果晶晶，陳 健

（1.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境工程系，河北 邢臺(tái)054035；2.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺(tái)054025）

高速發(fā)展的連鑄技術(shù)，帶來(lái)了鑄機(jī)生產(chǎn)效率、鑄坯質(zhì)量的顯著提高。提升鑄坯質(zhì)量的方法主要包括：控制結(jié)晶器液位、結(jié)晶器采用高頻小振幅、潔凈鋼生產(chǎn)、控制二次冷卻、結(jié)晶器電磁制動(dòng)、二冷段電磁攪拌和輕壓下等。對(duì)解決連鑄坯的質(zhì)量問(wèn)題，以上改善鑄坯質(zhì)量的方法，側(cè)重點(diǎn)各不相同。就連鑄過(guò)程中鑄坯產(chǎn)生的偏析、疏松等質(zhì)量缺陷而言，目前廣泛選用凝固末端輕壓下技術(shù)來(lái)改善[1-2]。

為深入研究輕壓下過(guò)程鑄坯芯部未完全凝固區(qū)的溫度、相變、收縮等狀態(tài)，一方面可以通過(guò)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析鑄坯的輕壓下過(guò)程，但因?qū)嶒?yàn)條件有嚴(yán)格限制、成本較高，實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行；另一方面若運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，可獲得可視化、可量化的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變分布情況及相關(guān)數(shù)據(jù)，這對(duì)于研究輕壓下中鑄坯凝固過(guò)程狀態(tài)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。本研究主要是對(duì)某廠生產(chǎn)的D32船板鋼鑄坯在連鑄輕壓下過(guò)程的變形特點(diǎn)和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

1 連鑄輕壓下模型的建立

1.1 模型的建立

以某廠的連鑄板坯為計(jì)算對(duì)象。該廠采用半徑為10.3 m的直弧型板坯連鑄機(jī)，鑄機(jī)總長(zhǎng)31 m，連鑄機(jī)輥列如圖1所示。由SEG0-SEG12共13個(gè)扇形段組成整個(gè)連鑄機(jī)二冷區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯的彎曲、導(dǎo)向、支撐、矯直、拉坯和輕壓下等。在凝固末端輕壓下的過(guò)程中，鑄坯在產(chǎn)生變形的同時(shí)也伴隨著溫度的變化?？紤]到計(jì)算成本與對(duì)稱性，本模型取鑄坯橫截面的二分之一作為計(jì)算區(qū)域，鑄坯輕壓下的熱力耦合模型如圖2所示。

圖1 板坯連鑄機(jī)輥列圖（mm）

圖2 鑄坯輕壓下的熱力耦合模型

圖2 中上、下面為連鑄夾輥，中間面為鑄坯。輕壓下的熱分析研究始于結(jié)晶器彎月面，終于鑄坯出輕壓下段；并且只在輕壓下區(qū)間內(nèi)建立熱力耦合模型，即鑄坯從二冷第8段出來(lái)的凝固傳熱狀況視為該輕壓下過(guò)程的初始條件。并且，在連鑄輕壓下的模擬分析中將鑄坯視為能進(jìn)行熱量傳遞的可變形體，夾輥視為不具有熱傳導(dǎo)能力的剛體。

1.2 鑄坯輕壓下的定解條件

1.2.1 鑄坯輕壓下的初始條件

鑄坯從二冷第8段出來(lái)的凝固傳熱狀況作為初始時(shí)間t=0時(shí)的初始數(shù)據(jù)。

1.2.2 鑄坯輕壓下的邊界條件

1.2.2.1 熱邊界條件

采用二冷段熱邊界條件中的水平段（即扇形9、10、11段）的數(shù)據(jù)。

1.2.2.2 位移的邊界條件

鑄坯平行于窄面縱截面的法線方向位移為零[3-4]，鑄坯其他表面均為自由面。

1.2.2.3 輕壓下段力的邊界條件

鑄坯液芯視為不可壓縮。采用在零強(qiáng)度溫度處施加鋼水靜壓力的方式進(jìn)行，并將溫度高于零強(qiáng)度溫度的初始屈服強(qiáng)度視為鋼水靜壓大小，且該處應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)為零[5-6]。鋼水靜壓力為：

式中：P0為鋼水的靜壓力，Pa；ρ為鋼水的密度，kg·m-3；g為重力加速度，為常數(shù)，N·kg-1；h為鑄坯坯殼內(nèi)部計(jì)算點(diǎn)至彎月面的垂直距離，m。

1.3 鑄坯的高溫力學(xué)性能

1.3.1 模擬的鋼種

以D32船板鋼連鑄坯為研究對(duì)象，橫斷面尺寸為2 400 mm×256 mm；其材質(zhì)的成分見(jiàn)表1。

表1 32鋼種的材質(zhì)成分 %

1.3.2 彈性模量

鋼彈性模量的計(jì)算公式選用如下所示[7-8]：

式中：E為彈性模量，MPa；T為溫度，℃。

1.3.3 泊松比

將泊松比視為溫度的函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：μ為泊松比；T為溫度，℃。

1.3.4 線膨脹系數(shù)

鋼的線膨脹系數(shù)視為與溫度相關(guān)的函數(shù)，其公式如下：

式中：α為線膨脹系數(shù)；T為溫度，℃。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 輕壓下過(guò)程鑄坯的變形

圖3 為鑄坯輕壓下實(shí)施過(guò)程中各典型位置截面形變圖。隨著夾輥擠壓，鑄坯厚度方向產(chǎn)生位移，從二冷第9段至第11段輥縫逐漸收縮，鑄坯厚度方向累積的壓下量逐漸增大，達(dá)到壓下的目的。

圖3 鑄坯輕壓下過(guò)程各典型位置截面形變

由圖3可知，夾輥輥縫的持續(xù)縮小，使得鑄坯芯部未凝固區(qū)被持續(xù)擠壓減小，鑄坯內(nèi)部未凝固（液芯）部分主要來(lái)承擔(dān)壓下輥對(duì)鑄坯所實(shí)施的作用。鑄坯沿寬度方向的延伸變形較小，致使鑄坯的兩寬面沿寬度方向（X方向）上的位移較??；而沿窄面中心附近的寬度方向（X方向）變形較大，這是由于坯殼側(cè)壁變形造成的；此外，鑄坯的寬展還來(lái)自于窄面坯殼受壓產(chǎn)生的鐓粗變形。又因?qū)捗媾鳉ざ瞬克苤瘟Υ笥谥虚g部位所受支撐力，誘發(fā)坯殼彎曲，導(dǎo)致窄面鼓肚。

2.2 輕壓下過(guò)程鑄坯的應(yīng)力

下頁(yè)圖4為連鑄輕壓下過(guò)程中的各典型位置處鑄坯橫斷面上的等效應(yīng)力分布情況。由圖可知，鑄坯角部的等效應(yīng)力最大，其次是寬面與輥?zhàn)咏佑|區(qū)，窄面部分等效應(yīng)力最小。角部溫度最低，變形抗力值最大，易受周圍坯殼的擠壓作用，導(dǎo)致鑄坯角部等效應(yīng)力較高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；而因鑄坯內(nèi)部未凝固（液芯）部分主要來(lái)承擔(dān)壓下輥對(duì)鑄坯所實(shí)施的作用，故鑄坯寬面等效應(yīng)力相對(duì)于角部小得多。

圖4 輕壓下過(guò)程各典型位置鑄坯橫斷面的等效應(yīng)力分布

3 結(jié)論

1）二冷第9段至第11段輥縫逐漸收縮，鑄坯厚度方向累積壓下量逐漸增大，達(dá)到壓下的目的。

2）夾輥輥縫的持續(xù)縮小，使得鑄坯芯部未凝固區(qū)被持續(xù)擠壓減小，鑄坯內(nèi)部未凝固（液芯）部分主要來(lái)承擔(dān)壓下輥對(duì)鑄坯所實(shí)施的作用。

3）鑄坯兩寬面在寬度方向（X方向）的位移較?。欢谡嬷行母浇膶挾确较颍╔方向）變形較大。

4）在輕壓下實(shí)施過(guò)程中鑄坯橫斷面各位置等效應(yīng)力大小分布為角部>寬面>窄面。