基于钢包停浇自然冷却条件下两种滑板底座的热/力分析

果晶晶，陈 健

（1.邢台职业技术学院资源与环境工程系，河北 邢台 054035；2.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北 邢台 054025）

钢包是盛装、运送钢水的主要设备。随着钢铁企业设备和装置的不断更新，对钢包质量要求也越来越高。因滑动水口浇注系统可以提高钢铁企业的作业率和经济效益，故其成为钢包控制钢流的首选[1-2]。

在滑动水口浇注系统中，一旦底座产生裂纹，就需要停止浇注，更换新的底座，故滑板底座的使用寿命直接影响到连铸生产的正常进行。分析钢包浇钢及停浇自然冷却过程中的滑板底座受热情况，对探寻底座的使用寿命起到相当关键的作用。浇钢过程中两种结构底座的热/力分析已被模拟过[3]，本研究以浇钢结束自然冷却过程中两种不同结构的滑板底座为研究对象，应用ANSYS有限元软件进行钢包停浇滑板底座自然冷却过程中的温度场和应力场的数值模拟，以期为提高滑板底座寿命，减少开裂提供理论指导。

1 滑板底座热/力耦合模型的建立

1.1 模型的建立

作为滑动水口浇注系统中的滑板底座，经历着底座安装→初包浇注→钢包放置冷却→浇注→钢包放置冷却→浇注的循环使用过程。本研究以浇钢结束自然冷却过程中两种不同结构的滑板底座为研究对象，为研究方便，将两种不同结构的滑板底座分别命名为1号底座和2号底座。依据底座结构的对称性，取1号和2号两种底座的1/2建立模型，其模型如图1所示[3-4]。

图1 滑板底座模型

1.2 定解条件

1.2.1 初始条件

钢包停浇金属底座自然冷却时，滑板底座的初始温度选取浇钢时计算出的金属底座温度场的最后一步。

在进行热应力计算时，在对称面上设置对称约束，固定孔处施加固定约束，其余为自由边界。在分析金属底座浇钢后的自然冷却过程中应力分布时，把浇钢30 min时计算出的应力结果视为初始应力。

1.2.2 边界条件

底座与空气接触的表面被空气冷却，形成自然对流（忽略辐射散热），自然对流的对流换热公式如下[5]：

式中：hf为底座与空气的对流换热系数；Tb为底座表面温度；Ta为环境温度。

由于底座的外表面温度较高，考虑到辐热散热对底座温度场的影响，采用综合对流传热来表示底座表面的自然对流和辐射散热；在计算域对称面上，单元在对称面法线方向上无热流通过，视为绝热条件。

1.3 铸坯物性参数的确定

底座热/力模拟过程中将要用到的材料物性参数见表1[3,6]。

表1 材料的物性参数

2 模拟结果与分析

2.1 钢水停浇底座自然冷却的传热

浇钢结束后，在自然冷却条件下，1号和2号两种底座的温度分布的变化过程如图2所示。两种底座在同一时刻的温度场分布情况基本相同。在钢水停浇28 min时1号底座温度出现最高值为436℃，这是由于浇钢结束以后，上水口温度仍较高，继续向底座传热，使得底座的温度继续上升，随时间的推移，上水口的温度逐渐降低，底座也冷却降温。

图2 停浇后底座的温度场分布

由表2可知钢水停浇，两种类型的金属底座在冷却时的最高温度与最低温度在各个时间点上的分布相差不是很多，差值最高为3℃。

表2 钢水停浇两种结构的金属底座冷却时的温度对比℃

2.2 钢水停浇底座自然冷却的应力

浇钢结束后，在自然冷却条件下，使用1号、2号两种结构的金属底座计算出的应力场结果对比如下页图3、4所示。图3为钢包停浇5 min及2 h时1号、2号滑板底座的等效应力分布。1号底座的最大等效应力（SEQV）产生于固定孔的周围或材料薄弱的部位，并在钢水停浇过程中最大等效应力值起初呈增加的趋势；停浇40 min时等效应力达到最大值，其值为509 MPa（见下页表3），随后等效应力值又开始减小。2号底座除固定孔的圆台附近因材料较薄存在较大的应力集中区域外，在金属底座下表面不存在沿底座中心45°方向上的应力集中区域，应力分布较均匀。

图3 停浇5 min、2 h底座的等效应力（SEQV）分布

同一时刻金属底座下表面（与钢包底部接触一侧）的应力值大于底座上表面（与上滑板接触一侧）的应力值，故可知浇钢结束时若产生裂纹，首先将从如图4所示的金属底座的下表面开始。图4为钢包浇钢5 min及2 h时的1号、2号滑板底座第一主应力分布图。停浇5 min时，在1号底座下表面沿底座水口孔中心45°方向为拉应力集中区域，第一主应力的最大值为567 MPa（见表3），随时间推移该值逐渐减小；当停浇冷却2 h后，底座的应力集中区域减弱，此时的第一主应力最大值为542 MPa。而2号底座的下表面不存在较大的应力集中分布区，比同一时刻的1号底座的第一主应力分布要均匀得多。

图4 停浇5 min、2 h底座的第一主应力（S1）分布

表3 停浇过程中两种结构底座的应力值 MPa

3 结论

1）浇钢结束在自然冷却条件下，两种底座在同一时刻的温度场分布情况基本相同；在钢水停浇28 min时1号底座温度出现最高值为436℃。

2）两种类型的金属底座在冷却时的最高温度与最低温度在各个时间点上的分布相差不是很多，差值最高为3℃。

3）钢包停浇自然冷却时，1号底座的最大等效应力（SEQV）产生于固定孔的周围或材料薄弱的部位。在钢水停浇过程中，最大等效应力值起初呈增加的趋势，停浇40 min时等效应力达到最大值，其值为509 MPa，随后等效应力值又开始减小。

4）2号底座的下表面不存在较大的应力集中分布区，比同一时刻的1号底座的第一主应力分布要均匀得多。