板坯連鑄輥列設(shè)計的幾個問題

板坯連鑄輥列設(shè)計的幾個問題

1輥列與設(shè)備組成直弧連續(xù)鑄造機(jī)作為現(xiàn)代板料連造機(jī)的主要原型，具有均勻的混合配置特點。近年來，板料連造機(jī)的生產(chǎn)領(lǐng)域逐漸取代了弧形連續(xù)鑄造機(jī)。作為直弧形連鑄機(jī)設(shè)計的第一步就是輥列設(shè)計,輥列設(shè)計的水平是連鑄機(jī)設(shè)計水平高低的重要標(biāo)志之一?，F(xiàn)代化直弧型板坯連鑄機(jī),通常還帶有液芯彎曲和液芯矯直功能。如圖1所示,連鑄機(jī)輥列按照外弧線劃分,主要由直線區(qū)、彎曲區(qū)、圓弧區(qū)、矯直區(qū)、水平區(qū)幾部分組成;按照設(shè)備組成劃分,主要由一次冷卻的結(jié)晶器和二次冷卻的鑄流誘導(dǎo)支撐輥子組成。圖1所示的輥列由一個結(jié)晶器和65對鑄流誘導(dǎo)支撐輥子組成。2采用多種方法設(shè)計直弧型連鑄機(jī)輥列設(shè)計的目標(biāo)是把直線區(qū)、彎曲區(qū)、圓弧區(qū)、矯直區(qū)、水平區(qū)采用解析幾何的方法有機(jī)地銜接起來,目前常用的是多點彎曲矯直和連續(xù)彎曲矯直兩種設(shè)計法。國外西馬克/德馬克公司和日本的JSP公司采用的是多點彎矯設(shè)計方法;奧鋼聯(lián)工程技術(shù)公司和丹尼利(戴維)公司采用的是連續(xù)彎矯設(shè)計方法,而奧鋼聯(lián)工程技術(shù)公司最初把這種方法叫漸近彎矯法。2.1支撐輥子的設(shè)計多點矯直的概念是曼內(nèi)斯曼公司最早提出來,并于1973年應(yīng)用于日本川崎制鐵公司水島廠大方坯連鑄機(jī)上。多點彎曲矯直設(shè)計法主要是根據(jù)液芯板坯厚度和寬度,在確定了輥列主半徑的條件下,按照被彎曲矯直時板坯兩相界的等應(yīng)變原則,使得二次冷卻區(qū)的支撐誘導(dǎo)輥子按照多個圓弧半徑相銜接的方法進(jìn)行設(shè)計的。在彎矯區(qū)首先要根據(jù)經(jīng)驗確定彎曲區(qū)的“彎曲點”數(shù)目和矯直區(qū)的“矯直點”數(shù)目,然后計算出相鄰矯直點之間的圓弧半徑,這樣就把輥列的幾個區(qū)段有機(jī)地銜接起來。多點彎矯時,如果每個圓弧半徑對應(yīng)一對輥子,則板坯所走的是一個由多半徑圓弧的連接點所構(gòu)成的一條無名曲線,因為每對支撐輥均設(shè)計在兩個圓弧相切的切點上。如果每個圓弧半徑跨越幾對或多對輥子,則板坯所走的路線是無名曲線和圓弧線交替的曲線。2.2彎曲區(qū)和矯直區(qū)曲線連續(xù)彎矯法的設(shè)想產(chǎn)生于1960年,1973年奧鋼聯(lián)以漸近彎曲、漸近矯直的名稱應(yīng)用于工程實踐。連續(xù)矯直設(shè)計法主要根據(jù)板坯厚度和寬度,在確定了輥列主半徑的條件下,讓液芯板坯按照y=kx36Rz?L(1)y=kx36Rz?L(1)曲線或其他類似的曲線進(jìn)行彎曲和矯直。如圖1所示,x1o1y1和x2o2y2坐標(biāo)系分別表示了彎曲區(qū)和矯直區(qū)曲線的走向。式中,x1、y1和x2、y2分別表示彎曲區(qū)和矯直區(qū)曲線的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo),Rz為輥列的主半徑,L表示彎曲區(qū)或矯直區(qū)曲線在x2軸上的投影長度,即L是一個直線段,k為系數(shù)。1982年,康卡斯特公司提出了在連鑄機(jī)矯直區(qū)域采用浮動輥連續(xù)矯直的思想,并于1983年首次應(yīng)用于法國Seremange公司的Sollac廠1號板坯連鑄機(jī)上,但多年來由于技術(shù)上的制約一直未能推廣,這是連續(xù)矯直最原始的思想。事實上,彎曲、矯直區(qū)域采用固定輥使鑄坯按照指定的曲線路徑運行是目前所謂“連續(xù)彎曲”、“連續(xù)矯直”的最基本概念。3多重彎曲矯正和連續(xù)彎曲矯正的概念3.1多點彎矯的變式一聽到“連續(xù)彎矯”的名詞和方法后,有一些連鑄工作者便認(rèn)為“多點彎矯”是不連續(xù)的,這是一個誤解。如前所述,連續(xù)彎矯走的是一條指定曲線,而多點彎矯走的是一條無名曲線。無論采用哪一種方法,彎曲區(qū)和矯直區(qū)的曲率半徑都是沿遠(yuǎn)離主半徑方向而逐漸變大。3.2鑄坯行駛的通道由于多點彎矯和連續(xù)彎矯兩種方法都是用固定的鑄坯支撐輥來強(qiáng)迫鑄坯走一條固定的通道,在這一固定通道中,輥與輥之間是什么曲線已變得不重要了,而鑄坯行走的路線是多對輥子不錯位時形成的通道。假設(shè)鑄坯行走的通道是連續(xù)不間斷的板狀隧道或通道,那么多點彎矯或連續(xù)彎矯所形成的通道是光滑的。事實上這僅僅是一種假設(shè),不可能有這樣的實踐。因此,兩種彎矯方法從大趨勢上講,所形成的曲線是光滑的,但從細(xì)節(jié)上講,形成的曲線則是不光滑的。3.3彈簧對剪應(yīng)力的影響在康卡斯特浮動輥連續(xù)矯直概念中,由于矯直區(qū)域每對輥子的外弧輥下方都有彈簧,在板坯由圓弧被逐漸矯直時,大部分矯直力被彈簧所吸收,而矯直時的“力臂”又較長,因此剪應(yīng)力較小(有人說近乎為零);對于固定輥的連續(xù)彎矯,剪應(yīng)力不可能很小,更不可能為零。但是實測的數(shù)據(jù)告訴我們,采用三次方曲線設(shè)計的矯直區(qū),輥子受力比多點矯直(兩矯直點之間分別有若干對輥子)時要均勻得多,這是因為連續(xù)彎矯區(qū)域的輥子總是布置在指定的曲線上。3.4板坯表面應(yīng)變速率的測定如果板坯按照指定的曲線行走,且板坯的支撐輥子完全在曲線上(不錯位),則在連續(xù)彎矯的過程中,板坯表面的應(yīng)變速率是恒定的。而在輥距相同的情況下,多點彎矯也可以做到板坯表面應(yīng)變速率的恒定。應(yīng)變速率大小的作用在學(xué)術(shù)界莫衷一是,而應(yīng)變速率均勻恒定肯定能給板坯質(zhì)量帶來好處,但能帶來多大程度的好處,或者對哪些鋼種有多大好處還無法定量說明。3.5形態(tài)應(yīng)變的表現(xiàn)由于兩種輥列設(shè)計方法都是靠機(jī)械方法通過位置固定的輥子使得板坯被強(qiáng)行彎曲和強(qiáng)行矯直,板坯兩相界和表面必然產(chǎn)生應(yīng)變。因此,兩相界彎矯應(yīng)變、鼓肚應(yīng)變、輥子錯位應(yīng)變所構(gòu)成的綜合應(yīng)變不但是衡量多點彎矯輥列的基本指標(biāo),也是衡量連續(xù)彎矯輥列的基本指標(biāo)。對表面裂紋敏感的鋼種,鑄坯表面應(yīng)變的大小也是衡量輥列設(shè)計優(yōu)劣的指標(biāo)之一。4連續(xù)線性排列的基本優(yōu)勢4.1輥子的受拉壓在彎曲和矯直區(qū)采用連續(xù)彎矯曲線。機(jī)械固定的輥子加工尺寸非常精確,且在使用當(dāng)中不錯位,則輥子的受力始終是比較均勻的,各支撐輥子相同位置的軸承受力也均勻,這樣可以提高設(shè)備的更換壽命。而矯直區(qū)域輥子受力均勻,還可以使該區(qū)域驅(qū)動輥的電流更加平穩(wěn),使設(shè)備使用更加可靠。4.2輥子在彎曲或矯直區(qū)的干預(yù)連續(xù)彎矯區(qū)的輥子沿指定曲線布置,首先確定的是曲線的x坐標(biāo),x坐標(biāo)一確定,所有曲線上的輥子均參與彎曲或矯直。一般來說,彎曲區(qū)的輥子數(shù)目一般在10個左右,相當(dāng)于多點彎曲的11點彎曲;而矯直區(qū)的輥子數(shù)目可在10～15個左右,相當(dāng)于多點矯直的11～16點矯直。這對于鑄坯兩相界和鑄坯表面所產(chǎn)生的應(yīng)變都能夠做到最小。4.3點區(qū)角度分開按照連續(xù)彎矯曲線設(shè)計輥列,很快就會將彎曲區(qū)、矯直區(qū)和圓弧區(qū)三個區(qū)域的角度分開,這對已有的連鑄機(jī)扇形段的利用帶來了很大方便,這一點比多點彎矯要優(yōu)越得多。4.4u3000規(guī)劃連續(xù)彎矯曲線設(shè)計輥列,在彎曲區(qū),距離曲線原點最近的幾對輥子y坐標(biāo)很小,基本上處于直線段,實際的直線段則包括了理論直線段和距離曲線原點最近的2～3對輥子。所以理論直線段可以變短。5如何連接三個方面的曲線5.1輥列設(shè)計的原則關(guān)于多點彎矯方法的輥列設(shè)計計算已經(jīng)普遍應(yīng)用,方法也比較簡單。需要強(qiáng)調(diào)的是,很多人在多點彎矯的輥列設(shè)計時,只考慮板坯表面應(yīng)變的平均分布,而未考慮兩相界的彎矯應(yīng)變。因為彎矯區(qū)域總有一定的長度,在一定的長度范圍內(nèi),彎曲區(qū)的坯殼厚度在遠(yuǎn)離主半徑方向由大變小,而矯直區(qū)的坯殼厚度在遠(yuǎn)離主半徑方向由小變大。如果按照板坯表面應(yīng)變均等的原則設(shè)計輥列,最終反映到兩相界,其每對輥子處的應(yīng)變不但不均等,而且差別較大。因此,只有考慮坯殼厚度的影響,追求兩相界應(yīng)變的均等性,所設(shè)計的輥列才是最合理的。就連續(xù)矯直方法而言,很多學(xué)者均發(fā)表過不少文章,并對于三次方曲線與圓弧線的銜接如何處理,特別是在直弧型連鑄機(jī)上的處理,已經(jīng)有所見解。本文將就這一問題進(jìn)行分析,供讀者參考。5.2曲線1+y2對式(1)來說,它的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別為y′=k?x22Rz?Ly′=k?x22Rz?L;y″=kxRz?L(2)y′′=kxRz?L(2)曲率半徑為R=(1+y′2)32|y″|=[1+(k?x22Rz?L)2]32k?xRz?L(3)當(dāng)x=L時RL=[1+(k?L2Rz)2]32kRz(4)此時RL=Rz,則[1+(k?L2Rz)2]32k=1[1+(k?L2Rz)2]3=k2(5)式(5)表明,采用式(1)或所表達(dá)的三次方曲線,如果Rz和L一定,則對應(yīng)一個k值,利用相關(guān)程序,可以求解出k值。不同條件時的k值見表1。求出k值后代入式(1),計算曲率半徑。當(dāng)曲率半徑R=RL時,則RL=Rz表示曲線與圓弧完全吻合,光滑連接。5.3u2004y0.7.2算法注意事項在式(1)中,當(dāng)k=1,則有y=x36Rz?L(6)文獻(xiàn)、均提到了用Cornu曲線作為連續(xù)彎矯曲線的表達(dá)式y(tǒng)=x36Rz?L(1+2x435R2zL2+293x839600R4zL4+??)=x36RzL(1+Σ0)(7)式(6)實際上是式(7)省略了高次項之和的結(jié)果,由式(6)得R=(1+y′2)32|y″|(8)當(dāng)L?Rz時,且當(dāng)x=L,在(L?L26Rz)點,則有y′=L2Rz=0,即R=RL=Rz。事實上L一般都在1.5～4.5m之間,而連鑄機(jī)的主半徑Rz也在5～12m之間,到底y′=0時,R=RL=Rz相對于主半徑圓心坐標(biāo)系xoy計算出的輥子坐標(biāo)與式(8)的計算結(jié)果誤差有多大,下面舉例說明。以圖1為參考,計算的彎曲或矯直終點輥子相對于連鑄機(jī)主半徑圓心的坐標(biāo)見表2。5.4輥心坐標(biāo)誤差從表1的計算結(jié)果可以看出,按照曲線公式(6)與y′=0時的主半徑圓弧計算的輥心坐標(biāo)結(jié)果相比較,除主半徑Rz=5000mm的連鑄機(jī)小數(shù)點后