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200mm鋼錠模的強度有限元分析

發布于:2020-11-10 18:50
有限元分析

       鋼錠模是煉鋼廠耗量極大的工藝易損品,其使用壽命直接影響鋼錠成本。因此,近年來,國內外學者對鋼錠模的材質、結構進行了一系列的研究,特別是利用有限元分析鋼錠模的熱應力,從而設計出應力分布比較合理的鋼錠模,從結構進行了鋼錠模的優化設計,延長鋼錠模的使用壽命,降低鋼錠模消耗,使鋼錠模的設計理論有了新的發展。本文對文獻中煙臺鋼廠兩種截面尺寸的200mm鋼錠模進行了應力分析。在澆鑄過程中,鋼錠模的溫度非常復雜,難以給出準確的溫度分布。本文采用平行對比法,即在同一溫度下研究兩種鋼錠模的熱應力分布。這樣處理避免了復雜的溫度場計算,側重于兩種模子的比較。在計算時采的是ANSYS程序,ANSYS程序是一個比較權威大型的通用有限元程序,它含有豐富的單元庫。
       計算結果表明文獻中新設計方案比原方案設計出的模子應力分布合理,新方案比原方案模子壽命長,鋼錠模消耗低;但文獻中新設計方案不是最優的,利用有限元法進行鋼錠模的應力分析、進行了鋼錠模的優化設計,可以設計出截面形狀、尺寸更合理的鋼錠模,降低模耗。
       從開始澆鋼到脫模的整個過程,鋼錠模內、外壁之間始終存在著溫度差。這個溫度差,將在鋼錠模的內外壁之間產生熱應力。
       傳統的觀點認為,從鋼錠散出的熱量與鋼錠模的壁厚成正比,模壁越厚散熱速度也越快,鋼錠的初生外殼也越厚。鋼錠模工作狀態下所承受的應力為熱應力,如果鋼錠模周圍各點溫度相等,熱應力是一致的。例如,所鑄鋼錠為圓形,則鋼錠模的截面為圓環形。在熱應力不超過材料的許用應力時,這種鋼錠模的壽命從理論上說,應該是長壽無限的。但實際上是不可能的,因為,鋼錠模除了受熱應力的作用外,還有疲勞應力,內表面的氧化脫碳等種種作用。然而有一點可以肯定,在消除或減小鋼錠模由于熱應力所形成的裂紋后,延長其壽命是非常有效的。要使鋼錠模各部位在工作時溫度均勻一致,一方面是加厚鋼錠模工作時溫度最高部位的模壁厚度,另一方面是減薄工作狀態溫度較低的模壁厚度。
       由于原設計方案不合理,使用效果不理想,對原設計方案進行改進,新設計200mm鋼錠模下口尺寸如圖所示。
       新設計的200mm鋼錠模消耗見表,共統計947支鋼錠模,報廢原因分類情況,列于表2中。新設計方案比原方案鋼錠模消耗低。
       計算結果表明:(l)新設計方案比原方案的應力分布合理,所以新方案的模耗低。(2)新方案的模子變形比原方案均勻所以新方案粘模的比例小,便于脫模;(3)角部厚度和對稱面部位厚度的比值是一個重要參數,它反映了整個截面內各部位的剛度分配,這一參數稍有變化(其它條件不變),鋼錠模截面內的應力分布急劇變化。原方案角部厚厚度與對稱面部位的厚度的比值為0.83,新方案角部厚度和對稱面厚度的比值為0.86;原方案角部厚度和對稱面部位厚度比值偏小,造成剛度分布不合理,應力分布不均勻,新方案角部厚度和對稱面部位厚度的比值和原方案比較,有所提高,從而改善了各部位的剛度分配,應力分布比較均勻。
       本文通過有限元計算表明,新設計比原設計合理,但仍有潛力可挖。
       煙臺200mm鋼錠模的設計不是最優的,如果采用合理的截面形狀尺寸,鋼錠模消耗一定能進一步降低。



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