薄板坯连铸液芯铸轧过程铸坯的应力应变分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.04.035 第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 薄板坯连铸液芯铸轧过程 铸坯的应力应变分析 逯洲威 蔡开科 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要采用三维弹塑性大变形热力耦合有限元法，模拟薄板坯连铸液芯铸轧过程中的铸坯 变形，并研究液芯铸轧时坯壳中应力应变场.分析影响坯壳中应力应变场的主要因素的基础 上，给出压下率和坯壳厚度对应力应变场的影响规律， 关键词薄板坯连铸：铸轧；应力应变场 分类号TG249.7 在博板坯连铸连轧工艺中，从连铸的角度 本文应用有限元软件MSC.MARC,采用三 考虑，希望薄板坯连铸结晶器内腔尽可能地厚 维弹塑性大变形热力耦合有限元法，模拟碳含 一些，这样有利于浸入式水口的插入及提高水 量（质量分数）为0.1%的低碳钢薄板坯连铸液 口的使用寿命，减轻结晶器内钢液流动冲击，促 芯铸轧时的铸坯变形，研究液芯铸轧过程中应 进保护渣液渣层的形成及稳定，降低浇注操作 力应变场.分析影响应力应变场的主要因素，给 的难度等，从而保证连铸机维持较高的作业率， 出压下率和坯壳厚度对应力应变场的影响规 提高薄板坯的质量.从薄板坯热连轧的角度考 律. 虑，则希望从薄板坯连铸机拉出来的铸坯尽可 能地薄，从而可以减小热连轧机组的机架数，以 1有限元模型和计算条件 及生产出薄带卷，节约投资和降低生产成本，扩 薄板坯连铸的宽厚比大，在网格密度一定 大带钢规格.薄板坯连铸带液芯铸轧技术则能 时，如果以整个铸坯为研究对象，那么网格总数 够很好地解决薄板坯连铸与连轧之间厚度匹配 很大，机时费用高，甚至无法计算，本文仅以距 问题.研究铸轧过程中应力应变场及其影响因 铸转坯窄面120m范围以内的铸坯为研究对象， 素对确定铸轧工艺规程，保证生产无缺陷铸坯 这不会影响计算结果的正确性 具有重要意义， 假定铸轧是在二冷区垂直段由铸坯两侧的 Cremer用有限元分析在双辊轧机上轧制 一对轧辊同时对称压下，设铸坯厚60mm,由于 不同壁厚空芯板坯试样来模拟不同坯壳厚度液 对称，取其一半厚度的铸坯为研究对象.采用三 芯铸坯的铸轧，试样高60mm,宽150mm,壁厚 维有限元模拟，这样便于比较宽面坯壳中部和 分别为10,20,25mm,压下率等于15%.当试样 铸坯角部的等效应力和等效塑性应变， 壁厚等于10mm时试样伸长1%：当壁厚等于 为了分析不同坯壳厚度对铸坯的等效应力 20mm时试样伸长2.6%：当壁厚等于25mm时 和等效塑性应变的影响，假定只有铸坯厚度方 试样伸长4%.由此得出结论，坯壳厚度不同， 向的传热而忽略纵向传热，所以在铸轧前铸坯 铸轧时铸坯的变形方式也不同.当铸坯接近完 纵向不同位置坯壳厚度相同，假定冷却条件不 全凝固时，铸轧过程中宽面坯壳随窄面坯壳而 变，而冷却时间变化，坯壳厚度随着变化.分别 伸长.当坯壳较薄时，铸轧过程中窄面坯壳向外 对不同坯壳厚度的铸坯铸轧，分析坯壳厚度对 鼓肚而宽面坯壳几乎没有变形. 铸坯等效应力和等效塑性应变的影响，对同一 2000-01-07收稿递洲威男，33岁，博士 坯壳厚度的铸坯分别用不同的压下率铸轧，分 *国家自然科学基金资助课题No.59574015)

第 2 2 卷 第 4 期 2 0 0 0 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt 0 f S c i e n c e a n d eT e h n o l o yg B e ij i n g V匕1 . 2 2 N 0 . 4 A u g . 2 0 0 0 薄板坯连铸液芯铸轧过程 铸坯 的应 力应变分析 逮洲威 蔡开 科 北 京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 采 用三 维弹塑 性大变 形热 力祸合有 限元法 , 模 拟薄 板坯连铸 液芯铸 轧过程 中的铸坯 变形 , 并研 究液 芯 铸轧 时坯壳 中应力 应变场 . 分 析影 响坯壳 中应力应 变场 的主 要 因 素 的基础 上 , 给 出压 下率和 坯壳 厚度对应 力应变 场 的影 响规律 . 关键 词 薄板坯 连铸 ; 铸轧 ; 应力应 变场 分类 号 T G 2 4 9 . 7 在薄板坯连 铸连轧 工 艺 中 , 从 连 铸 的角度 考虑 , 希 望 薄板坯 连 铸结 晶器 内腔 尽可 能地 厚 一 些 , 这 样有 利 于 浸 入 式水 口 的插 入 及 提 高水 口 的使用寿 命 , 减轻 结 晶器 内钢 液流 动 冲 击 , 促 进保护渣液渣层 的形 成及 稳定 , 降低浇注 操作 的难 度等 , 从 而 保证连铸机维持较 高的作 业 率 , 提高薄板坯 的质量 『, ’ . 从薄板坯热连轧的角度考 虑 , 则 希望 从 薄板 坯连铸机拉 出来 的铸坯 尽 可 能地薄 , 从而 可 以减 小热 连轧 机组 的机架 数 , 以 及 生 产出 薄带 卷 , 节 约投 资和 降 低 生产 成 本 , 扩 大 带钢 规 格 . 薄 板 坯 连 铸 带 液芯 铸 轧 技 术 则 能 够很好地解 决薄板坯 连铸 与连 轧之 间厚度匹配 问题 . 研 究铸 轧 过 程 中应 力应 变场 及 其 影 响 因 素 对 确 定铸 轧 工 艺 规程 , 保 证 生 产 无 缺 陷铸坯 具 有 重 要 意义 . rC e m er 【21 用 有 限元分 析在双 辊 轧机上 轧制 不 同壁厚空 芯板 坯试样 来模拟 不 同坯壳 厚 度液 芯 铸坯 的 铸轧 , 试样高 60 ~ , 宽 1 50 m m , 壁 厚 分 别 为 10 , 2 0 , 25 r o r n , 压 下 率 等 于 巧 % . 当 试样 壁 厚等于 10 ~ 时试样 伸长 1% ; 当 壁 厚 等于 2 0 r n r n 时 试样伸长 .2 6 % ; 当 壁 厚 等 于 25 r n r n 时 试样 伸 长 4 % . 由此 得 出 结 论 , 坯 壳 厚 度不 同 , 铸轧 时铸坯 的变形 方式也 不 同 . 当 铸坯 接近完 全凝 固 时 , 铸 轧过 程中 宽面 坯 壳随 窄面 坯 壳而 伸长 . 当坯 壳较薄时 , 铸轧过 程 中窄面 坯 壳 向外 鼓肚而 宽面坯 壳几 乎没 有 变形 . 2 0 0 一 01 一 0 7 收 稿 途洲威 男 , 3 岁 , 博士 辛 国家 自然科学基 金资助课 题(N 。 , 5 9 5 7 4 01 5) 本文 应 用 有限 元软件 M S c M A R c , 采用 三 维 弹 塑 性 大 变形 热 力祸 合 有限 元 法 , 模拟 碳含 量 ( 质量分数 ) 为 0 . 1% 的低碳钢 薄板坯 连铸液 芯 铸轧 时 的铸坯变形 , 研究液芯 铸 轧过程 中应 力应变场 . 分析影响应 力应变场的主 要 因素 , 给 出压 下 率和 坯壳 厚 度 对 应 力应变 场 的 影 响 规 律 . 1 有限元模型和计算条件 薄 板坯 连铸的 宽厚 比大 , 在 网 格密 度一 定 时 , 如 果 以整 个铸坯为研究对 象 , 那 么 网格总 数 很大 , 机 时 费用 高 , 甚至 无 法 计 算 . 本文 仅 以距 铸坯窄 面 12 0 ~ 范 围以 内的铸坯 为研 究对 象 , 这 不 会影 响计 算结果 的正 确性 『3, . 假 定 铸轧是在二 冷区 垂 直段 由铸 坯两 侧 的 一 对 轧辊 同时 对称 压 下 , 设 铸坯 厚 60 r n l ll , 由于 对 称 , 取其一 半厚度 的铸坯 为研究对 象 . 采用 三 维有 限元模拟 , 这样便于 比较宽面 坯 壳 中部 和 铸坯 角 部 的 等效 应 力和 等效 塑性 应 变 . 为了分析不 同坯壳厚度对 铸坯的 等效应 力 和 等效 塑 性应变 的 影 响 , 假 定 只 有 铸坯厚 度方 向的传 热 而 忽 略 纵 向传 热 , 所 以在铸轧 前铸坯 纵 向不 同位置 坯 壳厚度相 同 . 假定 冷却 条件不 变 , 而 冷却 时 间 变化 , 坯 壳厚 度随 着变化 . 分 别 对不 同 坯壳厚度的铸坯铸 轧 , 分析坯 壳厚度对 铸 坯 等效 应 力和 等 效塑性 应 变 的 影 响 . 对 同一 坯 壳厚度的铸坯 分别用不 同 的压 下率铸轧 , 分 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 04. 035

·304· 北京科技大学学报 2000年第4期 析压下率对铸坯等效应力和等效塑性应变的影 Danieli薄板坯连铸动态液池控制系统内容之一 响.设拉速v=5m/min.材料各向同性，遵守Von 是铸轧终止时必须保留一定的比例液芯，而且 Mises流变规律.材料性质随温度变化，具体数 不同钢种要求铸轧终止时的液固比例也不同， 值见文献[4]. 这和本文的结论相一致切 为了沿用现有的弹塑性力学有限元法，可 19 以对铸坯液芯作简化或等效处理.其中一种方 法是剔除液芯单元，将其对坯壳的作用转化为 17 相应的分布载荷.另一种方法是计算域包括坯 C 壳与液芯，但为了避免计算域不同状态单元刚 15 度相差悬殊造成计算收敛困难甚至刚度矩阵奇 压下率=16.7% 13 异，对液芯力学特性进行约定，即弹性模量(E) 取不等于零的一个小量，泊松比()接近0.5：并 11 依据使液态体积模量(E(1-2v)与常温体积模 5 10 15 20 25 30 量尽量接近的方法，使液态的应力状态保持与 b/mm 静水压相近.本文采用第2种处理方法， 图1铸还纵向塑性应变￡与还壳厚度b的关系 曲线B为还壳中心，C为还壳角部 下面，以简单线弹性体为例进行说明： Fig.1 Relation between the longitudinal tensile strain of au=aupou, strand and the shell thickness 其中，on=2Ge,p=e-T-T), E G=21*w' 22坯壳厚度对铸轧时铸坯中应力的影响 图2所示是压下率等于16.7%时铸坯中应 Ev Ea 10+w1-2网B=31-20· 力与坯壳厚度的关系曲线，为便于比较，取相对 因此，当v一0.5，E取小量时，偏应力张量σ 值，即某一厚度时的等效应力除以不同厚度时 的大小受到约束，从而使，与静水压p接近. 等效应力的平均值，下同.图中曲线B代表宽面 坯壳中心的相对等效应力，曲线C代表铸坯角 2结果与讨论 部的相对等效应力.从图中可以看出，铸轧时铸 21有限元计算结果与物理模拟实验的比较 坯角部的应力大于铸坯宽面中心的应力，坯壳 铸轧时，影响铸坯变形的因素很多，其中压 厚度为6.25mm时，铸坯角部比宽面坯壳中心 下率和坯壳厚度是2个主要因素 等效应力大35%.坯壳厚度为30mm时，铸坯角 部比宽面坯壳中心等效应力大76%.随坯壳厚 图1所示是压下率等于16.7%时铸坯纵向 塑性应变与坯壳厚度的关系.图中曲线B代表 度增加，铸轧时坯壳中的应力增大，而且，铸坯 宽面坯壳中心的纵向塑性应变，曲线C代表铸 角部比宽面坯壳中心应力增加更快.坯壳厚度 坯角部的纵向塑性应变，从图中可以看出，坯壳 为30mm比坯壳厚度为6.25mm时铸坯角部等 较薄时，铸还纵向塑性应变较小；坯壳较厚时， 效应力增加72%，宽面坯壳中心等效应力增加 32%. 铸坯纵向塑性应变较大，这与作者以前的二维 模拟结果相同，也与Cremer的物理模拟实验一 2.3坯壳厚度对铸轧时铸坯中应变的影响 致四. 图3所示是压下率等于16.7%时铸坯等效 薄板坯连铸拉速高，铸轧时压下速度快，液 塑性应变与坯壳厚度的关系曲线，图中曲线B 芯是糊状的两相区，流动性差，因此，铸轧时不 代表宽面坯壳中心的相对等效塑性应变，曲线 能忽略液芯对坯壳的反作用力. C代表铸坯角部的相对等效塑性应变.从图中 在接近凝固温度时，铸坯塑性很差，不能承 可以看出，铸轧时铸坯角部的应变大于铸坯宽 受很大的塑性变形，而坯壳厚度增大时，铸坯纵 面中心的应变.坯壳厚度为6.25mm时，铸坯角 向塑性应变增加，这对铸坯来说是危险的，如果 部比宽面坯壳中心等效塑性应变大11%.坯壳 铸坯纵向塑性应变大于临界应变，就会产生裂 厚度为30mm时，铸坯角部比宽面坯壳中心等 纹.所以，对铸轧来讲，对坯壳厚度有一定要求. 效塑性应变大33%，坯壳厚度较小时，铸轧时坯 壳的等效塑性应变较小：坯壳厚度较大时，铸轧

一 0 4 3 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0年 第 4期 析 压下 率对 铸坯等效应 力 和 等效塑性应 变 的影 响 . 设拉 速 v二 m / ms ni . 材料各 向同性 , 遵 守Vo n M ise s 流 变规 律 . 材料 性 质 随 温度变化 , 具 体数 值 见文 献〔4〕 . 为了沿 用 现有 的 弹塑 性力 学 有 限元 法 , 可 以对铸坯液芯作简化或等效处 理 「习 . 其 中一 种方 法 是剔 除液芯 单元 , 将其对 坯 壳的 作用 转化 为 相 应 的分 布载荷 . 另一 种方 法 是计 算域包 括坯 壳 与液 芯 , 但为 了避免计 算域 不 同状 态 单 元 刚 度相 差 悬殊造成 计算收敛 困难 甚至 刚 度矩 阵奇 异 , 对液 芯 力学特 性 进行 约 定 , 即弹 性 模量 ()E 取 不等 于零 的一 个小 量 , 泊 松 比 (v) 接近 0 . 5 ; 并 依据使液态体积 模量 田( 1一 v2 ) ) 与常温体 积 模 量 尽量 接近的 方 法 , 使液态 的应 力状 态保 持与 静 水压 相 近 . 本 文采用第 2 种 处 理 方法 . 下 面 , 以简单线 弹性体 为例进行 说明 : 氏 二 。 勺+P 氏 , 其 中 , 己 , = ZG 昌 , , p = 肪 。 一 斑T一 0T ) , D a in el i 薄板坯 连铸动态液池控制系统 内容之 一 是 铸轧 终 止时 必 须 保 留一 定 的 比例 液芯 , 而 且 不 同钢 种要 求铸轧 终止 时 的 液 固比例 也 不 同 , 这 和 本文 的 结论 相 一 致 『7] . - - 一 一扮 一 1 . 1 . 图 1 铸坯纵 向塑性应 变勺与坯壳厚度 b 的关系 曲线 B 为坯壳 中心 ,C 为坯壳角部 F ig . l Re l a it o n b e wt e e n t h e l o n g it u d i n a l t e n s il e s t r a i n o f S t r a n d a n d th e Sh e l th ic k l es s _ E 一 G 二 石2 ( 岑l+一v ) vE ( l + v )( l一 Z v ) R = 互旦 , 尸 3 ( l 一 Z v ) ’ 因此 , 当 v 一 .0 5 , E 取小 量时 , 偏 应 力 张量 。 乞 的大小 受 到 约 束 , 从 而 使 氏 与静水 压 P 接近 . 2 结果 与讨论 2 . 1 有限元计算结果与物理模拟实验 的 比较 铸轧 时 , 影 响 铸坯 变形 的 因素 很 多 , 其 中压 下 率和 坯 壳厚度是 2 个主 要 因素 . 图 1 所 示 是 压 下 率等于 1.6 7 % 时 铸坯 纵 向 塑 性 应 变 与坯 壳 厚度 的关 系 . 图 中 曲线 B 代表 宽面 坯 壳中心 的纵 向塑性应 变 , 曲线 C 代表 铸 坯 角 部的 纵 向塑 性应 变 . 从 图中可 以看出 , 坯 壳 较薄 时 , 铸坯 纵 向塑 性 应 变较小 ; 坯 壳较厚 时 , 铸坯纵 向塑性应 变较大 , 这与作者 以前 的二 维 模拟结 果 相 同〔6] , 也 与 C er m er 的物 理 模拟 实验 一 致 〔, 〕 . 薄板坯连铸拉 速 高 , 铸轧 时压 下 速度快 , 液 芯 是 糊 状 的两 相 区 , 流 动 性 差 , 因此 , 铸 轧 时 不 能忽 略液 芯对坯 壳 的反 作用 力 . 在 接近凝 固温度 时 , 铸坯塑 性 很 差 , 不 能承 受很大的 塑性变形 , 而 坯壳厚度增大时 , 铸坯 纵 向塑 性应变增 加 , 这 对 铸坯 来说 是 危 险 的 . 如果 铸 坯纵 向塑 性 应 变大 于 临 界应 变 , 就 会 产 生 裂 纹 . 所 以 , 对铸轧 来讲 , 对 坯 壳厚度有 一 定 要求 . 2 .2 坯壳厚度对铸轧时铸坯 中应 力 的影响 图 2 所示 是 压 下 率等于 1 .6 7 % 时铸坯 中应 力 与坯 壳厚 度的关 系 曲线 , 为 便 于 比较 , 取 相对 值 , 即某一 厚度 时的等效应 力 除以 不 同 厚度 时 等效 应 力 的平 均值 , 下 同 . 图 中曲线 B 代表宽面 坯壳 中心 的相 对等效应力 , 曲线 C 代表铸 坯 角 部 的相 对 等 效应 力 . 从 图 中可 以看出 , 铸 轧 时铸 坯角部 的应 力大于 铸坯 宽面 中心 的应力 . 坯 壳 厚度为 .6 25 ~ 时 , 铸坯 角 部 比 宽面坯 壳 中心 等效 应 力 大 35 % . 坯壳厚 度为 30 ~ 时 , 铸坯 角 部 比宽面 坯 壳 中心 等效应 力大 76 % . 随 坯 壳厚 度 增加 , 铸轧 时 坯壳 中 的应 力增大 , 而 且 , 铸坯 角部 比宽面 坯 壳 中心 应力增加更 快 . 坯 壳厚度 为 3 0 111111 比坯 壳厚度 为 .6 25 111111 时铸坯 角部 等 效应 力增加 72 % , 宽面坯 壳 中心 等 效应 力增加 3 2 % . .2 3 坯壳厚度对铸轧时铸坯 中应 变的影响 图 3 所 示 是压 下 率等于 1 .6 7 % 时铸坯 等 效 塑 性应变与坯 壳厚 度的关系 曲线 , 图中曲线 B 代 表 宽面 坯 壳中心 的 相 对 等 效塑 性 应变 , 曲线 C 代 表 铸坯 角 部 的相 对等效 塑性 应 变 . 从 图 中 可 以看 出 , 铸轧 时铸坯角部 的应变大于 铸坯 宽 面 中心 的应 变 . 坯 壳厚度 为 .6 25 ~ 时 , 铸 坯 角 部 比宽面坯 壳中心 等效塑性应 变大 H % . 坯 壳 厚 度 为 30 ~ 时 , 铸坯 角 部 比宽面 坯壳 中心 等 效塑性应 变大 3 % . 坯 壳厚度较小 时 , 铸 轧时坯 壳的等效塑性应 变较小 ; 坯 壳厚度较 大时 , 铸 轧

Vol.22 No.4 逯洲威等：薄板坯连铸液芯铸轧过程铸坯的应力应变分析 ·305· 线C代表铸坯角部的相对等效塑性应变，从图 1.4 中可以看出，压下率等于16.7%比压下率等于 3 1.2 3.3%时，铸坯宽面坯壳中心的等效塑性应变增 压下率=16.7% 加325%，铸坯角部的等效塑性应变增加311%. 1.0 铸坯角部的等效塑性应变大于铸坯宽面坯壳中 餐 心的等效塑性应变，压下率等于33%时，铸坯 0.8 角部比宽面坯壳中心等效塑性应变大34%；压 0.6 下率等于16.7%，铸坯角部比宽面坯壳中心等 5 10 15 20 2530 效塑性应变大30%. b/mm 图2坯壳厚度对铸轧时铸还应力的影响曲线B,C同图1 1.3 Fig.2 Relation between the stress and shell thickness 1.2 C 1.1 b=22.3mm 1.2 C 1.0 1.1 0.9 1.0 B B 0.8 0.9 压下率=16.7% 4 6 810121416 0.8 压下率/% 0.7上 图4压下率对铸轧时铸还中应力的影响.曲线B,C同图1 5 10 1520 25 30 Fig.4 Relation between the strain and the related height b/mm reduction 图3坯壳厚度对铸轧时铸还应变的影响.曲线B,C同图1 Fig.3 Relation between the strain and shell thickness 1.8 时坯壳的等效塑性应变较大.坯壳厚度为30mm b=22.3mm 比坯壳厚度为6.25mm时铸坯角部等效塑性应 1.4 变增加41%，宽面坯壳中心等效塑性应变增加 C 1.0 18%.坯壳厚度达到一定值时，对于一定的压下 B 率，坯壳的等效塑性应变不再随坯壳厚度的增 0.6 加而增加，表明这时已经达到稳定轧制状态， 0.2 2.4压下率对铸轧时铸坯中应力的影响 4 6 810121416 图4所示是坯壳厚度等于22.3mm时铸坯 压下率% 中应力与压下率的关系曲线.图中曲线B代表 图5压下率对铸轧时铸坯中应变的影响.曲线B,C同图1 宽面坯壳中心的相对等效应力，曲线C代表铸 Fig.5 Relation between the strain and the related height 坯角部的相对等效应力.从图中可以看出，铸轧 reduction 时铸坯角部的应力大于铸坯宽面中心的应力. 压下率等于33%时，铸坯角部比宽面坯壳中心 3结论 等效应力大50%：压下率等于16.7%时，铸坯角 (1)对于一定的压下率，随坯壳厚度增加，铸 部比宽面坯壳中心等效应力大58%.对于坯壳 轧时坯壳中的应力增大，而且，铸坯角部比宽面 厚度一定的铸坯，随压下率增加，铸轧时坯壳中 坯壳中心应力增加更快.铸轧时铸坯角部的应 的应力变化不明显. 力大于铸坯宽面中心的应力. 2.5压下率对铸轧时铸坯应变的影响 (2)对于一定的压下率，坯壳厚度较小时，铸 图5所示是坯壳厚度等于22.3mm时铸坯 轧时坯壳的等效塑性应变较小：坯壳厚度较大 等效塑性应变与压下率的关系曲线.图中曲线 时，铸轧时坯壳的等效塑性应变较大.坯壳厚度 B代表宽面坯壳中心的相对等效塑性应变，曲 达到一定值时，坯壳的等效塑性应变不再随坯

V b l . 2 2 N o . 4 途洲 威等 : 薄板坯 连铸液 芯 铸 轧过程铸 坯 的应 力应变 分析 . 3 0 5 . - . , 一 “ ~ 二 户 。一 , 一- 口少 ` 一 户 一` - . 乡 二“ 压下率一 1 6 . 7 % B _ 一一一 只考族毓禽乓一f 0 . 6 匕 . 1 1 1 1 5 10 15 2 0 2 5 3 0 b m/ m 图 2 坯壳厚度对铸轧时铸坯应 力的影响 . 曲线 B, C 同图 1 Fi g . 2 R e al it o n b e wt e n t h e s t er s s a n d s h e l t h i e kn e s s 线 C 代表铸坯 角部 的相对 等 效塑性 应变 . 从 图 中 可 以看出 , 压 下 率等于 1.6 7 % 比压 下 率 等于 3 . 3 % 时 , 铸坯 宽面 坯 壳中心 的等效塑性应 变增 加 3 2 5 % , 铸坯 角部 的等效塑 性应 变增 加 3 H % . 铸坯角部的等效塑性应变大于铸坯 宽面坯 壳中 心 的等效 塑性应变 , 压 下 率等于 3 . 3 % 时 , 铸坯 角部 比 宽面坯 壳中心 等效塑 性应变大 3 4 % ; 压 下 率等于 16 . 7 % , 铸坯 角部 比宽面坯 壳 中心 等 效塑 性 应 变 大 30 % . 1 . 2 } _ _ _ _ _ _ 一 : - - - - - - - - - - - - - - - - = 2 2 .一3 m m 只侧拱纷 . 蔺一霎 : n ùnU C . . . . / 7 / 广一\ \ / 压下率一 .16 一 %7 \ \ 一 / 1 1 1 1 4 6 8 1 0 1 2 14 1 6 压下率 o/ 图 4 压下率对铸轧时铸坯中应 力的影响 . 曲线 B, C 同 图 1 Fi g · 4 R e l a it o n b e wt e n t h e s t r a i n a n d t h e er l a t e d h e ig h t 代 d l Cit o n 粼澎翻爷匆象汁韧军一ō一 图 3 坯壳厚度对铸轧时铸坯应变的影响 . 曲线 B, C 同图 1 F咭3 R e al it o n b e wt e n t h e s t r a in a n d s h e l t h i e kn e s s 时坯壳的 等效塑 性应 变较大 . 坯壳厚度为 30 ~ 比坯壳厚度为 .6 25 ~ 时 铸坯角部 等效塑 性应 变增 加 41 % , 宽面 坯壳中心 等效塑 性 应 变增 加 18 % . 坯 壳厚度达 到 一 定 值 时 , 对 于一 定 的压 下 率 , 坯 壳 的等效 塑 性应 变不 再 随 坯 壳厚 度 的增 加 而 增 加 , 表 明这 时 已 经 达 到 稳 定 轧 制状 态 . .2 4 压下率对铸轧 时铸坯 中应 力的影 响 图 4 所示 是 坯 壳厚 度等于 2 . 3 ~ 时 铸坯 中应 力与压 下 率 的关 系 曲线 . 图 中 曲线 B 代表 宽面 坯壳 中心 的相 对等效应 力 , 曲线 C 代表铸 坯 角部 的相 对等效应 力 . 从 图 中可 以看 出 , 铸轧 时 铸坯 角 部 的应 力 大 于 铸 坯 宽面 中 心 的 应力 . 压 下 率等 于 3 . 3 % 时 , 铸坯 角部 比 宽面 坯 壳 中心 等效 应力 大 50 % ; 压下 率 等于 1.6 7 % 时 , 铸坯角 部 比 宽面 坯壳 中心 等效应 力大 58 % . 对 于 坯壳 厚度一定 的铸 坯 , 随压 下 率增 加 , 铸轧 时坯 壳 中 的应 力变化不 明显 . .2 5 压下率对铸轧时铸坯 应变的影响 图 5 所 示 是 坯壳厚 度等于 2 3 ~ 时 铸 坯 等效塑 性应变 与压 下 率 的关 系曲线 . 图 中曲线 B 代表宽面 坯壳 中心 的 相 对 等 效塑 性应 变 , 曲 b = 2 2 . 3 m m _ 一 ” / c , - - - / 一 了 / / 二 _ 厂 少尔一 乡少/ 粼澎茸酬族歇禽一乓ù 压下率机 图 5 压下 率对铸 轧时铸坯中应变 的影响 . 曲线 B, C 同图 1 F ig . 5 R e al ti o n b e wt e e n t h e s t r a i n a n d t h e er l a t de h e i g h t r e d u e it o n 3 结 论 ( l) 对 于 一 定 的压 下 率 , 随 坯壳 厚度 增 加 , 铸 轧时坯 壳中的应力增大 , 而 且 , 铸坯角部比 宽面 坯 壳 中心 应 力 增 加 更 快 . 铸 轧 时 铸 坯 角 部 的应 力 大于 铸坯宽面 中心 的应 力 . (2 )对于 一 定的压 下 率 , 坯 壳厚度较小时 , 铸 轧 时 坯 壳 的等效塑 性 应 变较 小 ; 坯壳厚 度较大 时 , 铸轧 时坯壳的等效塑 性应变较大 . 坯壳厚 度 达 到 一 定 值 时 , 坯 壳的等 效塑性应 变不 再 随 坯

306◆ 北京科技大学学报 2000年第4期 壳厚度的增加而增加，表明这时已经达到稳定 Continuously Cast Slabs with Liquid Core.Ironmaking 轧制状态. and Steelmaking,1993,20(4):264 (③)对于坯壳厚度一定的铸坯，随压下率增 3干勇，陈栋梁，薄板坯连铸液芯压下过程的数值仿真. 钢铁，1999,34(6)：27 加，铸轧时坯壳中的应力不发生显著变化，铸轧 4 Kelly J E,Michalek K P.O'cnnor T G,et al.Initial Devel- 时铸坯角部的应力大于铸坯宽面中心的应力. opment of Thermal and Stress Fields in Continuously Cast (4)对于坯壳厚度一定的铸坯，宽面坯壳中 Steel Billets.Metall Trans A,1988,19A:2589 心和铸坯角部的等效塑性应变都随压下率的增 5 Tszeng TC,KobayashiS.Stress Analysis in Solidification 加而增大，铸轧时铸坯角部的等效塑性应变大 Processes:Application to Continuous Casting.Interna- tional Journal of Machine Tools and Manufacturing,1989, 于宽面坯壳中心的等效塑性应变， 291):121 参考文献 6逯洲威，蔡开科，张家泉.薄板坯连铸液芯铸轧铸坯 变形特点.北京科技大学学报，1999,21(5)：432 】袁集华，于登龙.薄板坯连铸带液芯轻压下技术.炼钢，7 Meroni U,Filippi P.Sof Reduction System in Danieli's 1997,(2):5 Thin Slab Caster.Danieli News (News in Flat Products), 2 Cremer B,PawelskiO,Rasp W.Rolling Characteristics of 1995,(5):14 Three Dimensional Numerical Simulation of Stress and Strain distribution during Cast-rolling with Liquid Core in Thin Slab Continuous Casting LU Zhouwei,CAI Kaike Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Rolling characteristics of continuously cast slabs with liquid core is studied with the aid ofelas- tic-plastic and thermal-mechanical coupled FEM.The effects of shell thickness and related height reduction on stress and strain distribution are analyzed during cast-rolling with liquid core in thin slab continuous casting. The stress and strain of the shell increase with increasing shell thickness for the same related height reduction. The strain of the shell increases with increasing related height reduction for the same shell thickness. KEY WORDS thin slab continuous casting;cast-rolling;stress and strain distribution

. 3 06 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0年 第 4期 壳厚度 的增 加 而 增加 , 表 明这 时 已 经 达 到 稳 定 轧制状态 . (3 ) 对于 坯 壳厚 度一 定 的铸坯 , 随 压 下 率增 加 , 铸轧 时坯 壳中的应力 不 发 生 显 著变化 , 铸轧 时铸坯角部 的应 力大于 铸坯宽面 中心 的应 力 . (4 ) 对于 坯壳厚度一 定 的铸坯 , 宽面坯 壳中 心 和 铸坯角部 的等效塑 性应变都随压 下 率的增 加而 增 大 , 铸 轧时 铸坯角部 的等效 塑性应 变大 于 宽面坯壳 中 心 的等 效塑 性应变 . 参 考 文 献 1 袁集 华 , 于登 龙 . 薄板 坯连铸 带液芯 轻压 下技术 . 炼钢 , 19 9 7 , ( 2 ) : 5 2 C er m e r B , P aw e l s ik o , Ra s P W. Ro ll in g C h ar e t e r i s t i e s o f C o in inu o u s ly C as t S l a b s w iht L iq u id C o er . lor nIU iak n g an d S t e e lm ak i n g , 19 9 3 , 2 0 ( 4 ) : 2 6 4 3 干勇 , 陈栋梁 . 薄板坯连铸 液芯压 下过程 的数值仿真 , 钢铁 , 19 9 9 , 3 4 ( 6 ) : 2 7 4 K e lly J E , M i e h a lek K P, 0 , e n o r T G , e t a l . I n i ti a l D e v e l - op m e in o f hT e mr a l an d Setr s s Fi e ld s in C o n tin u ou s ly C as t St e e l B i ll e st . M e at ll rT an s A , 19 88 , 19 A : 2 5 8 9 5 sT ez n g T C , OK bay as hi S . Setr s s A n a 1y s i s i n S o lid iif e at i o n P r o e e s s e s : A P Pli e at i o n ot C o n t i n u o u s C as t i n g . I net m a - t i o n a l J o mU a l o f M a e ih n e OT o l s an d Man u acf t u ir n g , 1 9 8 9 , 2 9 ( l ) : 12 1 6 途 洲威 , 蔡开科 , 张 家泉 . 薄 板坯连 铸液 芯铸 轧铸坯 变形特 点 . 北 京科技 大学学 报 , 19 9 9 , 2 1 ( 5 ) : 4 3 2 7 M e r o in U , Fi li p i .P S o fl eR d u e ti o n S y s t e m i n D an i e 1i , s hT i n S l ab C as t e -r D an i e li N e w s (N e w s in F lat P r do u cst ) , 1 99 5 , ( 5 ) : 1 4 卫肚e e D im e n s i o n a l N um e ir e a l S im u lat i o n o f S tr e s s an d S tr a i n d i s itr b ut i o n d u ir n g C a s t 一 r o lli n g w it h L iqu i d C o r e i n hT i n S l a b C o n t i n u o u s C a s t i n g L U hZ 口 uw ie, 〔〕搜 I K d ike M aet ll u r gy S e h o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T oR ll ign e h ar a e t e ir st i e s o f c o n ti n u ou s l y e a st s lab s w iht liqu id c o r e i s s tu d i e d w iht ht e a id o f e l a s - t i e 一 Pl a st i c an d ht e rm a l 一 m e e h an i e a l e o uP l e d FE M . hT e e fe e t s o f sh e 11 ht i e kn e s s an d r e 1 a t e d h e i ght re du e it o n o n str e s s an d s t r a in d l s itr b ut i o n ar e an a ly z e d d u r i n g e a st 一 r o llin g w iht liqu id c o r e in ht in s lab e o in inu o u s e a s t in g . hT e s tr e s s an d s atr in o f ht e s h e ll in e re a s e w iht in e re a s i n g s h e ll ht i e kn e s s of r ht e s am e r e l ate d h e i ght r e du e t i o n . hT e s atr in o f hte s h e ll in e r e as e s w iht in c r e a s in g r e l a te d h e i ght r e du e t i o n of r ht e s am e s h e ll ht i c 知 e s s . K E Y W O R D S t h i n s lab e o n t i n u ou s e a s t in g : e as t 一 r o llin g : s tr e s s an d s tr a in d i s itr b u t l o n