晶輥的裝配、修磨及澆注等過程,實現(xiàn)了結(jié)晶輥受力和變形的全過程預(yù)報,利用這種方法能很好的預(yù)報結(jié)晶輥的應(yīng)力和應(yīng)變分布,并能給出熔池出口處結(jié)晶輥的熱凸度。2元模型的構(gòu)建2.1結(jié)晶輥的受熱能力本文所采用的結(jié)晶輥由輥軸和輥套組成,其中輥軸為鋼質(zhì),輥套為銅合金,外面鍍有鎳層,結(jié)晶輥輥套內(nèi)部有冷卻水孔(如圖1所示)。在澆注過程中,結(jié)晶輥表面在熔池內(nèi)和鋼水接觸吸收熱量,在離熔池較近的區(qū)域由于熱輻射吸收一部分熱量,而在遠(yuǎn)離熔池的表面,通過熱輻射向外散發(fā)熱量,其余熱量被冷卻水帶走。這樣在結(jié)晶輥表面與冷卻水孔之間進(jìn)行熱量傳遞,結(jié)晶輥由此會發(fā)生熱變形,同時由于結(jié)晶輥的碾壓作用,會產(chǎn)生鑄軋力,結(jié)晶輥也會產(chǎn)生壓扁變形和少量彎曲變形。因此,結(jié)晶輥同時會發(fā)生受熱變形和受力變形。2.2結(jié)晶輥充壓機(jī)的周向變形有限元模型采用八節(jié)點六面體單元,考慮到結(jié)晶輥所受邊界條件的特殊性,結(jié)晶輥在徑向上的變形量最大,周向變形相對很小,故采用部分模型代替整體模型來進(jìn)行計算以減少計算時間(如圖2所示),同時,由于鑄軋力很小,因此,由鑄軋力引起的結(jié)晶輥彎曲變形可以忽略。2.3接觸區(qū)工作系數(shù)根據(jù)結(jié)晶輥表面的溫度載荷分布情況,將結(jié)晶輥表面外部劃分為5個區(qū)域,近似認(rèn)為每個區(qū)域的邊界條件在結(jié)晶輥表面是均勻分布的,如圖3所示。其中,接觸換熱區(qū)為結(jié)晶輥和熔池鋼水接觸區(qū)域,該區(qū)域采用平均換熱系數(shù),即認(rèn)為沿整個接觸弧換熱系數(shù)為常數(shù),并根據(jù)實驗測溫裝置的測量結(jié)果推算接觸區(qū)的換熱系數(shù)。高溫鑄帶輻射區(qū)位于熔池出口下方,該區(qū)域的鑄帶溫度很高,結(jié)晶輥表面與環(huán)境的換熱以輻射換熱和對流換熱為主;低溫鑄帶輻射區(qū)位于高溫鑄帶輻射區(qū)下部,該區(qū)域距離鑄帶較遠(yuǎn),鑄帶溫度較低,在該區(qū)域也是以輻射換熱和對流換熱為主;空氣對流換熱區(qū)在熔池背面,主要以和空氣的對流和輻射換熱為主;鋼水輻射區(qū)在熔池上面,該區(qū)域主要以鋼水的輻射和對流換熱為主。由于輻射熱量是溫度的四次方函數(shù),計算不方便,因此將輻射換熱等效為對流換熱,即:而對于接觸換熱區(qū)有:式中,q為熱流率;T為結(jié)晶輥溫度;T∞為環(huán)境溫度;hconv為對流換熱系數(shù);hrad為輻射換熱等效換熱系數(shù)。2.4模型參數(shù)數(shù)如表1、表2所示。有限元建模過程中所用的材料和設(shè)備工藝參2.5軸向?qū)ΨQ面為0、z如圖1所示,將有限元模型兩側(cè)設(shè)為對稱約束,限制結(jié)晶輥的周向變形,在結(jié)晶輥中部設(shè)置軸向?qū)ΨQ約束,只取一半進(jìn)行研究。以結(jié)晶輥的旋轉(zhuǎn)軸為Z軸建立圓柱坐標(biāo)系,在周向?qū)ΨQ面上:uρ=0,ρθ=τρZ=0在軸向?qū)ΨQ面上:uZ=0,τZθ=τZρ=0在施加溫度邊界條件時采用旋轉(zhuǎn)溫度場,即結(jié)晶輥不動,邊界條件設(shè)置為時間的函數(shù)。求解過程采用弱耦合方式,先計算溫度場,然后計算溫度場產(chǎn)生的熱應(yīng)力,再計算其他因素產(chǎn)生的結(jié)晶輥應(yīng)力場和應(yīng)變場。本構(gòu)方程如下:式中,[M]為質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[C]為比熱矩陣;[K]為剛度矩陣;[Kt]為熱傳導(dǎo)矩陣;{u}為位移矢量;{T}為溫度矢量;{F}為力矢量;{Q}為熱能矢量。其中,熱傳導(dǎo)基本方程是傅里葉導(dǎo)熱微分方程,對于均質(zhì)的各向同性且性能均一的物體,如果物體作整體轉(zhuǎn)動且無變形,無內(nèi)熱源,則在柱坐標(biāo)中為:式中,T為溫度;τ為時間;α為輥套的熱擴(kuò)散率。3結(jié)晶輥的裝配和變形仿真結(jié)晶輥的制造過程是先加工出輥軸和無鍍層的輥套,輥套上留有加工余量,然后將輥軸和輥套進(jìn)行裝配,由于輥軸和輥套是過盈配合,裝配后輥套會產(chǎn)生變形,因此要對裝配好的結(jié)晶輥表面進(jìn)行修磨加工,將結(jié)晶輥表面加工平整后再電鍍上鍍層,然后上線進(jìn)行澆注使用,為了準(zhǔn)確地模擬整個過程,在計算結(jié)晶輥熱變形時,從結(jié)晶輥裝配開始對每一階段結(jié)晶輥的受力和變形進(jìn)行仿真分析。3.1軸和輥套的接觸邊界條件分析為了考慮結(jié)晶輥的裝配,以及裝配后的修磨,首先建立了不帶鍍層的輥套和輥軸的接觸非線性有限元模型,只在輥軸和輥套的接觸面上建立接觸邊界條件,分析裝配后結(jié)晶輥變形,裝配后的結(jié)晶輥變形曲線如圖4所示。然后模擬結(jié)晶輥表面的修磨參數(shù),根據(jù)計算出的結(jié)晶輥裝配后的膨脹量,對結(jié)晶輥有限元模型的外層節(jié)點ρ坐標(biāo)值進(jìn)行修改,再利用修改后的模型計算出結(jié)晶輥的膨脹量,根據(jù)計算結(jié)果再修改節(jié)點坐標(biāo),直到變形后的結(jié)晶輥表面平直為止。3.2鍍層單元生成結(jié)晶輥修磨后,需在輥套表面進(jìn)行電鍍。為模擬這一工況,在上一步生成的最終模型基礎(chǔ)上,根據(jù)鍍層厚度,在輥套外部相應(yīng)位置生成相應(yīng)節(jié)點,并生成鍍層單元。由于鍍層是在結(jié)晶輥裝配完成后電鍍的,因此,在輥套和輥軸上有初始應(yīng)力,而鍍層上的初始應(yīng)力為0,為模擬該工況,采用“懲罰”手段,將鍍層單元的剛度矩陣乘以10-6,以使求得的鍍層應(yīng)力遠(yuǎn)小于內(nèi)部應(yīng)力。3.3結(jié)構(gòu)分析模型的建立利用弱耦合方法,先計算在澆注240s后結(jié)晶輥的溫度場,圖5給出了結(jié)晶輥表面某一點的溫度隨時間的變化曲線,從圖5可以看出,在澆注了60s后,結(jié)晶輥溫度場基本趨于穩(wěn)定。利用熱分析結(jié)果將溫度場施加到結(jié)構(gòu)分析模型上,計算出材料的熱應(yīng)變,進(jìn)而求出熱應(yīng)力。圖6是利用結(jié)晶輥溫度場計算得出的結(jié)晶輥表面形狀曲線。4結(jié)果比較利用有限元模型計算出的結(jié)晶輥熱輥型,可以計算出鑄帶厚度分布,圖7給出了仿真得出的帶厚分布與實測結(jié)果的對比,結(jié)果顯示計算結(jié)果精度很高。5對于驗證結(jié)果,根據(jù)本本文介紹了一種利用有限元方法