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鋼錠模是煉鋼廠耗量極大的工藝易損品，其使用壽命直接影響鋼錠成本。因此，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對鋼錠模的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的研究，特別是利用有限元分析鋼錠模的熱應(yīng)力，從而設(shè)計出應(yīng)力分布比較合理的鋼錠模，從結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋼錠模的優(yōu)化設(shè)計，延長鋼錠模的使用壽命，降低鋼錠模消耗，使鋼錠模的設(shè)計理論有了新的發(fā)展。本文對文獻(xiàn)中煙臺鋼廠兩種截面尺寸的200mm鋼錠模進(jìn)行了應(yīng)力分析。在澆鑄過程中，鋼錠模的溫度非常復(fù)雜，難以給出準(zhǔn)確的溫度分布。本文采用平行對比法，即在同一溫度下研究兩種鋼錠模的熱應(yīng)力分布。這樣處理避免了復(fù)雜的溫度場計算，側(cè)重于兩種模子的比較。在計算時采的是ANSYS程序，ANSYS程序是一個比較權(quán)威大型的通用有限元程序，它含有豐富的單元庫。
計算結(jié)果表明文獻(xiàn)中新設(shè)計方案比原方案設(shè)計出的模子應(yīng)力分布合理，新方案比原方案模子壽命長，鋼錠模消耗低；但文獻(xiàn)中新設(shè)計方案不是最優(yōu)的，利用有限元法進(jìn)行鋼錠模的應(yīng)力分析、進(jìn)行了鋼錠模的優(yōu)化設(shè)計，可以設(shè)計出截面形狀、尺寸更合理的鋼錠模，降低模耗。
從開始澆鋼到脫模的整個過程，鋼錠模內(nèi)、外壁之間始終存在著溫度差。這個溫度差，將在鋼錠模的內(nèi)外壁之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。
傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為，從鋼錠散出的熱量與鋼錠模的壁厚成正比，模壁越厚散熱速度也越快，鋼錠的初生外殼也越厚。鋼錠模工作狀態(tài)下所承受的應(yīng)力為熱應(yīng)力，如果鋼錠模周圍各點溫度相等，熱應(yīng)力是一致的。例如，所鑄鋼錠為圓形，則鋼錠模的截面為圓環(huán)形。在熱應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力時，這種鋼錠模的壽命從理論上說，應(yīng)該是長壽無限的。但實際上是不可能的，因為，鋼錠模除了受熱應(yīng)力的作用外，還有疲勞應(yīng)力，內(nèi)表面的氧化脫碳等種種作用。然而有一點可以肯定，在消除或減小鋼錠模由于熱應(yīng)力所形成的裂紋后，延長其壽命是非常有效的。要使鋼錠模各部位在工作時溫度均勻一致，一方面是加厚鋼錠模工作時溫度最高部位的模壁厚度，另一方面是減薄工作狀態(tài)溫度較低的模壁厚度。
由于原設(shè)計方案不合理，使用效果不理想，對原設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，新設(shè)計200mm鋼錠模下口尺寸如圖所示。
新設(shè)計的200mm鋼錠模消耗見表，共統(tǒng)計947支鋼錠模，報廢原因分類情況，列于表2中。新設(shè)計方案比原方案鋼錠模消耗低。
計算結(jié)果表明：(l)新設(shè)計方案比原方案的應(yīng)力分布合理，所以新方案的模耗低。(2)新方案的模子變形比原方案均勻所以新方案粘模的比例小，便于脫模；(3)角部厚度和對稱面部位厚度的比值是一個重要參數(shù)，它反映了整個截面內(nèi)各部位的剛度分配，這一參數(shù)稍有變化(其它條件不變)，鋼錠模截面內(nèi)的應(yīng)力分布急劇變化。原方案角部厚厚度與對稱面部位的厚度的比值為0.83，新方案角部厚度和對稱面厚度的比值為0.86；原方案角部厚度和對稱面部位厚度比值偏小，造成剛度分布不合理，應(yīng)力分布不均勻，新方案角部厚度和對稱面部位厚度的比值和原方案比較，有所提高，從而改善了各部位的剛度分配，應(yīng)力分布比較均勻。
本文通過有限元計算表明，新設(shè)計比原設(shè)計合理，但仍有潛力可挖。
煙臺200mm鋼錠模的設(shè)計不是最優(yōu)的，如果采用合理的截面形狀尺寸，鋼錠模消耗一定能進(jìn)一步降低。
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