水平连铸机结晶器的拉坯阻力

北京科技大学学报 第13卷第4(1)期 Vol.13No.4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 水平连铸机结晶器的拉坯阻力 萧秀文·雷知行·马平安· 摘要：介绍了水平连铸机结品器拉坯阻力的测试方法，实测了不同工艺条件下的拉坯阻 力，并对结晶器拉坯阻力进行了理论分析和计算，所得结果与实测值是一致的 关键词：水平莲钴机，钻晶器，拉坯阻力 Withdrawing Resistance of the Mould in Horizontal Continuous Caster Xiao Xiuwen Lei Zhixing'Ma Pingan ABSTRACT:The measurement of mould withdrawing resistance in horizontal co- ntinuous caster is introduced and withdrawing resistance under diffierent technolo- gical conditions is measured.It is described that the theoretical calcutation of the withdrawing resistance of the mould.The result of calculation corresponds with experimental data. KEY WORDS:horizontal continuous caster,mould,withdrawwing resistance 1结晶器拉还阻力的分析与计算 结晶器拉坯阻力由以下几部分组成： (1)钢水静压力产生的摩擦阻力： (2)拉坯过程中，钢水静压力引起的抽吸阻 力 (3)铸坯自重在结晶器内的摩擦阻力； (4)凝固坯壳与结晶器壁的粘结阻力； 1991-05-06收稿 ·机械工程系(Department of Mechanical Engineering) 70

、 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 水平连铸机结 晶器的拉坯阻力 萧秀文 ‘ 雷知行 ’ 马平安 ‘ 摘 要 介绍 了水平连铸机结晶器 拉坯阻 力的侧试方法 , 实侧 了不 同工艺 条件 下 的拉 坯 阻 力 , 并对结 晶器拉坯阻 力进 行 了理论分析和计算 , 所得 给果与实测值是一致 的 关键 词 水平连铸机 , 结晶器 , 拉坯 阻 力 “ 切 ‘ ‘ 而军 九 , 夕 。 , , 结 晶器拉坯阻力的分析与计算 结 晶器拉坯阻力 由以下 几部分组 成 钢 水静压 力产生的摩擦 阻力 铸坯 自重在结 晶器 内的 摩擦阻 力 拉坯 过程 中 , 钢水静压力 引起的抽吸阻 力 凝固坯壳与结晶器壁的粘结阻 力 , 一 一 收稿 机械工程 系 几 刊

(5)铸坯动载产生的拉坯阻力。 以下逐一进行分析计算。 1.1钢水静压力引起的摩擦阻力 由于分离环和水口的粘性摩擦作用，使结晶器内的钢水静压力比中间包出口的静压力 要小，应用粘性流体力学中研究管内流体流动规律可知，由于问题的轴对称性，在柱坐标系 (r,日，x)中，流体的平衡方程为： 1d,du、1dp ,r(rar）=店de (1) 上式中业是流体轴向压降速率，“是管内流体轴向流速，它与半径有关，“是流体 粘度。边界条件是： T=T。,u=03 r=0,u=有限值。 求得速度分布为； =安(8-r) 1 (2) 由此式可求出以下有关参数： 流量： 0-dA-g(-股) 8 平均流速： O ri dp u=A=8h(-ax） (3) 如果流体在管内的轴向压降是均匀的，则dp/dx=常数，即：一dp/dx=(P2-P:)/x 将该式代入(3)式得： P1=P2-87g4。 (4) 式中x一管长，m P,一流体出口压力，Pas P2一流体入口压力，Pa; A-一流体粘性系数，N·s/m2影 u。一平均流速，m/s; 对水平连铸钢流的实际问题，r。是水口半径，t。=0.035m;x为分离环和水口的总厚 度，x=0,12m;P2为钢水静压力，取中间包内钢水液面高为0.7m,算得中间包出口处的 P2=49000Pa(N/m2)。钢液的平均流速与铸坯的拉速的关系为4。=d2V/xr,拉坯时最大 瞬时拉速Vm.=0.1495m/s;4=0.05Ns/m2,由此可算得结晶器内的静压力P:= 48996.6P,这就是说，分离环和水口引起的钢水压降4P=P,-P:是很小的，可以忽略不 计即可认为结晶器内的钢水静压力与中间包出口处的压力是相同的，即P:=P2=P。 71

铸坯 动载产生的拉坯阻 力 。 以下逐一进行分析计算 。 钥水静压 力 引起 的摩擦 阻 力 由于分离环和 水 口 的 粘性摩擦 作用 , 使结 晶器 内的钢 水静压力 比 中间包 出 口 的 静 压 力 要小 , 应用粘性流 体力学 中研究管内流体流 动 规律可知 , 由于问题的 轴对称性 , 在柱坐标系 , , 二 中 , 流体的平衡方程为 、 刀 百 戈 石 一 ’二 万 一 女 。 二 。 一 二 一 甲 , 、 。 , 二 、 、 、法 、 、 、 业 。 七 举 二 曰 扶 体 上 双甲 万 足沉 冷翎 川 庄阵迷 竿 , 足 写网 沉冷锁 问 切‘迷 ’ 匕 刁 十住 ‘ 们 大 ’ 产 正 哪 冷 粘度 。 边界 条件是 。 , 二 。 有限值 。 求得速度分布 为 , 。 获 妥 一 由此 式可求出 以下有关参数 流量 口 下 ,才 , 黯 一 各 豁 口一 平均流速 一 如果流体在管内的轴 向压降是 均 匀的 , 则 常数 , 即 一 二 一 尸 将该式代入 式得 二 一 ’ 劣 一 亏 。 石 式 中 —管长 , —流体 出 口压力 , — 流体人 口压力 , 户 — 流体粘性系数 , , 。 — 平均流速 , 对水平连铸钢流的 实际向题 , 。 是水 口半径 , 。 二 。 二 为分离环和水 口 的 总 厚 度 , “ 二 尸 为钢水静压力 , 取 中间包 内钢水液 面高为 , 算得 中间包 出 口 处 的 尸 二 “ 。 钢液的平均流速与铸坯的 拉速的关 系为 。 。 二 犷 汀 套 , 拉 坯时最大 瞬时拉速 。 。 二 二 。 产 。 · “ , 由 此 可 算 得 结 晶 器 内 的 静 压 力 , 。 , 这就是说 , 分离环和水 口 引起的钢水压降 』尸 二 一 是很小的 , 可以忽 略 不 计 即可认为结 晶器 内的钢水静压力与中间包出 口处的压力是相同的 , 即 尸 二

由此钢水静压力引起的摩擦力F,可近似用下式计算： F:=AudLP (5) 式中d一方坯的边长，m; L一结品器长度，m; 4一摩擦系数，取4=0.08 P—钢水静压力，P=49000Pa 1,2钢水静压力引起的抽吸阻力 不考虑铸坯断面以外钢液的影响，抽吸阻力可按下式计算： F2=Pd2 (6) 式中P一一钢水静压力，Pa;d-一方坯的边长，m。 1,3铸还自重在结晶器内引起的摩擦阻力 自重引起的摩擦阻力可按下式计算： Fs=μgG. G=Ld2y (7) 式中Gm一铸坯自重，kg;y—一钢水重度，取y=7500kg/m3； 1,4凝固还克与结晶器壁的粘结阻力 钢水凝固时，由于温度高，初生坯壳在结晶器的200mm钢套段的内壁会发生粘结，这 个粘结阻力在浇铸中受一些难以预测的因素影响，波动范围很大。现按粘结长度是铜套长L, 的2%，粘结部位为周长的1/2计算，这种粘结阻力是金属的一种变形抗力，高温金属变 形抗力K,的计算式如下： K=0.147(1400-t)(N/mm2) 该处坯壳的平均福度为1350℃，得K,=7.35N/m2,故粘结阻力F4为： P,=2(4dL,K,)×2% (8) 式中L,一结晶器铜套长，mm;K,一高温金属变形抗力，Nmm 1.5铸坯的动载产生的拉还阻力 动载阻力可按下式计算： Fs=Ga (9) 式中a-一铸坯运动的线加速度，m/s2,一般a=0.282、0.707m/s2,am,=1.0m/s2。 综合上述影响拉坯阻力的诸因素，对某厂浇铸130,160,185mm方坯实际问题，可得 拉坯阻力各分项和综合结果列于表1。 72

由此钢水静压力 弓起的摩擦 力 , 可近似用下式计算 二 产 式中 — 方坯的边长 , 声 —摩擦系数 , 取声 。 — 结 晶器长度 , 尸 —钢水静压 力 , 钥水静压 力引起 的抽吸 阻 力 不考虑铸坯 断面以外钢液的 影 响 , 抽 吸阻 力可按 下式计算 二 式中 。 尸一一钢水静压力 , — 方坯的边长 , 。 铸坯 自盆在结 晶器 内引起 的摩擦 阻 力 自重 引起的摩擦阻力可按下式计算 产 。 。 必护 式中 。 。 —铸坯 自重 , — 钢 水重度 , 取夕二 厂 ” 凝固坯 壳 与结 晶器壁的粘结 阻 力 钢水凝 固时 , 由于温度 高 , 初生坯壳在结晶器的 钢套段 的 内 壁 会发生粘结 , 这 个粘结阻力在浇 铸中受一些难以 预测的 因素影响 , 波 动范围很大 。 现按粘结长度是铜套长 , 的 , 粘结部位为 周长的 计算 , 这种粘结阻 力是金属 的一种 变形抗力 , 高温金 属 变 形抗力 , 的计算式如下 , 。 一 该处坯壳的 平均温度为 ℃ , 得 了 。 “ , 故粘结阻 力 为 合 , , , 式 中 。 , — 结 晶器铜套长 , , —高温金属 变形 抗 力 , 铸坯 的动载产 生 的拉坯 阻 力 动载阻 力可按下 式计算 二 。 式中 —铸坯运动的 线加速度 , , 一般 、 ’, “ , 二 二 “ 。 综合上述影响拉坯阻 力 的诸因素 , 对某 厂浇铸 , , 方坯 实 际 问 题 , 可得 拉坯阻力各分项和 综合结果列于表

表1拉坯阻力的计算结果 Table 1 The calculation result of withdrawing resistance 阻力值(N) F1 F2 Fs F Fs Fs 断面130×130 3465.3 -828.1 169.1 7644 61.0~215.510511.3-10665.8 断面160×160 4265 -1254.1 259.2 9108 90.0326.4 12764.813001.2 断面185×185 4931.1 -1677.0 342.5 10878 123.1~436.414598.0~14911,3 2测试方法 结晶器拉坯阻力的测试采用两种方法：(1)把引锭头与引锭杆之间的联接销轴作传感器， 通过测销轴的弯曲应变得到拉坯阻力，这种方法要对销轴进行间接标定，精度较低；(2)在 引锭杆头部直接贴应变片，用电标直接得到所测结果。这种方法直接、简单，精度也较高， 适合现场采用。 图1是引锭杆与引锭头联接部位的结构图。这种结构为了清除引锭杆4和引锭头1之间 联接销轴2处的间隙，当拉坯机的推拉运动通 过引锭杆传向引锭头时，其推力是通过4个顶 紧螺栓3来传递。如果试验时仍用这种结构，仅 能记录到拉坯时的半个波形。为了使柱销传感 器能记录到拉坯时的全波形，需拉开4个螺栓， 销轴与轴孔之间用微间隙的动配合，使之不影 响拉坯曲线的传递。销轴传惑器的结构是在原 销轴上作了部分改进以满足粘贴电阻应变片和 接线需要。传感器用专门设计的铺助装置在材 图1引锭头联接结构 料试验机上标定，标定曲线是线型的。 Fig.1 The connected co nstruction of 由水平连铸工艺可知，用这种方法测结晶 the head of the bummy bar 器拉坯阻力，只能测得在开浇后7一8m内的拉坯阻力及其变化，具体来说，只能测得引 锭杆在退出拉坯机之前一段距离的阻力值。 在锭杆头部贴片可直接测得结晶器的拉坯阻力，若引锭杆贴片处的横断面边长为， 厚度为b,该处的应变和拉坯阻力的关系是，产生14e相应的拉坯阻力为： F=EA·10-8 (10) 式中A一引锭杆的断面积，cm2, E一引锭杆材质的弹性横量，N/cm2。 由(10)式可估算出在拉坯时可能产生的应变，以使选择应变仪中相应的放大倍数。试验时 用电标定，使用方便，精度较高。 3试验结果与分析 所谓结晶器的拉坯阻力是指铸坯在拉出结品器时所遇到的阻力，通常所说的拉坯阻力是 73

表 拉坯 阻 力的计算结 果 。 阻 力 值 断 面 断 面 断 面 。 。 尸 刃 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 测试方法 结 晶器拉坯阻 力的测试采 用 两种方法 把 引锭头与 引锭杆之 间的联接销轴作传感器 , 通 过测销轴的 弯 曲应 变得到拉坯阻 力 , 这 种方法要 对销轴进 行间接标定 , 精度较低 在 弓锭杆头部直接贴应 变片 , 用电 标直接得到 所测结 果 。 这种方法直接 、 简单 , 精度也较高 , 适 合现场采 用 。 图 是 引锭杆与 引锭头联接部位的 结构 图 。 这 种结 构为 了清除 引锭杆 和 引锭头 之 间 联接销轴 处的 间隙 , 当拉坯机的推拉运 动通 过 引键杆传 向 引锭头时 , 其推力是通 过 个顶 紧螺检 来传递 。 如 果试 验时仍 用这种结构 , 仅 能记录到 拉坯时的半个波形 。 为 了使柱销传感 器 能记录到拉坯时的全波形 , 需拉开 个螺 栓 , 销轴 与轴孔之 ’用微 间隙的动配合 , 使之 不影 响拉坯 曲线的传递 。 销轴传感器的 结构是在原 销轴上 作 了部分 改进 以满足粘贴 电阻应 变片和 接线需要 。 传感器 用专 门设计的辅 助装置在材 料试验机上标定 , 标定曲线是线型 的 。 由水平连铸工艺可知 , 用 这种方法测 结 晶 蓬夔翌 眼—一一 一一 碑 刃 翻 『 ‘ 一 力 燕 解 , 目 一吃么 粉 一撒 图 匕 引锭 头联接结构 垃 器拉坯阻力 , 只 能测得在开浇后 一 内的拉坯阻力及其变化 , 具体来 说 , 只 能测得 引 锭杆在退出拉坯机之前一 段距离的阻力值 。 在引锭 杆头部贴片 可直接测得结晶器的拉坯阻 力 , 若 引锭杆贴片处 的横断 面边 长 为 , 厚度为 , 该处的应 变和拉坯阻 力的关系 是 , 产生 产 相应的拉坯 阻力为 式中 —引锭杆的断 面积 , “ — 引锭杆材质的弹性横量 , “ 。 由 式可估算出在拉坯时可能产生的应 变 , 用电标定 , 使用方便 , 精度较高 。 以便选择应 变仪 中相应的放 大倍数 。 试 验时 弓 试验结果 与分析 所谓结 晶器的 拉坯 阻力是 指铸坯 在拉 出结 晶器 时 所遇 到的 阻力 , 通 常所说的拉坯阻力是

指拉辊在拉坯时所克服的全部阻力，它包括结晶器的拉坯阻力和二冷段（空冷段）的阻力。结 晶器的拉坯阻力因受各种条件限制，一般很难测出，本次试验因把引锭杆头部作为传感器， 故较好地解决了这个问题，淮确地测得了拉坯阻力及其变化。 3,1开铸阶段结晶器的拉还阻力 实测开铸阶段结晶器中的拉坯阻力的统计值列于表2中，从表中的拉坯阻力与拉坯长度 的关系可看出，在开始拉坯时，即坯长为100mm,拉坯阻力较大，达20421.5N,以后有所 降低，在拉坯200mm以后，阻力随坯长而增加，对浇铸45号钢，拉130和160mm方坯时，出 结晶器口的平均拉坯阻力为： 130mm方坯 F=14517.8N(1479.9kgf) 160mm方坯 F=20421.5N(2031.8kgf) 表2160mm方还开铸阶段的拉还阻力 Table 2 Withdrawing resistance of 160mm bloom during inital casting 拉坯长度（mm) 100 200 500 1000 1500 1600 拉坯阻力(N) 20421.5 17982,6 15308.5 15843.2 17539.3 19931.9 表中只列到坯长1600mm,这是因为引锭杆离结晶器入口端部为100mm,结晶器长为 1700mm,在多次试验中，阻力的变化都具有上述规律。 3,2不同工艺条件与拉还阻力的关系 在稳定浇铸情况，拉坯阻力的波形如图2所示，波形图上把拉坯阻力、拉坯力矩和各拉 图2拉坯阻力波形图 P1、P2-拉坯阻力：M1、2-拉坯力矩1-电流：V-电压，-时标 Fig.2 The oscillogram of the withdrawing resistance 74

指拉辊在拉坯时所克服的全部阻力 , 它包括结晶器的拉坯 阻力和二 冷段 空冷段 的 阻力 。 结 晶器的拉坯 阻力因受各种条 件限制 , 一般很难测 出 , 本次试验因把 引锭杆头部作为 传感器 , 故较 好地解决 了这个问题 , 准确地测得了拉坯 阻力及其变化 。 开 铸阶段结 晶器 的拉坯 阻 力 实测开铸阶段 结晶器 中的拉坯 阻 力的统计值列于表 中 , 从表中的拉坯阻力与拉坯长度 的关系可看 出 , 在开始拉坯 时 , 即坯长为 , 拉坯阻力较大 , 达 , 以 后 有 所 降 低 , 在拉坯 。以后 , 阻力随坯长而增加 , 对浇铸 号钢 , 拉 和 方坯时 , 出 结晶器 口 的 平均拉坯 阻力为 方坯 了 了 方坯 二 。 表 方坯 开铸 阶段 的拉坯 阻 力 拓 拉坯长度 拉还阻 力 。 。 。 。 。 。 表中只 列到坯长 , 这是因为 引锭杆 离 结 晶 器 人 口 端 部 为 二 , 结 晶 器 长 为 , 在多次试验 中 , 阻 力的 变化都具有上述规律 。 , 不 同工艺条 件 与拉坯阻 力的 关 系 在稳定浇铸情况 , 拉坯阻 力的波形如 图 所示 , 波形图上把拉坯阻力 、 拉坯力矩和各拉 亡 飞厂粉伙沙飞 一 图 拉压阻力 波形 图 、 一 拉坯阻 力 皿 、 汉 一 泣坯 力矩 了一 电流 一 电压 , 卜 时 标