本發明屬于鋼鐵冶金連鑄技術領域，更具體地說，涉及一種防止板坯連鑄漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法。

背景技術：

在連鑄結晶器內，由于鋼液與水冷銅板的傳熱，鋼液凝固成一定厚度和足夠強度的坯殼，然后在結晶器振動和保護渣潤滑作用下，坯殼能連續安全的被拉出結晶器。如果凝固坯殼在出結晶器后由于厚度不足或強度不夠而不能抵御鋼水靜壓力等的作用，則會破裂發生漏鋼。在結晶器內部時薄弱的坯殼有銅板支撐，而被拉出結晶器后失去支撐，在鋼水靜壓力、拉坯力和高溫應力等作用下，沒有足夠的安全坯殼厚度是不能防止漏鋼的。漏鋼是連鑄過程的重大惡性事故，會造成巨大經濟損失。

結晶器出口安全坯殼厚度的確定在連鑄設備和工藝設計中至關重要，比如結晶器長度設計、拉坯速度設計、結晶器冷卻制度確定等。結晶器長度的設計就需要綜合考慮拉坯速度和結晶器冷卻強度等因素，根據結晶器出口安全坯殼厚度來確定。此外，隨著高效連鑄技術的發展，提高拉速已成為了很多連鑄機的重要任務之一，尤其是在國內板坯連鑄機拉速水平不及國際先進水平的現狀下。而拉速的提高，根據凝固平方根定律可知，勢必會降低結晶器出口的坯殼厚度，增加漏鋼風險，所以，必須在保證安全坯殼厚度的條件下，適當提高拉速，也就是說根據安全坯殼厚度，可以推出提高拉速的潛力。結晶器出口安全坯殼厚度的合理確定是避免漏鋼的基本要求，也是避免鑄坯表面質量問題的重要途徑。因此，探究防止漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，對連鑄技術發展具有重要意義。

目前對結晶器出口安全坯殼厚度的研究，一方面是根據現場經驗或者利用漏鋼坯殼測量的坯殼厚度等方法來估計出結晶器時安全坯殼厚度，比如板坯結晶器出口安全坯殼厚度應大于15mm，小方坯應為8mm～10mm，其沒有統一標準和可靠依據，如果安全坯殼厚度人為選取過大，意味著結晶器出口坯殼表面溫度一般也過低，坯殼表面溫度回升相應加大，從而產生較大的熱應力，不利于鑄坯表面質量，同時也一定程度限制了拉速水平的提高。另一方面是集中在對連鑄方坯和圓坯結晶器出口安全坯殼厚度計算，比如文獻《包晶鋼圓坯結晶器出口安全坯殼厚度的研究》和《包晶鋼大方坯結晶器出口安全坯殼厚度的研究》根據圓坯和方坯特點通過其坯殼受力分析確定安全坯殼厚度，但對于板坯，由于鑄機輥列布置與方坯和圓坯不同，按照此方法建立簡支梁模型并不準確，即使按照該方法建立簡支梁模型計算出來的安全坯殼厚度也遠大于正常生產坯殼厚度。文獻《特大斷面連鑄方坯結晶器出口的安全坯殼厚度》對大方坯和小方坯采用有限元方法，建立坯殼三維熱力耦合模型計算坯殼應力分布，通過坯殼表面應力分布與材料屈服極限來判斷確定安全坯殼厚度，其建模和計算過程繁瑣復雜，且不同鋼種不同鑄坯斷面的適用性較差。

關于結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，現有技術中也有相關專利公開，如專利公開號：cn103386472a，公開日：2013年11月13日，發明創造名稱為：一種連鑄結晶器出口坯殼安全厚度的獲取方法及裝置，該申請案公開了一種連鑄結晶器出口坯殼安全厚度的獲取方法及裝置，該方法基于不均勻溫度場平板的形變，計算連鑄結晶器出口與足輥間坯殼的最大鼓肚形變量；以最大鼓度量小于等于臨界鼓肚形變量為判據，計算連鑄結晶器出口坯殼安全厚度。該申請案結合理論計算以及鋼種材料屬性得出連鑄結晶器出口坯殼安全厚度，改變了通過經驗判斷連鑄結晶器出口坯殼厚度是否合格的做法，對于提升鋼材成型質量以及生產安全性具有重要意義。但是，該申請案的不足之處在于：以最大鼓度量小于等于臨界鼓肚形變量為判據計算連鑄結晶器出口坯殼安全厚度的方式其計算的準確性還有待提升。

綜上所述，如何根據板坯連鑄機的特點，設計一種切實可行的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，是現有技術中亟需解決的技術問題。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種防止板坯連鑄漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，該方法簡便易行，理論可靠，適用性強，為實際連鑄機設計和工藝優化提供理論基礎和技術支撐。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，包括如下步驟：

步驟1、根據板坯連鑄機結構，確定結晶器出口凝固坯殼的受力情況，構建板坯結晶器出口坯殼的等效簡支梁受力分析模型；

步驟2、根據結晶器出口凝固坯殼受到的載荷和簡支梁模型確定材料力學參數；

步驟3、根據簡支梁模型的材料力學參數，由材料力學理論構建結晶器出口坯殼強度校核模型；

步驟4、確定結晶器出口坯殼的強度標準；

步驟5、根據結晶器出口坯殼強度校核模型，計算危險斷面位置坯殼厚度極限。

作為本發明更進一步的改進，步驟2中，所述材料力學參數包括簡支梁支座反力、剪力和彎矩分布、最大剪力、最大彎矩和危險斷面位置。

作為本發明更進一步的改進，按照步驟1至步驟5分別對結晶器出口凝固坯殼寬面和窄面進行強度校核，分別得到結晶器出口寬面和窄面的最小安全坯殼厚度。

作為本發明更進一步的改進，步驟4中，所述強度標準為屈服強度。

作為本發明更進一步的改進，所述屈服強度的確定步驟如下，首先根據鋼的高溫力學性能試驗，確定不同鋼種在不同溫度下的屈服強度，建立對應數據庫；然后在實際應用時，直接在屈服強度數據庫中，根據鋼種和結晶器出口坯殼溫度查找確定結晶器出口坯殼的屈服強度。

3.有益效果

采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：

(1)本發明根據實際板坯連鑄機的結構特點，將材料力學理論準確的運用到結晶器出口高溫坯殼的強度校核中，通過簡支梁受力分析模型可快速有效地確定不同鋼種不同斷面在不同溫度下的結晶器出口安全坯殼厚度，對實際連鑄機設計和連鑄工藝優化具有重要的理論和現實意義。

(2)本發明提出一種防止板坯連鑄漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，為粘結性漏鋼修復條件的推導提供了重要依據，將徹底改變以往的將防止漏鋼的最小安全坯殼厚度用正常生長坯殼厚度代替的觀念，進一步完善粘結性漏鋼的修復理論和動態控制策略。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為實施例1的防止板坯連鑄漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法的流程圖；

圖2為實施例1中板坯連鑄機結晶器與足輥段結構的側視圖，mm；

圖3為實施例1中結晶器出口凝固坯殼受力情況示意圖(a)和等效簡支梁模型示意圖(b)；

圖4為實施例1中等效簡支梁的剪力圖和彎矩圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面結合附圖和實施例對本發明具體實施做進一步詳細說明。

為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例的防止板坯連鑄漏鋼的結晶器出口安全坯殼厚度確定方法，包括如下步驟：

步驟1、根據實際板坯連鑄機結構特點，確定結晶器出口凝固坯殼的受力情況，建立結晶器出口等效坯殼的簡支梁受力分析模型。

本實施例為板坯連鑄機，澆鑄鋼種范圍寬，包括超低碳鋼、低碳鋼、包晶鋼和中碳鋼等，澆鑄板坯斷面為230×(900～2150)mm²，采用組合式直結晶器，兩塊寬面銅板，兩塊窄面銅板，長度均為900mm，結晶器寬度和厚度根據板坯斷面調整，鋼水在結晶器內凝固成一定厚度坯殼，出結晶器后受到噴水冷卻，坯殼寬面內弧側和外弧側分別受到一根足輥支撐，坯殼窄面左側和右側分別受到三根足輥支撐，如圖2所示。

圖3(a)顯示了出結晶器凝固坯殼的受力特點，取結晶器下端a點與第一根足輥b點之間的坯殼構建圖3(b)的簡支梁模型，簡支梁長度為lb-la，該簡支梁受到的載荷主要為鋼水靜壓力，其為變載荷，如下式所示。

q(x)＝ρg(la+x)

式中，q(x)為垂直拉坯方向距a點x位置坯殼所受載荷，pa；ρ為坯殼密度，取7850kg/m³；g為重力加速度，取9.8n/kg；la為垂直拉坯方向結晶器下端a點與彎月面之間的距離，mm；lb為垂直拉坯方向第一根足輥b點與彎月面之間的距離，mm；x為垂直拉坯方向簡支梁上某一位置處距a點的距離，mm。

步驟2、根據結晶器出口凝固坯殼受到的載荷和簡支梁模型確定材料力學參數，包括簡支梁支座反力、簡支梁上剪力和彎矩分布、最大剪力、最大彎矩、危險斷面位置等。

步驟2.1、確定簡支梁a點和b點支座反力。

式中，∑f為簡支梁受到的合力，n；∑m為簡支梁受到的彎矩，n·m；ra為a點支座反力，n；rb為b點支座反力，n；b為板坯寬度，m。

根據以上靜力平衡方程，可求出a點支座反力ra、b點支座反力rb，如下式所示。

步驟2.2、列出簡支梁x處截面剪力和彎矩方程。

式中，q(x)為簡支梁x處截面上剪力，n；m(x)為簡支梁x處截面上彎矩，n·m；b為板坯寬度，m。

根據以上剪力和彎矩方程可以求出簡支梁x處截面上剪力q(x)和彎矩m(x)，如下：

由上式可知，剪力q(x)是彎矩m(x)的導函數。

步驟2.3、根據以上剪力q(x)和彎矩m(x)函數畫出簡支梁上剪力和彎矩分布，如圖4所示。其中，

步驟2.4、根據簡支梁剪力和彎矩分布圖，分析簡支梁上危險斷面位置，求出最大剪力和最大彎矩，如下：

由剪力分布圖可知，只有x≥0時才具有實際意義，則當x＝0時，

當x＝lb-la時，

且所以簡支梁上最大剪力位置在x＝0。

由彎矩分布圖可知，當時，彎矩m(x)有最大值。

所以由上分析可知，危險截面位于x＝0或x＝x2處。

步驟3、根據簡支梁模型的材料力學參數，由材料力學理論構建結晶器出口坯殼強度校核模型，如下：

由圖4剪力和彎矩分布可知，當x＝0時，彎矩為0，說明簡支梁該截面受到純剪切作用，且剪力為最大值，同時定義簡支梁橫截面為矩形，則根據材料力學理論可知，在剪力最大值的截面的中性軸上，該矩形截面梁有最大切應力τmax，再根據彎曲切應力的強度條件，如下：

式中，dn為結晶器出口凝固坯殼厚度，m；[τ]為坯殼的許用切應力，pa。

當時，剪力為0，說明簡支梁該截面受到純彎矩作用，且彎矩為最大值，而簡支梁橫截面為矩形，則根據材料力學理論可知，在彎矩最大值的截面上，該矩形截面梁有最大正應力σmax，再根據彎曲正應力的強度條件，如下式所示。這里結晶器出口坯殼的等效簡支梁截面的正應力為拉應力。

式中，[σ]為坯殼的彎曲許用應力，pa。

由于lb-la＞＞d(即簡支梁的長度遠大于寬度)，且剪切力比較小，則該簡支梁可以看作細長梁。而細長梁的控制因素通常是彎曲正應力，所以，構建結晶器出口坯殼強度校核模型時，只需滿足等效簡支梁彎曲正應力的強度條件，因為此時，滿足彎曲正應力強度條件的梁一般都能滿足切應力的強度條件。也就是說，將結晶器出口坯殼所受最大拉應力與坯殼強度極限比較進行強度校核即可，當結晶器出口坯殼所受最大拉應力小于其自身極限強度時，說明坯殼可以承受鋼水靜壓力，是在安全狀態，否則可能會破裂發生漏鋼。

步驟4、在生產中既要保證鑄坯的安全順行還要保證鑄坯的質量，為此，安全坯殼的強度標準采用保守的屈服強度而不采用強度極限，為了避免坯殼發生永久的塑性變形，只允許坯殼發生可回復的彈性變形，以保證鑄坯質量。所以，首先根據鋼的高溫力學性能試驗，確定不同鋼種在不同溫度下的屈服強度，建立對應數據庫。然后在實際應用時，直接在屈服強度數據庫中，根據鋼種和結晶器出口坯殼溫度查找確定結晶器出口高溫坯殼的屈服強度。將屈服強度除以安全系數n可得到坯殼許用拉應力[σ]。

步驟5、由結晶器出口坯殼強度校核模型，可得危險斷面x＝x2位置坯殼厚度極限，也就是安全坯殼厚度，如下式所示。這里，為鋼種、過熱度、拉矯力等的影響系數，取1～1.3。

所以結晶器出口的最小安全坯殼厚度dbo為：

式中，取1.3。由上式可知，結晶器出口的最小安全坯殼厚度dbo與板坯寬度b無關。

步驟6、根據該板坯連鑄機結晶器到足輥段結構特點，按照步驟1到步驟5分別對結晶器出口凝固坯殼寬面和窄面構建簡支梁受力分析模型，進行坯殼強度校核，可分別得到寬面和窄面坯殼的最小安全坯殼厚度。

以鋼種ss400為例，該坯殼在不同溫度下屈服強度σs如表1所示，坯殼許用應力其中安全系數n取2.5。

(1)對于結晶器出口寬面最小安全坯殼厚度，la＝800mm，lb＝910mm，則：

(2)對于結晶器出口窄面最小安全坯殼厚度，la＝800mm，lb＝958.5mm，則：

由以上計算，可得ss400鋼的凝固坯殼在不同溫度下結晶器出口寬面和窄面的最小安全坯殼厚度，如下表所示。

表1ss400鋼凝固坯殼不同溫度下屈服強度和最小安全坯殼厚度

本發明的特定實施例已對本發明的內容做出了詳盡的說明，但不局限本實施例，本領域技術人員根據本發明的啟示所做的任何顯而易見的改動，都屬于本發明權利保護的范圍。