结晶器铜管(大断面矩形结晶器铜管使用过程中变形分析)

结晶器铜管

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大断面矩形结晶器铜管使用过程中变形分析
韩伦杰1   曹学谦2
（1钢铁研究总院华东分院    2中冶京诚）
摘要：首先简要论述了矩形结晶器在浇注过程铜管的受力机理，然后对大断面矩形铜管，在承受不同水压状态下进行测量，分析了结晶器铜管在冷却水压力作用下，铜管锥度的变化。同时进行建立数模，进行模拟计算，得出相同的结果。为结晶器铜管设计、浇注过程的合理使用提供了依据。
关键词：矩形结晶器，铜管，冷却水压，热应力，变形，锥度
0. 引言
结晶器铜管作为连铸的核心部件，铜管锥度合适与否，直接影响到连铸坯的质量与浇注过程的顺行。分析清楚结晶器铜管在浇注状态时的受力状况，有利于更加深入地了解铸坯在结晶器产生各种缺陷的原因、机理，同时在铜管设计过程中也能够充分考虑与应用。随着大断面矩形结晶器铜管的普遍使用,其在浇注状态的内腔尺寸的变化，直接影响到浇钢产品的质量。
1. 受力分析与理论计算
1.1. 结晶器铜管在浇注过程的受力分析
在浇注过程中，铜管的受力状态如下图：
N1、N2：铜管密封预紧力；
P1：铜管冷却水静压力；
P2：钢水的静压力；
f：拉钢过程的摩擦力；
从上图可以看出，铜管除安装密封时，受所需的压力外，由于铜管外壁冷却，一定的水流速，承受冷却水压力、钢水的静压力、拉钢过程的摩擦力。
冷却水对铜管产生的静压力：
P1﹦Pw＋Ph
式中：Pw  冷却水静压力对铜管产生的力；
      Ph  由于结晶器冷却水高度差，对铜管产生的压力；
一般情况下， Ph仅为Pw的1/100左右，在试验与计算中可以不予考虑。
钢水对铜管产生的静压力为：
ρ钢水为ρ水的6.8 ～7.3倍，在结晶器内的h钢水最大值为720mm（结晶器总长为800mm），产生的压力约为0.05MPa，即使全部作用在铜管上（不考虑坯壳承受部分钢水静压力），与结晶器冷却水产生的压力0.6～1.0MPa相比，仍有较大的差距，故在试验与计算过程中不考虑钢水对铜管产生的压力。
铜管受热不均匀产生的应力：
在浇注过程，由于铜管热负荷主要集中在弯月面及以下300mm以内，内外壁受热不均匀，也使铜管产生一定的变形。
1.2. 理论计算
1.2.1. 未浇注态状况
在结晶器未进行浇注，提供正常的结晶器冷却水量情况下，由于铜管冷却过程水压的作用，铜管内壁会发生微量的变形。其变形量的多少直接影响到浇注过程的铸坯质量、铜管的制作与改进。为此先按照理论机械计算，承压后铜管的变形量。
在一个梁式结构件两端固定时，给一个相对均匀分布的压力（液态均布压强作用下），结构件会有一定的变形，中心部位变形量最大，称为挠度（如图2）。铜管变形按照这种模型进行理论计算，材质为纯铜，计算370*480铜管宽面的变形量如下表：
表1：铜材梁式结构理论挠度表

备注：以370mm*480mm铜管，内腔尺寸按照实际380*492进行计算，壁厚32mm。
1.2.2. 浇注过程状况
在浇注过程中，铜管内外壁有一定的温度差，也使铜管产生微量的变形。由于结晶器的弯月面与其他部位的传热量的差别，内外壁的温差为不均匀分布。但总体为铜管内壁温度高于外壁温度，使铜管有微量的向内鼓胀趋势。
计算简化为：铜管内外壁温差按照100℃计算，纯铜的热膨胀系数为16.7×10-6m/℃，由于受结晶器角部的约束，结晶器宽、窄面变形量计算如下：
结晶器宽面变形量为：
16.7×10-6×100×0.48＝8.016×10-4m＝0.8016mm
结晶器窄面变形量为：
16.7×10-6×100×0.37＝6.179×10-4m＝0.6179mm
从以上分析看：结晶器铜管冷却水压的影响应大于结晶器热负荷造成的影响。下面对结晶器冷却水压对铜管变形的进行测量与分析。
2. 试验检测与分析
对370*480铜管（壁厚32mm）的不同部位进行检测（如图），检测情况如下：
2.1. 实际检测铜管宽面内腔尺寸的变化
2.1.1. 铜管宽面（AK、BL）
     对370*480铜管的宽面中心内部尺寸（AK部位），每间隔一定距离各点标注，同时在无水压、水压0.6MPa、水压1.0MPa分别进行检测，检测结果见下表：
表2：不同压力条件下,铜管宽面中心线位置（AK）内腔尺寸的变化

从上图可以看出：AK纵向监测线，随着冷却水压力的变化，相同两个点间距发生微量变形。从无压力到0.6MPa，变形最大值为1.12mm；到1.0MPa，变形最大值为1.76mm；冷却水压力0.6MPa提高到1.0MPa，铜管的变形量最大达到0.72mm。变形的最大点在铜管中部，上下距法兰较近处变形较小。
     对370*480铜管的宽面BL位置检测，如下图所示：
经测量：BL纵向监测线，随着冷却水压力从无压力到0.6MPa，变形最大值为0.75mm；到1.0MPa，变形最大值为1.22mm；冷却水压力0.6MPa提高到1.0MPa，铜管的变形量最大达到0.47mm。变化趋势与AK检测线相同，变形量相对减小。
由于铜管为非理想的梁式结构，理论与实际变形量会有一定的差距，具体如下表：
表3：铜管理论挠度与实测值

在370*480铜管宽面的中心（AK），不同压力条件下，实测变形量为理论变形量约40%。在370*480铜管宽面的1/4处（BL），由于距离边部较近，受到两侧的约束，实测变形量为理论变形量约29%。
2.1.2. 铜管窄面中心（CM、DN）
对370*480铜管的窄面中心内部尺寸，每间隔一定距离各点标注，同时在无水压、水压0.6MPa、水压1.0MPa分别进行检测，检测结果见下表：
表4：不同压力条件下,铜管窄面中心线位置（CM）内腔尺寸的变化

从上图可以看出：CM纵向监测线，从无压力到0.6MPa，变形最大值为0.19mm；到1.0MPa，变形最大值为0.19mm。不过此次变形与宽面中心有所不同，在铜管中心部位相同两个固定点，产生铜管间距加大。且冷却水压力0.6MPa提高到1.0MPa，也出现这种变化趋势。
对370*480铜管的宽面DN位置检测，如下图所示：
经测量分析：DN纵向监测线，从无压力到0.6MPa，变形最大值为0.07mm；到1.0MPa，变形最大值为0.09mm，与CM检测线变化趋势相同。
在保证铜管冷却水流速（冷却水流量）的情况下，经过现场多次试验，由于铜管冷却过程水压的作用，铜管内壁会发生微量的变形，其检测点的变形量如下表：
表5：0.6MPa-1.0MPa铜管间距变化（mm）

图8：0.6MPa-1.0MPa铜管检测点间距变化图
从上图可以看出：铜管内的水压从0.6MPa，增加到1.0MPa，由于水压力的作用，使铜管沿轴向、径向均发生微量变化，在铜管宽面的中心部位（AK）向内鼓胀的最为严重，随着沿边部的延伸，逐步减小。宽面中心最大的鼓胀值达到0.70mm。在铜管窄面的中心部位（CM）向外鼓胀的最为严重，在上下部位则向内鼓胀，随着沿边部的延伸，逐步减小。这是由于窄面的变形受到宽面变形的影响，在宽面向内发生鼓胀较大时，窄面则向外发生鼓胀。
3. 结晶器承压后铜管锥度的变化
    由于窄面的在承受压力时，变形值较小，故仅对宽面的锥度进行研究。
    3.1. 本次检测的锥度变化
铜管冷却水压力的变化，造成铜管微量的变形，对连铸坯的断面尺寸影响很小，但对铜管锥度的变化影响较大。对铜管宽面1/2处（AK）、1/4处（BL），同一条线上每间隔一定距离上下两个数值差如下：
表6：铜管承受不同冷却水压力，铜管锥度的变化（mm）

图11：窄面中心线（CM）的锥度                     图12：窄面1/4线（DN）的锥度
从上图可以看出：原铜管的锥度在0.6MPa、1.0MPa的冷却水压力下，发生变形，在宽面其拐点也发生明显的变化，窄面锥度也发生一定的变化。
针对这一变化，铜管的原设计的锥度曲线，在冷却水的压力作用下，也应发生相应的变化。假设铜管变形为线性，在中部达到最大值，向上下部逐步线性降低，在上下法兰密封处铜管不变形。则在不同的压力条件下，均匀变形量如下：
    铜管宽面中心线，在0.6MPa压力条件下（最大变形量为1.12mm）：
       0~400mm增加值逐步增加：1.12/400*10=0.028mm/cm
       400~800mm增加值逐步降低：1.12/400*10=0.028mm/cm
同样可以计算出在其他状况下，铜管的变化，如下表：
表7：内腔的尺寸理想变化值（mm/cm）

备注：0~400mm增加值逐步增加，400~800mm增加值逐步降低，在铜管长度的中间部位达到最大值。
从上图表可以看出：在铜管的宽面AK检测线，原设计铜管的内腔尺寸，在生产过程中（结晶器的冷却水压力达到0.6MPa、1.0MPa），发生了变化，进而影响到铜管的锥度变化，在下半部发生负锥度的情况。由于铜管的变形在最大值在高度方向上的中间，故在铜管的上半部，起到增加锥度的作用，而在下半部减小锥度的作用，甚至出现负锥度的情况。
4. 数值模拟
    对铜管（370*480断面，32mm厚度），在不同水压状态，与浇注状态进行数值模拟，模拟结果如下：
              表8：结晶器材料及冷却水的热性能

表9：结晶器各种材料的热性能

符号 T、E、a、sy和 E1 分别代表温度、模量、热膨胀系数、初始屈服强度和线性硬化斜率。
铜的泊松比，为0.326
 上图为铜管1/4的模拟结果图，从上图可以看出铜管在不同过程的变形状态。
经过数值模拟分析：随着铜管壁厚的变化，在承压状态下，其变形值不同，以370*480铜管为例，得出变形量如下表：
表10：不同壁厚铜管的理想最大变形量

从上表可以看出：铜管壁厚减薄4mm后，在同等压力的条件下，变形值增加了35%左右。
5. 结论
5.1. 在承受不同冷却水压的状态下，铜管的形状对变形量、锥度有一定的影响。
5.2. 经过测量与分析，在工作压力的状态下，矩形铜管宽面大于窄面变形量，中部大于两侧变形量。
5.3. 减薄铜管壁，受冷却水压、浇注过程的热变形的影响较大。
 
参考文献：
[1] 蔡开科.连铸结晶器[M].北京:冶金工业出版社, 2008.

来源：2019全国高效连铸应用技术及铸坯质量控制研讨会论文集
钢铁行业热成像系统总汇—常州荣邦
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