CN107096898A - 一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，属于属于钢铁冶金连铸技术领域。本发明包括如下步骤：步骤1、构建板坯结晶器出口坯壳的等效简支梁受力分析模型；步骤2、根据结晶器出口凝固坯壳受到的载荷和简支梁模型确定材料力学参数；步骤3、由材料力学理论构建结晶器出口坯壳强度校核模型；步骤4、确定结晶器出口坯壳的强度标准；步骤5、根据结晶器出口坯壳强度校核模型，计算危险断面位置坯壳厚度极限。本发明依托板坯连铸工艺实际，理论可靠，简便易行，适用性强，可快速有效确定不同钢种不同断面在不同温度下的结晶器出口宽面和窄面最小安全坯壳厚度，为连铸机设计和连铸工艺优化提供重要支撑。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金连铸技术领域，更具体地说，涉及一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法。
背景技术
在连铸结晶器内，由于钢液与水冷铜板的传热，钢液凝固成一定厚度和足够强度的坯壳，然后在结晶器振动和保护渣润滑作用下，坯壳能连续安全的被拉出结晶器。如果凝固坯壳在出结晶器后由于厚度不足或强度不够而不能抵御钢水静压力等的作用，则会破裂发生漏钢。在结晶器内部时薄弱的坯壳有铜板支撑，而被拉出结晶器后失去支撑，在钢水静压力、拉坯力和高温应力等作用下，没有足够的安全坯壳厚度是不能防止漏钢的。漏钢是连铸过程的重大恶性事故，会造成巨大经济损失。
结晶器出口安全坯壳厚度的确定在连铸设备和工艺设计中至关重要，比如结晶器长度设计、拉坯速度设计、结晶器冷却制度确定等。结晶器长度的设计就需要综合考虑拉坯速度和结晶器冷却强度等因素，根据结晶器出口安全坯壳厚度来确定。此外，随着高效连铸技术的发展，提高拉速已成为了很多连铸机的重要任务之一，尤其是在国内板坯连铸机拉速水平不及国际先进水平的现状下。而拉速的提高，根据凝固平方根定律可知，势必会降低结晶器出口的坯壳厚度，增加漏钢风险，所以，必须在保证安全坯壳厚度的条件下，适当提高拉速，也就是说根据安全坯壳厚度，可以推出提高拉速的潜力。结晶器出口安全坯壳厚度的合理确定是避免漏钢的基本要求，也是避免铸坯表面质量问题的重要途径。因此，探究防止漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，对连铸技术发展具有重要意义。
目前对结晶器出口安全坯壳厚度的研究，一方面是根据现场经验或者利用漏钢坯壳测量的坯壳厚度等方法来估计出结晶器时安全坯壳厚度，比如板坯结晶器出口安全坯壳厚度应大于15mm，小方坯应为8mm～10mm，其没有统一标准和可靠依据，如果安全坯壳厚度人为选取过大，意味着结晶器出口坯壳表面温度一般也过低，坯壳表面温度回升相应加大，从而产生较大的热应力，不利于铸坯表面质量，同时也一定程度限制了拉速水平的提高。另一方面是集中在对连铸方坯和圆坯结晶器出口安全坯壳厚度计算，比如文献《包晶钢圆坯结晶器出口安全坯壳厚度的研究》和《包晶钢大方坯结晶器出口安全坯壳厚度的研究》根据圆坯和方坯特点通过其坯壳受力分析确定安全坯壳厚度，但对于板坯，由于铸机辊列布置与方坯和圆坯不同，按照此方法建立简支梁模型并不准确，即使按照该方法建立简支梁模型计算出来的安全坯壳厚度也远大于正常生产坯壳厚度。文献《特大断面连铸方坯结晶器出口的安全坯壳厚度》对大方坯和小方坯采用有限元方法，建立坯壳三维热力耦合模型计算坯壳应力分布，通过坯壳表面应力分布与材料屈服极限来判断确定安全坯壳厚度，其建模和计算过程繁琐复杂，且不同钢种不同铸坯断面的适用性较差。
关于结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，现有技术中也有相关专利公开，如专利公开号：CN 103386472A，公开日：2013年11月13日，发明创造名称为：一种连铸结晶器出口坯壳安全厚度的获取方法及装置，该申请案公开了一种连铸结晶器出口坯壳安全厚度的获取方法及装置，该方法基于不均匀温度场平板的形变，计算连铸结晶器出口与足辊间坯壳的最大鼓肚形变量；以最大鼓度量小于等于临界鼓肚形变量为判据，计算连铸结晶器出口坯壳安全厚度。该申请案结合理论计算以及钢种材料属性得出连铸结晶器出口坯壳安全厚度，改变了通过经验判断连铸结晶器出口坯壳厚度是否合格的做法，对于提升钢材成型质量以及生产安全性具有重要意义。但是，该申请案的不足之处在于：以最大鼓度量小于等于临界鼓肚形变量为判据计算连铸结晶器出口坯壳安全厚度的方式其计算的准确性还有待提升。
综上所述，如何根据板坯连铸机的特点，设计一种切实可行的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，是现有技术中亟需解决的技术问题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，该方法简便易行，理论可靠，适用性强，为实际连铸机设计和工艺优化提供理论基础和技术支撑。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，包括如下步骤：
步骤1、根据板坯连铸机结构，确定结晶器出口凝固坯壳的受力情况，构建板坯结晶器出口坯壳的等效简支梁受力分析模型；
步骤2、根据结晶器出口凝固坯壳受到的载荷和简支梁模型确定材料力学参数；
步骤3、根据简支梁模型的材料力学参数，由材料力学理论构建结晶器出口坯壳强度校核模型；
步骤4、确定结晶器出口坯壳的强度标准；
步骤5、根据结晶器出口坯壳强度校核模型，计算危险断面位置坯壳厚度极限。
作为本发明更进一步的改进，步骤2中，所述材料力学参数包括简支梁支座反力、剪力和弯矩分布、最大剪力、最大弯矩和危险断面位置。
作为本发明更进一步的改进，按照步骤1至步骤5分别对结晶器出口凝固坯壳宽面和窄面进行强度校核，分别得到结晶器出口宽面和窄面的最小安全坯壳厚度。
作为本发明更进一步的改进，步骤4中，所述强度标准为屈服强度。
作为本发明更进一步的改进，所述屈服强度的确定步骤如下，首先根据钢的高温力学性能试验，确定不同钢种在不同温度下的屈服强度，建立对应数据库；然后在实际应用时，直接在屈服强度数据库中，根据钢种和结晶器出口坯壳温度查找确定结晶器出口坯壳的屈服强度。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明根据实际板坯连铸机的结构特点，将材料力学理论准确的运用到结晶器出口高温坯壳的强度校核中，通过简支梁受力分析模型可快速有效地确定不同钢种不同断面在不同温度下的结晶器出口安全坯壳厚度，对实际连铸机设计和连铸工艺优化具有重要的理论和现实意义。
(2)本发明提出一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，为粘结性漏钢修复条件的推导提供了重要依据，将彻底改变以往的将防止漏钢的最小安全坯壳厚度用正常生长坯壳厚度代替的观念，进一步完善粘结性漏钢的修复理论和动态控制策略。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法的流程图；
图2为实施例1中板坯连铸机结晶器与足辊段结构的侧视图，mm；
图3为实施例1中结晶器出口凝固坯壳受力情况示意图(a)和等效简支梁模型示意图(b)；
图4为实施例1中等效简支梁的剪力图和弯矩图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明具体实施做进一步详细说明。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，包括如下步骤：
步骤1、根据实际板坯连铸机结构特点，确定结晶器出口凝固坯壳的受力情况，建立结晶器出口等效坯壳的简支梁受力分析模型。
本实施例为板坯连铸机，浇铸钢种范围宽，包括超低碳钢、低碳钢、包晶钢和中碳钢等，浇铸板坯断面为230×(900～2150)mm2，采用组合式直结晶器，两块宽面铜板，两块窄面铜板，长度均为900mm，结晶器宽度和厚度根据板坯断面调整，钢水在结晶器内凝固成一定厚度坯壳，出结晶器后受到喷水冷却，坯壳宽面内弧侧和外弧侧分别受到一根足辊支撑，坯壳窄面左侧和右侧分别受到三根足辊支撑，如图2所示。
图3(a)显示了出结晶器凝固坯壳的受力特点，取结晶器下端A点与第一根足辊B点之间的坯壳构建图3(b)的简支梁模型，简支梁长度为lB-lA，该简支梁受到的载荷主要为钢水静压力，其为变载荷，如下式所示。
q(x)＝ρg(lA+x)
式中，q(x)为垂直拉坯方向距A点x位置坯壳所受载荷，Pa；ρ为坯壳密度，取7850kg/m3；g为重力加速度，取9.8N/kg；lA为垂直拉坯方向结晶器下端A点与弯月面之间的距离，mm；lB为垂直拉坯方向第一根足辊B点与弯月面之间的距离，mm；x为垂直拉坯方向简支梁上某一位置处距A点的距离，mm。
步骤2、根据结晶器出口凝固坯壳受到的载荷和简支梁模型确定材料力学参数，包括简支梁支座反力、简支梁上剪力和弯矩分布、最大剪力、最大弯矩、危险断面位置等。
步骤2.1、确定简支梁A点和B点支座反力。
式中，∑F为简支梁受到的合力，N；∑M为简支梁受到的弯矩，N·m；RA为A点支座反力，N；RB为B点支座反力，N；b为板坯宽度，m。
根据以上静力平衡方程，可求出A点支座反力RA、B点支座反力RB，如下式所示。
步骤2.2、列出简支梁x处截面剪力和弯矩方程。
式中，Q(x)为简支梁x处截面上剪力，N；M(x)为简支梁x处截面上弯矩，N·m；b为板坯宽度，m。
根据以上剪力和弯矩方程可以求出简支梁x处截面上剪力Q(x)和弯矩M(x)，如下：
由上式可知，剪力Q(x)是弯矩M(x)的导函数。
步骤2.3、根据以上剪力Q(x)和弯矩M(x)函数画出简支梁上剪力和弯矩分布，如图4所示。其中，
步骤2.4、根据简支梁剪力和弯矩分布图，分析简支梁上危险断面位置，求出最大剪力和最大弯矩，如下：
由剪力分布图可知，只有x≥0时才具有实际意义，则当x＝0时，
当x＝lB-lA时，
且所以简支梁上最大剪力位置在x＝0。
由弯矩分布图可知，当时，弯矩M(x)有最大值。
所以由上分析可知，危险截面位于x＝0或x＝x2处。
步骤3、根据简支梁模型的材料力学参数，由材料力学理论构建结晶器出口坯壳强度校核模型，如下：
由图4剪力和弯矩分布可知，当x＝0时，弯矩为0，说明简支梁该截面受到纯剪切作用，且剪力为最大值，同时定义简支梁横截面为矩形，则根据材料力学理论可知，在剪力最大值的截面的中性轴上，该矩形截面梁有最大切应力τmax，再根据弯曲切应力的强度条件，如下：
式中，dn为结晶器出口凝固坯壳厚度，m；[τ]为坯壳的许用切应力，Pa。
当时，剪力为0，说明简支梁该截面受到纯弯矩作用，且弯矩为最大值，而简支梁横截面为矩形，则根据材料力学理论可知，在弯矩最大值的截面上，该矩形截面梁有最大正应力σmax，再根据弯曲正应力的强度条件，如下式所示。这里结晶器出口坯壳的等效简支梁截面的正应力为拉应力。
式中，[σ]为坯壳的弯曲许用应力，Pa。
由于lB-lA＞＞d(即简支梁的长度远大于宽度)，且剪切力比较小，则该简支梁可以看作细长梁。而细长梁的控制因素通常是弯曲正应力，所以，构建结晶器出口坯壳强度校核模型时，只需满足等效简支梁弯曲正应力的强度条件，因为此时，满足弯曲正应力强度条件的梁一般都能满足切应力的强度条件。也就是说，将结晶器出口坯壳所受最大拉应力与坯壳强度极限比较进行强度校核即可，当结晶器出口坯壳所受最大拉应力小于其自身极限强度时，说明坯壳可以承受钢水静压力，是在安全状态，否则可能会破裂发生漏钢。
步骤4、在生产中既要保证铸坯的安全顺行还要保证铸坯的质量，为此，安全坯壳的强度标准采用保守的屈服强度而不采用强度极限，为了避免坯壳发生永久的塑性变形，只允许坯壳发生可回复的弹性变形，以保证铸坯质量。所以，首先根据钢的高温力学性能试验，确定不同钢种在不同温度下的屈服强度，建立对应数据库。然后在实际应用时，直接在屈服强度数据库中，根据钢种和结晶器出口坯壳温度查找确定结晶器出口高温坯壳的屈服强度。将屈服强度除以安全系数n可得到坯壳许用拉应力[σ]。
步骤5、由结晶器出口坯壳强度校核模型，可得危险断面x＝x2位置坯壳厚度极限，也就是安全坯壳厚度，如下式所示。这里，为钢种、过热度、拉矫力等的影响系数，取1～1.3。
所以结晶器出口的最小安全坯壳厚度dBO为：
式中， 取1.3。由上式可知，结晶器出口的最小安全坯壳厚度dBO与板坯宽度b无关。
步骤6、根据该板坯连铸机结晶器到足辊段结构特点，按照步骤1到步骤5分别对结晶器出口凝固坯壳宽面和窄面构建简支梁受力分析模型，进行坯壳强度校核，可分别得到宽面和窄面坯壳的最小安全坯壳厚度。
以钢种SS400为例，该坯壳在不同温度下屈服强度σs如表1所示，坯壳许用应力其中安全系数n取2.5。
(1)对于结晶器出口宽面最小安全坯壳厚度，lA＝800mm，lB＝910mm，则：
(2)对于结晶器出口窄面最小安全坯壳厚度，lA＝800mm，lB＝958.5mm，则：
由以上计算，可得SS400钢的凝固坯壳在不同温度下结晶器出口宽面和窄面的最小安全坯壳厚度，如下表所示。
表1 SS400钢凝固坯壳不同温度下屈服强度和最小安全坯壳厚度
本发明的特定实施例已对本发明的内容做出了详尽的说明，但不局限本实施例，本领域技术人员根据本发明的启示所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利保护的范围。
Claims (5)
1.一种防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据板坯连铸机结构，确定结晶器出口凝固坯壳的受力情况，构建板坯结晶器出口坯壳的等效简支梁受力分析模型；
步骤2、根据结晶器出口凝固坯壳受到的载荷和简支梁模型确定材料力学参数；
步骤3、根据简支梁模型的材料力学参数，由材料力学理论构建结晶器出口坯壳强度校核模型；
步骤4、确定结晶器出口坯壳的强度标准；
步骤5、根据结晶器出口坯壳强度校核模型，计算危险断面位置坯壳厚度极限。
2.根据权利要求1所述的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，其特征在于：步骤2中，所述材料力学参数包括所述简支梁支座反力、剪力和弯矩分布、最大剪力、最大弯矩和危险断面位置。
3.根据权利要求2所述的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，其特征在于：按照步骤1至步骤5分别对结晶器出口凝固坯壳宽面和窄面进行强度校核，分别得到结晶器出口宽面和窄面的最小安全坯壳厚度。
4.根据权利要求2或3所述的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，其特征在于：步骤4中，所述强度标准为屈服强度。
5.据权利要求3或4述的防止板坯连铸漏钢的结晶器出口安全坯壳厚度确定方法，其特征在于：所述屈服强度的确定步骤如下，首先根据钢的高温力学性能试验，确定不同钢种在不同温度下的屈服强度，建立对应数据库；然后在实际应用时，直接在屈服强度数据库中，根据钢种和结晶器出口坯壳温度查找确定结晶器出口坯壳的屈服强度。
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