石墨结晶器制造用自动定心夹具结构及力学行为分析

摘要

衡阳华菱连轧钢管有限公司根据石油管市场需求，研制开发了一种性能优异的26CrMoNbTiB低合金高强度石油管，然而Ф150 mm的26CrMoNbTiB石油管在圆铸坯生产中出现了拉坯阻力大、部分铸坯圆度严重超标的问题，在热轧过程中造成管壁厚度不均匀或坯料不能转动而无法进行热轧穿孔，这一问题的出现严重影响了公司高强度石油管的生产。 本文针对26CrMoNbTiB钢Ф150mm石油管铸坯拉坯阻力增大和椭圆度过大的问题进行了分析研究，经过仔细的生产现场调查，分析圆铸坯的生产条件，发现该钢种具有与普通钢种不同的凝固传热特性，在水平连铸工艺条件下，圆铸坯在结晶器内冷却不均匀是引起上述问题的主要原因，而结晶器内层石墨套精度直接影响结晶器的冷却能力，影响圆铸坯的成型形状和拉坯阻力的大小。在考察26CrMoNbTiB钢Ф150mm圆铸坯生产中存在的工艺难题和进行分析研究的基础上，提出采用精密液性塑料夹具实现结晶器石墨套的精密加工，根据分析确定了精密液性塑料夹具的设计制造方案；根据流固耦合问题的有限元理论，建立了精密液性塑料夹具的有限元模型，采用ANSYS分析软件进行了精密液性塑料夹具的静力学仿真，分析了在精密夹紧状态下夹具内套筒和外套筒的应力应变分布状态以及内套筒沿圆周方向应力应变变化曲线；建立了精密液性塑料夹具－石墨套系统的有限元模型，利用ANSYS的动力学分析功能，进行了三种工况下的模态分析，获得了实现结晶器石墨套锥度精密加工的条件。根据研究成果设计制造的结晶器石墨套解决了26CrMoNbTiB钢Ф150mm圆铸坯拉坯阻力大和圆度超标的生产工艺难题；现场生产试验表明，结晶器石墨套的精密夹具设计方案及其仿真研究完全正确。 本文的研究工作为低合金高强度的大直径石油管圆铸坯水平连铸结晶器石墨套的夹具设计制造提供了成功的范例，对大直径低合金高强度石油管圆铸坯生产具有重要的指导意义和工艺理论价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的来源和背景

1.2水平连铸法生产无缝钢管简介

1.2.1水平连铸法发展历史

1.2.2水平连铸法生产无缝钢管工艺

1.2.3水平连铸的特点

1.2.4水平连铸发展的关键技术

1.3水平连铸坯凝固收缩种类与特点

1.3.1圆铸坯收缩过程的种类：

1.3.2连铸凝固过程的特点

1.4水平连铸机结晶器技术

1.4.1结晶器的结构特点

1.4.2水平连铸机结晶器材质

1.4.3结晶器锥度

1.5结晶器锥度优化对夹具精度的要求

1.5.1夹具的定义及分类

1.5.2机床夹具的用途及使用特点

1.5.3夹具设计和制造的特点

1.5.4夹具设计的基本要求：

1.5.5夹具元件的分类

1.6课题研究内容和意义

1.6.1课题研究内容

1.6.2课题的意义

第二章结晶器石墨套精密夹具的设计

2.1概述

2.2自动定心夹具的分类和选用

2.2.1自动定心装置的分类

2.2.2自动定心夹具的选用

2.3精密液性塑料夹具概述

2.3.1精密液性塑料夹具的工作原理

2.3.2精密液性塑料夹具的优点

2.4石墨套精密液性塑料夹具的结构设计

2.4.1薄壁套筒的结构形式材料及技术要求

2.4.2薄壁套筒的设计计算

2.5精密液性塑料夹具的均匀紧固系统设计

2.5.1紧固系统的结构形式

2.5.2柱塞套(外螺纹)的设计

2.6液性塑料的选择与浇铸

2.6.1性能要求

2.6.2液性塑料的配方

2.6.3液性塑料的配制过程

2.6.4塑料的浇注

2.7精密液性塑料夹具的制造和装配技术

2.7.1精密液性塑料夹具的制造

2.7.2精密液性塑料夹具的装配技术

2.8本章小结

第三章精密液性塑料夹具的有限元分析

3.1概述

3.2 ANSYS有限元分析软件简介

3.3有限元基本理论

3.3.1虚功方程

3.3.2增量方程

3.3.3本构方程

3.4耦合分析的过程与步骤

3.4.1耦合场分析类型

3.4.2顺序耦合场分析步骤

3.5流固耦合概述

3.5.1流固耦合简介

3.5.2流固耦合在工程中的应用

3.5.3流固耦合问题的计算方法

3.6精密液性塑料夹具有限元计算模型的建立

3.6.1夹具模型建立的假设条件

3.6.2夹具实体模型的建立及网格划分

3.6.3单元的选取和边界条件的施加

3.7精密液性塑料夹具的ANSYS有限元分析

3.8本章小结

第四章 石墨套—夹具系统的动力学分析

4.1概述

4.2有限元数学模型的建立

4.2.1单元分析

4.2.2有限元动力学方程的推导

4.2.3无阻尼系统振动固有值的计算

4.3石墨套—夹具系统模态分析

4.3.1石墨套—夹具系统有限元模型的建立

4.3.2石墨套—夹具分析结果与讨论

4.4本章小结

第五章现场装夹试验研究及结果分析

5.1夹具现场装夹试验

5.1.1试验目的

5.1.2试验地点和设备

5.1.3试验方案

5.1.4石墨套磨削试验结果

5.2本章小结

第六章全文总结

6.1课题研究的主要内容

6.2本项目研究工作的创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文