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200mm钢锭模的强度有限元分析

发布于:2020-11-10 18:50
有限元分析

       钢锭模是炼钢厂耗量极大的工艺易损品,其使用寿命直接影响钢锭成本。因此,近年来,国内外学者对钢锭模的材质、结构进行了一系列的研究,特别是利用有限元分析钢锭模的热应力,从而设计出应力分布比较合理的钢锭模,从结构进行了钢锭模的优化设计,延长钢锭模的使用寿命,降低钢锭模消耗,使钢锭模的设计理论有了新的发展。本文对文献中烟台钢厂两种截面尺寸的200mm钢锭模进行了应力分析。在浇铸过程中,钢锭模的温度非常复杂,难以给出准确的温度分布。本文采用平行对比法,即在同一温度下研究两种钢锭模的热应力分布。这样处理避免了复杂的温度场计算,侧重于两种模子的比较。在计算时采的是ANSYS程序,ANSYS程序是一个比较权威大型的通用有限元程序,它含有丰富的单元库。
       计算结果表明文献中新设计方案比原方案设计出的模子应力分布合理,新方案比原方案模子寿命长,钢锭模消耗低;但文献中新设计方案不是最优的,利用有限元法进行钢锭模的应力分析、进行了钢锭模的优化设计,可以设计出截面形状、尺寸更合理的钢锭模,降低模耗。
       从开始浇钢到脱模的整个过程,钢锭模内、外壁之间始终存在着温度差。这个温度差,将在钢锭模的内外壁之间产生热应力。
       传统的观点认为,从钢锭散出的热量与钢锭模的壁厚成正比,模壁越厚散热速度也越快,钢锭的初生外壳也越厚。钢锭模工作状态下所承受的应力为热应力,如果钢锭模周围各点温度相等,热应力是一致的。例如,所铸钢锭为圆形,则钢锭模的截面为圆环形。在热应力不超过材料的许用应力时,这种钢锭模的寿命从理论上说,应该是长寿无限的。但实际上是不可能的,因为,钢锭模除了受热应力的作用外,还有疲劳应力,内表面的氧化脱碳等种种作用。然而有一点可以肯定,在消除或减小钢锭模由于热应力所形成的裂纹后,延长其寿命是非常有效的。要使钢锭模各部位在工作时温度均匀一致,一方面是加厚钢锭模工作时温度最高部位的模壁厚度,另一方面是减薄工作状态温度较低的模壁厚度。
       由于原设计方案不合理,使用效果不理想,对原设计方案进行改进,新设计200mm钢锭模下口尺寸如图所示。
       新设计的200mm钢锭模消耗见表,共统计947支钢锭模,报废原因分类情况,列于表2中。新设计方案比原方案钢锭模消耗低。
       计算结果表明:(l)新设计方案比原方案的应力分布合理,所以新方案的模耗低。(2)新方案的模子变形比原方案均匀所以新方案粘模的比例小,便于脱模;(3)角部厚度和对称面部位厚度的比值是一个重要参数,它反映了整个截面内各部位的刚度分配,这一参数稍有变化(其它条件不变),钢锭模截面内的应力分布急剧变化。原方案角部厚厚度与对称面部位的厚度的比值为0.83,新方案角部厚度和对称面厚度的比值为0.86;原方案角部厚度和对称面部位厚度比值偏小,造成刚度分布不合理,应力分布不均匀,新方案角部厚度和对称面部位厚度的比值和原方案比较,有所提高,从而改善了各部位的刚度分配,应力分布比较均匀。
       本文通过有限元计算表明,新设计比原设计合理,但仍有潜力可挖。
       烟台200mm钢锭模的设计不是最优的,如果采用合理的截面形状尺寸,钢锭模消耗一定能进一步降低。



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