关键词：连铸机；导辊；温度；变形；优化设计

      中国不锈钢的快速发展取得了世人瞩目的成绩，国内自主设计制造的连铸机起到了不可忽视的重要作用，因为不锈钢生产成本很高，对铸坯质量控制也显得尤为重要。20世纪80年代开始应用的支承辊分段技术，是辊列设计中取得的一项重大进步，可有效地控制铸坯鼓肚变形，在高拉速情况下保证铸坯质量。

    研究表明在轴承间距不变的情况下，2分节式导辊刚度为单节式导辊的13．6倍，而3节式导辊为其58．8倍。在我国新建和改建的宽板坯连铸机都采用了分节式导辊|2]。但在设计中等宽度板坯连铸机(500~700 mm)时，由于空间小，采用分节式导辊对设计加工、安装维修来说难度很大，且增加了制造成本，因此寻求经济和技术指标都优越的铸坯导辊设计方案有重要的实际意义。

    本文针对适应分节辊结构的内置轴承的套辊型式导辊进行了有限元分析，并与传统整体式辊进行对比，以寻求在不同工况下的最佳辊型设计方案。

1  计算模型

1．1不同导辊几何结构

    2种形式导辊的辊面宽度L₁、辊直径D₁和通水孔直径D₂尺寸相同，二者材料亦相同。不同的是I型辊的轴承是安在其辊套内部，因此在实际应用中其支座可以设计得更简化和紧凑。本文为了便于对比计算，取I型辊的支座间距和II型辊的轴承座间距相同为L₃，见图1。

1．2有限元模型

导辊辊身材料为42CrMo，由于导辊结构本身的对称性，取其1／4建立有限元模型。I型辊模型有7 800个单元9 920个节点；Ⅱ型辊模型共6 090个单元，7 378个节点。

    为了全面考察导辊的变形和传热情况，选取了导辊不同位置的受力变形和热膨胀情况进行了详细对比及分析。图6表示导辊外表面与铸坯接触面辊宽方向，bc表示接触面辊身对称部位表面到辊中心方向，dc表示通水孔内表面辊宽方向，见图2。

1．3假设条件

    对导辊刚度进行力学分析计算时作如下假设：连铸坯作用在导辊上的垂直载荷为均布载荷；两辊受力和传热条件完全相同；导辊变形处在弹性范围内；轴承结构简化为实心块体可以受载变形和传热。

1．4边界条件

    (1)受力边界条件：辊宽中心线位移约束d_x=0；轴承座处位移约束d_y=0；垂直断面位移约束d_z=0；与铸坯接触辊面受力为qy。

    (2)传热边界条件：辊宽中心线传热条件h_x=O；垂直断面位传热条件h_z=O；辊面接触传热系数为h_con；其它位置辐射换热系数为h_air；传热初始条件t₀=40℃；冷却水温度t_w=40℃。

2计算结果及分析

2．1计算条件验证

    对于变形计算部分，类似工程数值计算条件已经过大量数值及物理验证证明计算的有效性。对传热部分，为了验证本模型计算传热边界条件的可靠性，针对文献中的计算条件进行了对比计算，结果表明本文计算结果与理论和测试值能较好吻合，本模型采取的边界条件有效合理。

2．2受力变形结果及分析

    图3中X族曲线显示2种辊型受力后的辊面节点径向变形情况，由图3可见在受力区域I型辊的变形要大于Ⅱ型辊，最大变形处二者相差约17％；这主要是由于工型辊外层为独立辊套，辊套内侧与轴之间有空隙，类似于空心套筒，因此受力时的局部压扁变形比实心辊要大。

    Z族曲线为2种辊型受力后辊心内孔表面节点径向变形情况，图3中显示2种辊型变形情况基本一致，只是辊型I在轴承支撑部位的变形有局部变大的现象。

    图3中Y族曲线为2种辊型受力后bc位置节点径向变形情况。图3中显示辊套(1～6号)节点变形比辊轴(7～13号)节点变形大，这与x族曲线显示的结果相互吻合，更清晰地说明了工型辊在辊面受力处压扁变形大。这是受它的结构型式所局限的，因此在设计应用的时候需要对辊套壁厚和轴直径做优化设计，或采用高强耐热材质，减小辊面变形，保证铸坯质量。

2．3导辊热变形及温度分布

    图4显示了不同型式导辊的温度场分布情况。从图4中可以看出，二者的辊面分布规律基本一致，在与铸坯接触部位辊面温度达到最高，接触过后温度逐渐下降，接触部位与基体间温度梯度很大，在厚度方向有10～20 mm的温度影响区，而在非接触部位由于热量的传递和散失，温度值和温度梯度下降，但温度影响逐渐深入到辊心。比较图4(a)、(b)可以看出，图4(b)表明因为Ⅱ型辊是整体辊，因此温度梯度是连续的，到心部附近仍有梯度；而图4(a)表明因为辊套和轴之间存在空隙使温度向内传递受阻，轴主要受热辐射传热作用，加上轴心通水冷却，因此温升很小。

    图5中M族曲线表示2个辊型表面。ab处的节点温度分布，N族曲线表示2个辊型bc处的节点温度分布。从M族曲线看，I型辊的表面温度要比Ⅱ型辊略高15～25℃；N族曲线表示半径方向的温度分布，图5中显示在6号节点和7号节点间工型辊的温度有突降的现象。根据有限元模型，对I型辊来说，1～6号节点是其辊套部分，7～13号节点是辊轴部分，6号节点和7号节点间是间断的，有空隙；Ⅱ型辊则是由表面到心部是连续节点没有间断。N族曲线更清晰地表明I型辊辊套部分温度高于Ⅱ型辊，而其辊轴部分温度则明显低于Ⅱ型辊相应部位，这进一步表明由于I型辊辊套和轴间间隙的存在阻碍了热量传导，使其表面温度相对偏高，轴心温度较低是因为本身传递到轴的热量就小，又有通水孔的冷却作用而致。

    图6显示了2种辊型通水孔内表面长度方向温度变化情况。从图6中可以看出，Ⅱ型辊轴承及辊边缘处温度偏低，随位置移向辊宽中部节点温度逐渐增高并在中部保持平稳；I型辊在轴端至轴承处变化与整体辊类似，而在辊套间隙出现后温度逐渐降到水温40℃，这说明因为同时接触辊套和轴，I型辊轴承还是起到了传递热量的作用，而中部辊套的热量则很难通过轴传递出去。另一方面，I型辊轴承位置在7号节点附近，温度约7 5℃，随时间加长温度还会升高，而Ⅱ型辊轴承在端部，计算时间内温升小于5℃，这对轴承的运行状态和使用寿命是有影响的，在实际设计中要采取更有效的方法来冷却工型辊轴承，这是一个需要特别注意的问题。

    图7显示了2种导辊表面由于温度升高而产生的膨胀变形。Ⅱ型辊在有效变形区热膨胀比较均匀，I型辊则呈上升趋势，在与铸坯接触区域是不均匀膨胀。Ⅱ型辊因为是整个辊体参与膨胀，因此总量稍大，而I型辊因为套与轴的间隙抵消了部分膨胀，因此低于整体辊。

2．4导辊综合变形

    图8是考虑了辊挠度、辊压扁和热膨胀变形后得出的导辊与铸坯接触表面的综合变形值。对比图3与图7可以看出，在计算时间内导辊的热膨胀变形的绝对值比受力变形值低1个数量级，因此导辊综合变形主要受其受力变形曲线影响。总的来看，Ⅱ型辊即整体辊的变形较小，说明在辊身长和直径相同情况下，整体辊比辊套型式的导辊具有更好的抗变形能力。

3  分析及结论

    (1)从受力变形角度来看，整体辊比辊套结构辊的抗变形能力好；这是由于辊套的抗压扁能力小，这也是辊套结构抗变形能力弱的主要原因。国内某不锈钢厂因为原料原因长期超低速浇铸，低拉速导致低二冷水量，这种情况辊套结构的顶弯辊温升显著，还需要承受比正常生产情况大几倍的顶弯力，时间稍长辊子表面就被磨出类似楞状的擦痕，这在正常生产的其它厂家是不易出现的，其原因固然有与高温铸坯接触导致接触面温度高、强度低的原因，更从侧面反应了该结构辊面压扁大进一步增大磨损才导致辊面受损严重。为改善抗变形方面弱点，可采用将辊套壁厚适当加大的方法来增加辊面刚性，减少导辊压扁与磨损，也有利于保证铸坯的表面质量。

    (2)从传热的角度看，由于间隙的存在，辊套结构导辊接触区的热量向内传热效率比整体辊低，导致辊套温度相对较高。由于接触区在导辊表面，而设备冷却水在轴心通过，因此这种内部冷却方式本身的传热效率是比较低的，文献[4]的结论也表明了这一点。避免此类导辊表面温度过高的方法是采取外喷水，一方面，在外部有二冷水的情况下，这个问题其实是不存在的；而在没有二冷水的空冷区就要采取通气冷却或辊面喷雾冷却的方法，来解决接触区的散热问题。

    (3)从结构本身来看，整体辊结构简单，但轴承需要占用额外的空间，在双流浇铸或采用分节辊结构的情况下，需要尽量减小辊身之外其它部位尺寸，这时可能因为空间问题无法使用整体辊，特别是在生产宽板坯时需要三分节甚至更多分节时，应用整体辊型就很困难了。辊套结构导辊由于其轴承是包在辊身里面的，不占用额外的空间，因此特别适合紧凑的安装空间情况下应用，本文计算结果表明了其在受力和传热方面的特点，可以有针对性地优化辊套具体尺寸设计或采用高强耐热材质的辊套来加强其抗变形能力，选择适当的二冷应用工况则可以避免由于其传热方面的特点而影响使用寿命和生产质量。

    (4)总之，通过对2种导辊的力学和传热分析，可以准确掌握各自的使用性能，有利于在实际应用中扬长避短，充分发挥不同型式导辊的特点，达到优化设计降低成本，延长使用寿命，改善应用效果等目的，也使其在不锈钢连铸上得到更广泛的应用。