薄带连铸结晶辊热辊型的有限元分析

薄带连铸结晶辊热辊型的有限元分析

1薄带连铸工艺双带薄带连铸技术是近年来各国科学家广泛研究的近最终钢铁制备工艺。本工艺将充满金属的钢水注入由一对旋转晶辊和一对侧压板组成的铸造池中。在晶体表面形成冷凝碗，并与结晶碗一起附着在结晶碗表面。随着结晶辊的旋转，两种硬化碗的表面相互补偿，并且在出口附近，两种硬化碗的表面通过晶体辊的压力作用形成铸造带。这种工艺将传统的连铸连轧工艺整合在一起,具有流程短、能耗低的优点,该工艺使熔融金属在很短的时间内凝固并且成型,使一个复杂工艺在很短的时间内完成。结晶辊在薄带连铸工艺中既是结晶器又是轧辊,既要实现对钢水的快速冷却,又要对凝固坯壳进行碾压,这就要求结晶辊具有很好的冷却性能及强度。目前,世界各国普遍使用内部带有水冷的铜结晶辊,采用辊轴和辊套过盈配合,辊轴为钢质,辊套采用铜或者铜合金,表面带有镀层,镀层材料多为镍或镍合金。由于结晶辊内部通水冷却,其内部结构变得非常复杂,在浇注过程中,结晶辊受到交变温度场作用,产生热变形,对带钢的截面形状产生很大影响,因此,研究浇注过程中结晶辊的受力和变形,对于掌握结晶辊的变形规律,改进结晶辊结构,获得良好的铸带质量具有重要意义。本文利用热力耦合弹塑性大变形有限元方法对结晶辊的热变形进行了分析,利用有限元模型成功模拟了结晶辊的装配、修磨及浇注等过程,实现了结晶辊受力和变形的全过程预报,利用这种方法能很好的预报结晶辊的应力和应变分布,并能给出熔池出口处结晶辊的热凸度。2元模型的构建2.1结晶辊的受热能力本文所采用的结晶辊由辊轴和辊套组成,其中辊轴为钢质,辊套为铜合金,外面镀有镍层,结晶辊辊套内部有冷却水孔(如图1所示)。在浇注过程中,结晶辊表面在熔池内和钢水接触吸收热量,在离熔池较近的区域由于热辐射吸收一部分热量,而在远离熔池的表面,通过热辐射向外散发热量,其余热量被冷却水带走。这样在结晶辊表面与冷却水孔之间进行热量传递,结晶辊由此会发生热变形,同时由于结晶辊的碾压作用,会产生铸轧力,结晶辊也会产生压扁变形和少量弯曲变形。因此,结晶辊同时会发生受热变形和受力变形。2.2结晶辊充压机的周向变形有限元模型采用八节点六面体单元,考虑到结晶辊所受边界条件的特殊性,结晶辊在径向上的变形量最大,周向变形相对很小,故采用部分模型代替整体模型来进行计算以减少计算时间(如图2所示),同时,由于铸轧力很小,因此,由铸轧力引起的结晶辊弯曲变形可以忽略。2.3接触区工作系数根据结晶辊表面的温度载荷分布情况,将结晶辊表面外部划分为5个区域,近似认为每个区域的边界条件在结晶辊表面是均匀分布的,如图3所示。其中,接触换热区为结晶辊和熔池钢水接触区域,该区域采用平均换热系数,即认为沿整个接触弧换热系数为常数,并根据实验测温装置的测量结果推算接触区的换热系数。高温铸带辐射区位于熔池出口下方,该区域的铸带温度很高,结晶辊表面与环境的换热以辐射换热和对流换热为主;低温铸带辐射区位于高温铸带辐射区下部,该区域距离铸带较远,铸带温度较低,在该区域也是以辐射换热和对流换热为主;空气对流换热区在熔池背面,主要以和空气的对流和辐射换热为主;钢水辐射区在熔池上面,该区域主要以钢水的辐射和对流换热为主。由于辐射热量是温度的四次方函数,计算不方便,因此将辐射换热等效为对流换热,即:而对于接触换热区有:式中,q为热流率;T为结晶辊温度;T∞为环境温度;hconv为对流换热系数;hrad为辐射换热等效换热系数。2.4模型参数数如表1、表2所示。有限元建模过程中所用的材料和设备工艺参2.5轴向对称面为0、z如图1所示,将有限元模型两侧设为对称约束,限制结晶辊的周向变形,在结晶辊中部设置轴向对称约束,只取一半进行研究。以结晶辊的旋转轴为Z轴建立圆柱坐标系,在周向对称面上:uρ=0,ρθ=τρZ=0在轴向对称面上:uZ=0,τZθ=τZρ=0在施加温度边界条件时采用旋转温度场,即结晶辊不动,边界条件设置为时间的函数。求解过程采用弱耦合方式,先计算温度场,然后计算温度场产生的热应力,再计算其他因素产生的结晶辊应力场和应变场。本构方程如下:式中,[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[C]为比热矩阵;[K]为刚度矩阵;[Kt]为热传导矩阵;{u}为位移矢量;{T}为温度矢量;{F}为力矢量;{Q}为热能矢量。其中,热传导基本方程是傅里叶导热微分方程,对于均质的各向同性且性能均一的物体,如果物体作整体转动且无变形,无内热源,则在柱坐标中为:式中,T为温度;τ为时间;α为辊套的热扩散率。3结晶辊的装配和变形仿真结晶辊的制造过程是先加工出辊轴和无镀层的辊套,辊套上留有加工余量,然后将辊轴和辊套进行装配,由于辊轴和辊套是过盈配合,装配后辊套会产生变形,因此要对装配好的结晶辊表面进行修磨加工,将结晶辊表面加工平整后再电镀上镀层,然后上线进行浇注使用,为了准确地模拟整个过程,在计算结晶辊热变形时,从结晶辊装配开始对每一阶段结晶辊的受力和变形进行仿真分析。3.1轴和辊套的接触边界条件分析为了考虑结晶辊的装配,以及装配后的修磨,首先建立了不带镀层的辊套和辊轴的接触非线性有限元模型,只在辊轴和辊套的接触面上建立接触边界条件,分析装配后结晶辊变形,装配后的结晶辊变形曲线如图4所示。然后模拟结晶辊表面的修磨参数,根据计算出的结晶辊装配后的膨胀量,对结晶辊有限元模型的外层节点ρ坐标值进行修改,再利用修改后的模型计算出结晶辊的膨胀量,根据计算结果再修改节点坐标,直到变形后的结晶辊表面平直为止。3.2镀层单元生成结晶辊修磨后,需在辊套表面进行电镀。为模拟这一工况,在上一步生成的最终模型基础上,根据镀层厚度,在辊套外部相应位置生成相应节点,并生成镀层单元。由于镀层是在结晶辊装配完成后电镀的,因此,在辊套和辊轴上有初始应力,而镀层上的初始应力为0,为模拟该工况,采用“惩罚”手段,将镀层单元的刚度矩阵乘以10-6,以使求得的镀层应力远小于内部应力。3.3结构分析模型的建立利用弱耦合方法,先计算在浇注240s后结晶辊的温度场,图5给出了结晶辊表面某一点的温度随时间的变化曲线,从图5可以看出,在浇注了60s后,结晶辊温度场基本趋于稳定。利用热分析结果将温度场施加到结构分析模型上,计算出材料的热应变,进而求出热应力。图6是利用结晶辊温度场计算得出的结晶辊表面形状曲线。4结果比较利用有限元模型计算出的结晶辊热辊型,可以计算出铸带厚度分布,图7给出了仿真得出的带厚分布与实测结果的对比,结果显示计算结果精度很高。5对于验证结果,根据本本文介绍了一种利用有限元方法