板坯连铸辊列设计的几个问题

板坯连铸辊列设计的几个问题

1辊列与设备组成直弧连续铸造机作为现代板料连造机的主要原型，具有均匀的混合配置特点。近年来，板料连造机的生产领域逐渐取代了弧形连续铸造机。作为直弧形连铸机设计的第一步就是辊列设计,辊列设计的水平是连铸机设计水平高低的重要标志之一。现代化直弧型板坯连铸机,通常还带有液芯弯曲和液芯矫直功能。如图1所示,连铸机辊列按照外弧线划分,主要由直线区、弯曲区、圆弧区、矫直区、水平区几部分组成;按照设备组成划分,主要由一次冷却的结晶器和二次冷却的铸流诱导支撑辊子组成。图1所示的辊列由一个结晶器和65对铸流诱导支撑辊子组成。2采用多种方法设计直弧型连铸机辊列设计的目标是把直线区、弯曲区、圆弧区、矫直区、水平区采用解析几何的方法有机地衔接起来,目前常用的是多点弯曲矫直和连续弯曲矫直两种设计法。国外西马克/德马克公司和日本的JSP公司采用的是多点弯矫设计方法;奥钢联工程技术公司和丹尼利(戴维)公司采用的是连续弯矫设计方法,而奥钢联工程技术公司最初把这种方法叫渐近弯矫法。2.1支撑辊子的设计多点矫直的概念是曼内斯曼公司最早提出来,并于1973年应用于日本川崎制铁公司水岛厂大方坯连铸机上。多点弯曲矫直设计法主要是根据液芯板坯厚度和宽度,在确定了辊列主半径的条件下,按照被弯曲矫直时板坯两相界的等应变原则,使得二次冷却区的支撑诱导辊子按照多个圆弧半径相衔接的方法进行设计的。在弯矫区首先要根据经验确定弯曲区的“弯曲点”数目和矫直区的“矫直点”数目,然后计算出相邻矫直点之间的圆弧半径,这样就把辊列的几个区段有机地衔接起来。多点弯矫时,如果每个圆弧半径对应一对辊子,则板坯所走的是一个由多半径圆弧的连接点所构成的一条无名曲线,因为每对支撑辊均设计在两个圆弧相切的切点上。如果每个圆弧半径跨越几对或多对辊子,则板坯所走的路线是无名曲线和圆弧线交替的曲线。2.2弯曲区和矫直区曲线连续弯矫法的设想产生于1960年,1973年奥钢联以渐近弯曲、渐近矫直的名称应用于工程实践。连续矫直设计法主要根据板坯厚度和宽度,在确定了辊列主半径的条件下,让液芯板坯按照y=kx36Rz⋅L(1)y=kx36Rz⋅L(1)曲线或其他类似的曲线进行弯曲和矫直。如图1所示,x1o1y1和x2o2y2坐标系分别表示了弯曲区和矫直区曲线的走向。式中,x1、y1和x2、y2分别表示弯曲区和矫直区曲线的横坐标与纵坐标,Rz为辊列的主半径,L表示弯曲区或矫直区曲线在x2轴上的投影长度,即L是一个直线段,k为系数。1982年,康卡斯特公司提出了在连铸机矫直区域采用浮动辊连续矫直的思想,并于1983年首次应用于法国Seremange公司的Sollac厂1号板坯连铸机上,但多年来由于技术上的制约一直未能推广,这是连续矫直最原始的思想。事实上,弯曲、矫直区域采用固定辊使铸坯按照指定的曲线路径运行是目前所谓“连续弯曲”、“连续矫直”的最基本概念。3多重弯曲矫正和连续弯曲矫正的概念3.1多点弯矫的变式一听到“连续弯矫”的名词和方法后,有一些连铸工作者便认为“多点弯矫”是不连续的,这是一个误解。如前所述,连续弯矫走的是一条指定曲线,而多点弯矫走的是一条无名曲线。无论采用哪一种方法,弯曲区和矫直区的曲率半径都是沿远离主半径方向而逐渐变大。3.2铸坯行驶的通道由于多点弯矫和连续弯矫两种方法都是用固定的铸坯支撑辊来强迫铸坯走一条固定的通道,在这一固定通道中,辊与辊之间是什么曲线已变得不重要了,而铸坯行走的路线是多对辊子不错位时形成的通道。假设铸坯行走的通道是连续不间断的板状隧道或通道,那么多点弯矫或连续弯矫所形成的通道是光滑的。事实上这仅仅是一种假设,不可能有这样的实践。因此,两种弯矫方法从大趋势上讲,所形成的曲线是光滑的,但从细节上讲,形成的曲线则是不光滑的。3.3弹簧对剪应力的影响在康卡斯特浮动辊连续矫直概念中,由于矫直区域每对辊子的外弧辊下方都有弹簧,在板坯由圆弧被逐渐矫直时,大部分矫直力被弹簧所吸收,而矫直时的“力臂”又较长,因此剪应力较小(有人说近乎为零);对于固定辊的连续弯矫,剪应力不可能很小,更不可能为零。但是实测的数据告诉我们,采用三次方曲线设计的矫直区,辊子受力比多点矫直(两矫直点之间分别有若干对辊子)时要均匀得多,这是因为连续弯矫区域的辊子总是布置在指定的曲线上。3.4板坯表面应变速率的测定如果板坯按照指定的曲线行走,且板坯的支撑辊子完全在曲线上(不错位),则在连续弯矫的过程中,板坯表面的应变速率是恒定的。而在辊距相同的情况下,多点弯矫也可以做到板坯表面应变速率的恒定。应变速率大小的作用在学术界莫衷一是,而应变速率均匀恒定肯定能给板坯质量带来好处,但能带来多大程度的好处,或者对哪些钢种有多大好处还无法定量说明。3.5形态应变的表现由于两种辊列设计方法都是靠机械方法通过位置固定的辊子使得板坯被强行弯曲和强行矫直,板坯两相界和表面必然产生应变。因此,两相界弯矫应变、鼓肚应变、辊子错位应变所构成的综合应变不但是衡量多点弯矫辊列的基本指标,也是衡量连续弯矫辊列的基本指标。对表面裂纹敏感的钢种,铸坯表面应变的大小也是衡量辊列设计优劣的指标之一。4连续线性排列的基本优势4.1辊子的受拉压在弯曲和矫直区采用连续弯矫曲线。机械固定的辊子加工尺寸非常精确,且在使用当中不错位,则辊子的受力始终是比较均匀的,各支撑辊子相同位置的轴承受力也均匀,这样可以提高设备的更换寿命。而矫直区域辊子受力均匀,还可以使该区域驱动辊的电流更加平稳,使设备使用更加可靠。4.2辊子在弯曲或矫直区的干预连续弯矫区的辊子沿指定曲线布置,首先确定的是曲线的x坐标,x坐标一确定,所有曲线上的辊子均参与弯曲或矫直。一般来说,弯曲区的辊子数目一般在10个左右,相当于多点弯曲的11点弯曲;而矫直区的辊子数目可在10～15个左右,相当于多点矫直的11～16点矫直。这对于铸坯两相界和铸坯表面所产生的应变都能够做到最小。4.3点区角度分开按照连续弯矫曲线设计辊列,很快就会将弯曲区、矫直区和圆弧区三个区域的角度分开,这对已有的连铸机扇形段的利用带来了很大方便,这一点比多点弯矫要优越得多。4.4u3000规划连续弯矫曲线设计辊列,在弯曲区,距离曲线原点最近的几对辊子y坐标很小,基本上处于直线段,实际的直线段则包括了理论直线段和距离曲线原点最近的2～3对辊子。所以理论直线段可以变短。5如何连接三个方面的曲线5.1辊列设计的原则关于多点弯矫方法的辊列设计计算已经普遍应用,方法也比较简单。需要强调的是,很多人在多点弯矫的辊列设计时,只考虑板坯表面应变的平均分布,而未考虑两相界的弯矫应变。因为弯矫区域总有一定的长度,在一定的长度范围内,弯曲区的坯壳厚度在远离主半径方向由大变小,而矫直区的坯壳厚度在远离主半径方向由小变大。如果按照板坯表面应变均等的原则设计辊列,最终反映到两相界,其每对辊子处的应变不但不均等,而且差别较大。因此,只有考虑坯壳厚度的影响,追求两相界应变的均等性,所设计的辊列才是最合理的。就连续矫直方法而言,很多学者均发表过不少文章,并对于三次方曲线与圆弧线的衔接如何处理,特别是在直弧型连铸机上的处理,已经有所见解。本文将就这一问题进行分析,供读者参考。5.2曲线1+y2对式(1)来说,它的一阶导数和二阶导数分别为y′=k⋅x22Rz⋅Ly′=k⋅x22Rz⋅L;y″=kxRz⋅L(2)y′′=kxRz⋅L(2)曲率半径为R=(1+y′2)32|y″|=[1+(k⋅x22Rz⋅L)2]32k⋅xRz⋅L(3)当x=L时RL=[1+(k⋅L2Rz)2]32kRz(4)此时RL=Rz,则[1+(k⋅L2Rz)2]32k=1[1+(k⋅L2Rz)2]3=k2(5)式(5)表明,采用式(1)或所表达的三次方曲线,如果Rz和L一定,则对应一个k值,利用相关程序,可以求解出k值。不同条件时的k值见表1。求出k值后代入式(1),计算曲率半径。当曲率半径R=RL时,则RL=Rz表示曲线与圆弧完全吻合,光滑连接。5.3u2004y0.7.2算法注意事项在式(1)中,当k=1,则有y=x36Rz⋅L(6)文献、均提到了用Cornu曲线作为连续弯矫曲线的表达式y=x36Rz⋅L(1+2x435R2zL2+293x839600R4zL4+⋯⋯)=x36RzL(1+Σ0)(7)式(6)实际上是式(7)省略了高次项之和的结果,由式(6)得R=(1+y′2)32|y″|(8)当L≪Rz时,且当x=L,在(L‚L26Rz)点,则有y′=L2Rz=0,即R=RL=Rz。事实上L一般都在1.5～4.5m之间,而连铸机的主半径Rz也在5～12m之间,到底y′=0时,R=RL=Rz相对于主半径圆心坐标系xoy计算出的辊子坐标与式(8)的计算结果误差有多大,下面举例说明。以图1为参考,计算的弯曲或矫直终点辊子相对于连铸机主半径圆心的坐标见表2。5.4辊心坐标误差从表1的计算结果可以看出,按照曲线公式(6)与y′=0时的主半径圆弧计算的辊心坐标结果相比较,除主半径Rz=5000mm的连铸机小数点后