2008年第3期 钢 铁 技 术 ·9·
连铸机扇形段下框架有限元分析
靳月华 彭晓华 青绍平 (中冶赛迪公司炼钢事业部, 重庆 400013) [摘 要]用通用有限元软件ANSYS 8.0建立了连铸机扇形段下框架有限元模型，分别计算正常浇铸和重拉坯两种情况下下框架的强度与变形情况，为扇形段框架的设计提供依据，可靠性提供保障。 [关键词]连铸机 扇形段 有限元分析 下框架
0 引言
针对国内某钢铁公司连铸机扇形段下框架的
设计，使用大型通用有限元软件ANSYS 8.0对框架的强度、刚度进行了计算，为优化框架的设
计，提高框架的使用寿命和可靠性提供相应的理论依据。
1 扇形段框架有限元模型建立 位于连铸机结晶器下方的扇形段是板坯连铸
机关键组成设备，主要功能[1]是接受来自结晶器
具有一定坯壳厚度的铸坯，并对铸坯进行强制喷水或气雾冷却，使坯壳厚度不断增加，最大程度
的避免因钢水静压力而引起“鼓肚”或漏钢事故；引导支撑引锭链,防止铸坯变形和引锭链跑
偏。当凝固的坯壳被拉出结晶器后，受内部钢水
静压力作用，会产生鼓肚现象，所以现代板坯连铸机多采用小辊径密排辊辊列布置。每个扇形段
包括6对从动辊和1对驱动辊组成。每对驱动辊
分别由电机减速机驱动，且上驱动辊由油缸驱动，可升降。上下框架之间通过4根连杆相连
接，并通过4个液压缸的驱动实现上下框架之间的相对运动，从而实现上下扇形段的夹紧和松
开。
连铸机扇形段框架是由钢板焊接而成的结构件，用于支撑导向的辊子。框架主要承受通过支
撑导向辊传递来的钢水静压力产生的鼓肚力、辊
子与高温铸坯反复接触引起的热应力、设备自重和拉坯力等。这些复杂的载荷作用于框架，且框
架长期处于高温和水蒸气的恶劣环境下工作，因
此要求有足够的强度和刚度，其冷却水路的密封性能要好，使用寿命要长。
扇形段框架的强度和刚度也影响连铸机的对弧精度[2，3]，这就要求该框架的刚性必须保持连
续。框架刚性突变太大，必须调整结构尺寸，否
则即使冷态下连铸机对弧准确，但热态下框架产生大变形也会引起支撑导向辊错位。从而导致辊
缝开口度超差，严重时甚至导致漏钢事故。
1.1基本参数 连铸机扇形段框架采用Q345-B板材焊接制
造，在ANSYS有限元模型中，取基本材料参数如下表1。
表1 材料性能参数 材料密度(kg/m3)弹性模量(MPa) 泊松比Q345-B7850 2.1×105 0.3
在有限元分析模型中，坐标系定义如下，X向为铸坯宽度方向；-Y向为铸流出坯方向；Z向
为厚度方向。
1.2模型简化 建立有限元模型，选择合适的计算单元很重
要。综合考虑计算模型和计算精度，经过多次试
验，选用8节点6面体Solid45单元，单元尺寸为25 mm。 框架主要由板筋件焊接而成，因此必须对小·10· 钢 铁 技 术 2008年第3期
于25 mm的结构进行简化处理：
1)模型没有考虑温度影响； 2)框架模型没有考虑轴承座；
3)焊缝性能高于母材，而绝大多数焊缝都小
于25 mm，本文模型采用先不考虑焊缝进行计算，这必然在尖角位置带来应力集中。如果模型
计算出应力超标，再对该位置考虑焊缝，进行子
模型分析，这样才能真实地反映该位置的应力状态。
4)在模型中，去掉水管、水管座、螺栓、孔等对结构强度影响甚微的因素；
5)油缸作为动力源，对结构强度不起任何影
响，可以用适当约束、载荷简化。 1.3框架受力分析
1)鼓肚力
铸坯由于钢水静压力而产生的鼓肚力，作用于辊子上，经轴承座传递到框架立板上。由于钢
水静压力引起的第i个导辊处的鼓肚力为： 3max(2)10()iigiFDKrHSBSkgf−=⋅⋅−⋅ 式中，r为钢水比重(r＝7.0 g/cm3)；iH为第i个导辊处钢液面高度(cm)；Sg为铸坯厚度中心线
上两辊距之和的一半(cm)；Bmax为板坯最大宽度(cm)；Si为第i个导辊处的坯壳厚度(cm)。
2)拉坯阻力 拉坯阻力R按下式计算：
BRNRRRR=++ 鼓肚阻力BR(相当于车轮在红坯钢轨上的滚动摩擦阻力)：
0.52BrFDKRAREADδ=× 在上式中，0.5为与实测值比较给出的修正系
数；FDK为鼓肚力；AREA为钢水静压力修正系
数，对板坯连铸取1；δ为鼓肚量；Dr为内外弧辊子平均直径cm，内外弧辊子都为275，该值取
275。
鼓肚力产生的轴承旋转阻力Rr：
010()ZZuRrruDDFDKRAREADDµ=+ 式中，1µ为轴承的摩擦系数(取0.01)；0ZD
ZuD为内外弧辊子轴承的相当直径(cm)。
对整体而言： 000.411.64ZrDD=−，0.411.64ZuruDD=−； 对分节而言：
000.52ZrDD=−，0.52ZuruDD=−。 油封阻力NR，取80 kgf/轴承。
3)拉坯力 板坯连铸机带液芯拉坯时，钢水静压力所产
生的鼓肚力使坯壳外部与驱动辊之间形成摩擦，
是拉坯力能够作用于板坯的基本条件。也就是驱动辊对液相板坯的驱动力取决于鼓肚力。即拉坯
力的大小不取决于电机功率的大小。但实际拉坯力很难精确计算。同时还要考虑在重拉坯时能够
将铸坯拉出，为安全，对于拉坯力，按照驱动电
机的最大出力计算。其中电机效率η＝0.85，过
载系数取1.5计算。 正常浇铸时，驱动辊所在立板上轴承座位置
作用拉坯力和鼓肚力，非驱动辊所在立板轴承座
除施加拉坯阻力和鼓肚力。在扇形段与基础框架连接位置实际固定约束，夹紧油缸拉杆位置施加
夹紧力。
根据二维AutoCAD设计图，在ANSYS中建立扇形段9号段下框架的几何CAE模型，并进行网
格划分，模型选用25 mm六面体Soilid45单元，模型共有158052个单元。网格划分结果及约束加
载情况如图1。
图1 9号扇形段下框架有限元模型
2 计算结果分析
2.1刚度分析 2008年第3期 钢 铁 技 术 ·11·
计算结果表明，正常浇铸时，下框架厚度方
向(UZ)的变形，驱动辊所在位置立板变形最大，该位置在驱动辊中间轴承座与立板连接处，其大
小为-0.199 mm。非驱动辊立板中部位置也出现最
大位移，大小为0.191 mm。框架外最远端上翘为0.228 mm。
重拉坯时，下框架在UZ方向变位的最大值
为-0.31 mm，位置在非驱动辊立板中部。驱动辊立板中部变形最大，大小为0.33 mm。框架外最
远端上翘为0.387 mm，如图2所示。 正常浇铸时，驱动辊与非驱动辊立板变形相
差较小，主要由于鼓肚力相差较小。重拉坯时驱
动辊立板变形比正常浇铸时要大，主要是由于矫直反力大于鼓肚力导致。
图2 下框架UZ方向变形
图3 下框架UY方向变形 如图3所示，在正常浇铸时，由于拉坯力的
作用，出坯方向-UY方向出现最大位移，大小为-
0.585 mm，位置同样在驱动立板中间位置。驱动辊两端部轴承座与立板连接位置出现局部变形，
其大小为0.315 mm。非驱动辊立板中间位置，UY方向局部变形较小为-0.11 mm。
重拉坯情况下，由于拉坯力的作用，在出坯
方向-UY方向出现最大位移，大小为-0.708 mm，位置在驱动辊立板连接的中间位置。驱动辊两端部轴承座与立板连接位置出现局部变形，其大小
为0.373 mm。非驱动辊轴承座与立板连接位置，UY方向局部变形为-0.12 mm。
综上所述，驱动辊所在立板变形大，这主要
由于拉坯力作用导致。扇形段辊子对弧精度为0.3 mm，除驱动辊立板-UY方向变形稍大外，正
常浇铸时，非驱动辊立板、驱动辊立板UZ和-UY
方向变形均小于0.3 mm，因此，从计算结果分析该框架设计满足刚度设计要求。
2.2强度分析 如图4所示为重拉坯条件下9号段下框架应
力云图，框架整体最大等效应力值为259 MPa，
最大等效应力点在驱动辊所在立板与端板的连接处。驱动辊所在立板受载荷比非驱动辊大，故驱
动辊所在立板应力水平高，与轴承座连接位置应
力大，应力水平大约100 MPa。
(a)重拉坯
(b)正常浇铸 图4 下框架等效应力
(转第50
页) 宽度方向－0.5 00.5
驱正 驱重非正 非重－10 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 UY变形(mm) ·50· 钢 铁 技 术 2008年第3期
员亲临现场欣赏。经IMAX公司专业技术人员当场
测试，放映效果已达到IMAX公司预期的要求。目前IMAX球幕影院营业近5个月，市场反馈良好，
家长和孩子们对IMAX球幕影院非常感兴趣，它使
生活在西南地区的广大普通民众不出国门也能亲身体验到国际顶级的视听感受，“静坐一室，遨
游太空”。少年宫的设计还获得中华人民共和国
建设部、中华人民共和国文化部联合举办的2006年第二届中国国际建筑艺术双年展“最佳创作
奖”，获2007年度重庆市优秀工程设计一等奖，重庆市十佳创意建筑奖等。少年宫IMAX球幕影院
的建成已有了显著的环境效益、经济效益和社会
效益。希望通过本文的阐述，可以为以后类似工程的设计提供借鉴和参考。
参考文献 1 蔡镇钰 .建筑设计资料集(4)[M].北京：中国建筑工业出版社，2003,07 2 中华人民共和国公安部 .高层民用建筑设计防火规范(GB50084-2001)(2005年版)[S].北京：中国计划出版社,2005.09 3 韩占先等编写 .自动喷水灭火系统设计规范(GB50045-95)(2005年版)[S].北京：中国计划出版社,2005.09 4 王季卿等编写 .剧场、电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范(GB/T50356-2005)[S].北京：中国计划出版社,2005.09.
(收稿日期：2007-12-04)
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(接第44页) 子的连接采用的是板铰，也就是用A 级螺栓连接
的，与固接有细微的差异；B端假定是不动铰，
但实际上新建主厂房箱形托梁的横向是靠安全挡块阻止滚轴滑移的，与不动铰支座还是有些出
入。这些问题还有待于实践检验并进一步完善。
该工程已于2007年9月投产，新建主厂房D列、17行上角拄、箱形托梁、箱形截面深梁、滚动支座、旧有主厂房吊车梁、钢筋混凝土柱等结
构均使用正常。
本文在撰写过程中得到资深专家董奇石的悉心指导，并提出了不少宝贵意见，在此表示衷心
感谢！ (收稿日期：2008-02-29)
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(接第11页)
而正常浇铸时，驱动辊所在立板与端板位置处出现应力峰值，其大小为163 MPa。在立板与
轴承座连接部位，应力作用区域较重拉坯减小。
框架材质为Q345,重拉坯和正常浇铸时最大应力值均没有超过材料屈服极限。且框架立板的
总体应力水平在60 MPa～80 MPa以下。说明下框架设计满足强度要求。 3 结论
本文通过有限元法建立了扇形段下框架的有限元模型，通过计算表明，该扇形段框架设计满
足强度设计要求，除驱动辊立板变形较大以外，可以适当增加驱动辊立板的刚度。有限元计算方法，在扇形段的合理设计过程中发挥重要作用，已成为现代工程设计中必不可少的重要手段。
参考文献 1 罗振才 .炼钢机械[M].北京：冶金工业出版社,1999 2 周志岳 .板坯连铸机扇形段框架有限元分析的计算机模拟[J].包头钢铁学院学报,1993 (3)63-67 3 刘赵卫 .大方坯连铸机活动段框架分析及改进[J].重型机械, 2008(1):53-56 (收稿日期：2008-03-31)