（南京钢铁联合有限公司，江苏南京210035）
摘要：随着计算机数值计算技术、有限元软件技术的快速发展，对连铸机弯曲段应力和热分析和研究逐渐深入，准确的计算机械应力和温度变形，为复杂空间结构的弯曲段的刚度、强度研究提供有效、准确的计算结果。因此，文章针对连铸机弯曲段机械应力与热变形进行了分析，以供参考。
关键词：连铸机；弯曲段；机械应力；热变形
前言
改革开放以来，我国钢铁工业得到前所未有的发展，尤其是连铸机技术的推广和应用，为推动我国钢铁工业的发展做出了巨大的贡献，连铸设备、连铸技术已经成为评价一个国家钢铁工业水平的重要指标。连铸机弯曲段具有重量大、空间结构复杂、尺寸大等特点，由于弯曲段承受高幅荷载冲击，并且处在高温冶炼环境中，在机械应力、温度应力作用下会产生较大的热变形，进而影响铸坯质量。因此，对连铸机弯曲段机械应力与热变形分析和研究就显得尤为重要。
1连铸机弯曲段机械应力分析
1.1连铸机弯曲段的关键力学分析。连铸机弯曲段的关键力学主要包括以下三个方面：
（1）弯曲段的整体刚度。连铸机弯曲段主要承受的应力包括自身重力、拉坯阻力、钢水静压、冷却水压、热力等，连铸机弯曲段的工作环境温度较高，变形量、变相状态的大小，会直接影响铸坯质量，并且在应力作用下产生变形，会导致弯曲段和周围附件产生摩擦，既会影响弯曲段的寿命，又会影响铸坯质量，对钢铁厂的正常生产造成不良的影响，同时还会造成严重的经济损失。
（2）拉矫辊的刚度与强度。拉矫辊是连铸机弯曲段的核心构件，在拉坯的过程中，拉矫辊处在周期变化、温度不均匀分布的温度场中，由于拉矫辊内部材料之间相互约束，限制了辊子的热膨胀，在温度应力的作用下会导致辊子发生变形，如果温度应力超过一定限度，甚至会导致辊子出现断裂的问题，因此对辊子高度的要求非常高。
（3）耳轴座的刚度。连铸机弯曲段的耳轴座需要承受弯曲段的自重、工作荷载，因此承受较大的机械应力、温度应力、矫直力，并且在矫直力的作用下，会导致弯曲段出现钟摆式晃动，这样不仅会损坏耳轴座，缩短耳轴座的使用寿命，还会影响钢坯的质量，甚至出现大面积板坯质量事故。因此，必须保证耳轴座的刚度，避免出现由于耳轴座变形导致的钢坯质量问题。
1.2连铸机弯曲段的机械应力分析。连铸机弯曲段机械应力主要包括：
（1）整体机械应力。弯曲段整体机械应力如图1所示，根据图1可知，连铸机在负载状态下，弯曲段整体结构的机械应力非常小，并且应变也非常小，由此可见，在该种应力状态下，不会对机械结构造成大的影响或者损坏，从侧面表明，导致连铸机弯曲段损坏的主要原因是机械应力与温度耦合应力的共同作用。
（2）机械-温度耦合应力。机械-温度耦合应力主要包括以下几个方面：a.耳轴座机械-温度耦合应力，连铸机弯曲段耳轴座应力分布均匀，在耳轴座接触部分、机架拉杆部分的机械-温度耦合应力最高，并且应力峰值超过温度应力，表明在耳轴座存在机械-温度耦合应力，根据实践经验，耳轴座的压溃变形等破坏现象都是由于该种应力造成的，机架杆和耳轴座连接部分的机械-温度耦合应力超过其他部位，并且超过温度应力；b.钢筋板机械-温度耦合应力，钢筋板机械-温度耦合应力分布比较均匀，机械-温度耦合应力的峰值出现在弯曲段机架和钢筋板连接的位置，并且小于温度应力，轴承和钢筋板连接部分的机械-温度耦合应力较小；c.拉矫辊机械-温度耦合应力，拉矫辊机械-温度耦合应力分布相对均匀，在弯曲段轴承接触的局部以及辊子两端存在集中的机械-温度耦合应力，应力峰值超过温度应力；d.整体机械-温度耦合应力，连铸机弯曲段机械-温度耦合应力的分布状况比较平均，纵向拉杆、横向拉杆的弯曲段承受较大的机械-温度耦合应力，由于机械应力对弯曲段机构变形的影响相对较小，侧面反映导致弯曲段结构变形的主要原因是温度荷载，根据弯曲段整体机械-温度耦合应力云图（如图2）可知，在香蕉座底部存在较大的应力，在温度应力的作用下，机械应力的作用忽略不计，在香蕉底座增加刚性全约束，机械-温度耦合应力则集中在香蕉座的底部，温度应力峰值和机械-温度耦合应力峰值几乎相同，仅仅相差0.0039。
2连铸机弯曲段热变形分析
2.1温度场计算分析
连铸机弯曲段温度场计算采用三维有限元计算方法，该种计算方法能够获得连铸机弯曲段的温度场分布图，为连铸机弯曲段的热变形分析提供可靠的参考，温度场计算主要包括以下几个方面：
2.1.1整体温度场计算分析。基于有限元模型的整体温度场云图如图3所示，由图可知，连铸机弯曲段整体温度场主要集中在辊子内表面，最高温度达到700℃，为了方便计算，简化处理了香蕉座，香蕉座的温度设定有限元模型计算的最低温度，即150℃。
2.1.2温度场计算分析。温度场计算在连铸机弯曲段温度场计算中占据着至关重要的地位，不仅需要考虑温度边界的恶劣环境，还应该创建精确的三维模型，以辊子为例，辊子在实践生产的过程中，环境温度非常高，最大温度达到700℃，在该种高温环境下工作，不仅应该考虑辊子是否能够承受高温而不变形，还应该考虑关联的轴承、钢筋板、机架等关联部分，由于耳轴座附近存在液压系统，液压系统有水流经过，会降低耳轴座的温度，温度控制在200℃左右。
2.2连铸机弯曲段热变形分析
2.2.1机械变形。连铸机弯曲段的机械变形主要表现为：整体机械变形较小；弯曲段拉矫辊以及耳轴座的变形比较大；由于香蕉座的影响，导致弯曲段存在较大的机械变形，弯曲段向侧面倾斜。
2.2.2温度变形。根据连铸机弯曲段耳轴座温度变形图、钢筋板温度变形图、拉矫辊温度变形图、弯曲段整体温度变形图可知，连铸机弯曲段的温度变形主要表现为：无论是从主要构件变形，还是从整体温度变形来看，由于温度应力导致的变形数值都比机械应力导致的变形数值大；虽然香蕉座和耳轴座存在关联，导致依然存在较大的温度变形；钢筋板温度变形主要集中在底部，主要是因为温度应力主要集中在钢筋板的底部；拉矫辊存在较大的温度变形，变形位置主要集中在辊子的两端；弯曲段整体温度变形主要集中在机架耳孔面板上，并且变形变现为水平拉伸变形。
2.2.3机械-温度耦合变形。根据耳轴座机械-温度耦合变形图、钢筋板温度机械-温度耦合变形图、拉矫辊机械-温度耦合变形图、整体机械-温度耦合变形图可知，机械-温度耦合变形变形主要表现为：通过对温度变形和机械-温度耦合变形进行对比可知，各个构件与整体的变形量几乎相同，由此可见，导致弯曲段出现变形的主要原因是温度应力；无论是从各个构件变形，还是从整体变形来看，机械-温度耦合变形数值远远超过机械变形；耳轴座和香蕉座之间存在密切关联，但是耳轴座存在较大的温度变形，这与耳轴座的压溃变形问题相符，通过分析香蕉座的温度变形，能够为耳轴座的加固、改造以及设计等提供可靠的参考；钢筋板的温度变形主要集中在底部；拉矫辊的温度变形相对较小，主要集中在辊子两端；连铸机整体机械-温度耦合变形主要发生在机架耳孔面板上，表现为水平拉伸变形。
3结语
3.1根据连铸机弯曲段机械-温度耦合应力分析可知，对连铸机弯曲段结构产生影响的不是机械应力，而是温度应力。
3.2通过三维有限元计算分析可知，耳轴座、钢筋板底部等存在较大的变形，和实际使用中发生的压溃变形相符。
参考文献：
[1]陈将，赵勋亚，曾珊，彭晓华．板坯连铸机弯曲段有限元分析[J]．冶金设备，2011（1）
[2]王钰栋，金磊，洪清泉．HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M]．北京：机械工程出版社，2012
[3]薛风光，胡仁喜，康士廷．ANSYSl2.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，2010