150 t精煉鋼水包溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分析

廖鵬飛 尹曉春 王 巧 姜 亮 翁盼盼

(1. 南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司 裝備研究所，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

鋼水包是冶金和鑄造行業(yè)十分重要的設(shè)備，不僅可以用來盛運(yùn)鋼水進(jìn)行澆鑄，還可以作為爐外精煉設(shè)備，用來提高鋼液質(zhì)量，其安全性直接影響鋼的生產(chǎn)[1]。近年來，為適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)需要，對(duì)鋼產(chǎn)量的要求也越來越高，因此需要對(duì)原有的鋼水包進(jìn)行擴(kuò)容[2]。為了利用現(xiàn)有的吊運(yùn)裝置，且鋼水包與鋼水的總質(zhì)量不超過行車的承載極限，需要對(duì)鋼水包擴(kuò)容的同時(shí)進(jìn)行減重。若盲目實(shí)施減重?cái)U(kuò)容，一旦引發(fā)安全事故，造成的損失將難以估量。

目前，針對(duì)鋼水包減重?cái)U(kuò)容還沒有形成系統(tǒng)的方案[3]，對(duì)改造后的鋼水包沒有理論和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)。徐國興[4]介紹了我國鋼包精煉爐的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出鋼包爐的發(fā)展趨勢(shì)；黃奧等[5]對(duì)某300 t精煉鋼水包的剪切應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)在精煉過程中，渣線處的內(nèi)襯磚最容易受沖刷和熱應(yīng)力的作用而損毀，需在保證良好抗渣性能的同時(shí)采用熱膨脹系數(shù)低、抗沖刷性好的耐火內(nèi)襯磚；張利民等[6]使用新型氣凝膠絕熱板作鋼包保溫層，通過對(duì)鋼包包殼的溫度計(jì)算得出其能有效減少鋼包散熱，降低成本，為鋼包保溫層的優(yōu)化提供了指導(dǎo)；崔建軍等[7]采用三維有限元數(shù)值模擬的方法研究了包殼的整體溫度場(chǎng)分布，對(duì)新型鋼水包的日常維護(hù)以及延長鋼水包的使用壽命等方面的工作提供了一定的依據(jù)；陳林權(quán)等[8]對(duì)鋼水包包襯的耐材進(jìn)行了改進(jìn)，有效降低了成本和資源消耗；周繼程等[9]對(duì)連鑄區(qū)段的在線鋼包數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，為企業(yè)的鋼包管理提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)鋼水包的設(shè)計(jì)大多是借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，很少對(duì)鋼水包進(jìn)行整體理論分析。鋼水包在使用中的工況復(fù)雜，除了自身和鋼水的質(zhì)量外，還包括轉(zhuǎn)運(yùn)過程中吊運(yùn)裝置的載荷，以及1 650 ℃鋼水的熱負(fù)載。通常，鋼水溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力是造成鋼水包損壞、漏鋼等嚴(yán)重事故的主要原因。因此，對(duì)實(shí)際工況下鋼水包的熱應(yīng)力進(jìn)行分析非常重要。

由于150 t鋼水包的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱應(yīng)力分布復(fù)雜，危險(xiǎn)點(diǎn)的位置及應(yīng)力大小不能用常規(guī)的材料力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，一般考慮用力學(xué)分析軟件對(duì)真實(shí)的三維空間結(jié)構(gòu)和熱負(fù)載進(jìn)行有限元法計(jì)算、分析和校核[10]。本文針對(duì)改造后的鋼水包，采用三維建模軟件Solidworks建立完整的空間結(jié)構(gòu)模型，然后使用Hypermesh有限元建模軟件建立三維有限元模型，最后用ANSYS有限元計(jì)算軟件中的熱力學(xué)和靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以對(duì)150 t鋼水包的減重?cái)U(kuò)容改造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意見。

1 結(jié)構(gòu)介紹

1.1 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖1為某鋼廠現(xiàn)有150 t鋼水包，由耐火層、鋼壁、加強(qiáng)圈、耳軸箱以及底部承腿等部件組成，高約4.8 m，整體呈橢圓柱形。其中耳軸和底部承腿分別是鋼水包在吊運(yùn)過程和座包工況下的主要受力點(diǎn)，兩者的強(qiáng)度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)的鋼水包

1.2 結(jié)構(gòu)與材料

圖2為在原有150 t鋼水包基礎(chǔ)上減重?cái)U(kuò)容的鋼水包結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)化了鋼水包箍圈、耳軸箱、鋼壁和底部承腿等。其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了精確計(jì)算鋼水包的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，幾何模型包括了鋼水包的主要部件：鋼水包包體(承圈、包沿口、耳軸、耳軸箱)、耐火層、包底附件(滑動(dòng)水口板、包底承腿、包底鉤、包底梁、包底滑動(dòng)水口、包底吹氬孔)等。計(jì)算中假設(shè)鋼水溫度為1 650 ℃。 鋼水包主體材料為Q390B鋼，其冷態(tài)屈服強(qiáng)度為390 MPa，350 ℃拉伸屈服強(qiáng)度約為315 MPa。耐火層區(qū)域分為工作層、永久層和底部沖擊區(qū)[11]。鋼水包主體和耐火層材料屬性如表1所示[12]。

表1 鋼水包主體和耐火層的物性參數(shù)

圖2 鋼水包改造圖

2 有限元分析

2.1 理論基礎(chǔ)

鋼水與耐火層內(nèi)側(cè)直接接觸，熱量通過耐火層傳遞到包壁，然后傳遞到鋼水包附件，所產(chǎn)生的溫度梯度受邊界條件的限制。應(yīng)用溫度場(chǎng)及彈性接觸理論，采用三維熱彈性接觸有限元方法[13]，對(duì)溫度傳導(dǎo)過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而計(jì)算鋼水包整體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布。

采用Garlekin定理和加權(quán)余量法，得到鋼水包的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)空間離散方程：

[K]{T}={Q}

(1)

式中：[K]為熱傳導(dǎo)矩陣；{T}為溫度的向量；{Q}為溫度載荷的向量。[K]和{Q}為矩陣組集，可表示為：

(2)

(3)

式中：c為材料比熱容；[N]為插值函數(shù)；qs為熱流強(qiáng)度；[B]為應(yīng)變矩陣；Tr為外輻射源溫度；h為對(duì)流系數(shù)；κ為輻射系數(shù)；[k]為表面單元局部剛度矩陣。

由于本文研究的鋼水包結(jié)構(gòu)的接觸界面分布在耐火層內(nèi)壁，所以鋼水經(jīng)接觸界面向鋼水包導(dǎo)熱，另外向鋼水包的非接觸界面輻射熱。利用熱彈性應(yīng)力分析應(yīng)變關(guān)系，建立熱應(yīng)力和熱變形之間的聯(lián)系：

{σ}=[D]{ε}-D{ε0}=[D]{ε}-{σΔT}

(4)

式中：{σΔT}為初始溫度應(yīng)變{ε0}所對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力；[D]為應(yīng)力矩陣。

在對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)需給出其初始條件和邊界條件。界面熱傳導(dǎo)應(yīng)采用第一類邊界條件，界面對(duì)流、輻射問題應(yīng)采用第三類邊界條件：

T(x,y,z,t)=Tω(x,y,z,t) onSr

(5)

(6)

T(x,y,z,0)=Tω0(x,y,z,0)

(7)

式中:T(x,y,z,t)為空間域Ω中的溫度變量;Tω(x,y,z,t)為邊界Sr上的溫度分布;kn為熱傳導(dǎo)率;h為對(duì)流換熱系數(shù);Tf為環(huán)境溫度。式(7)為初始條件。計(jì)算出溫度分布后，溫度力向量可表示為：

(8)

2.2 有限元模型

如圖3所示，使用Hypermesh軟件對(duì)空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)鋼水包整體使用大量的高階六面體實(shí)體單元(Solid186)進(jìn)行規(guī)則離散，在耳軸部位使用2D接觸單元將其設(shè)為面- 面接觸，模擬鋼水包與吊環(huán)連接，在耳軸箱和打孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)處進(jìn)行手動(dòng)過渡，保證網(wǎng)格疏密有致，有效地控制總體網(wǎng)格數(shù)目和質(zhì)量。有限元模型包含151 402個(gè)單元，183 423個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 鋼水包有限元模型

2.3 溫度載荷

鋼水包溫度傳遞主要包含3種方式：一是鋼水與鋼水包之間的熱傳導(dǎo)；二是鋼水包鋼壁和附件對(duì)空氣的對(duì)流傳熱；三是鋼水包鋼壁及其附件向外的輻射傳熱。鋼水包的溫度加載方式采用節(jié)點(diǎn)加載。在耐火層內(nèi)壁與鋼水接觸面上，對(duì)節(jié)點(diǎn)施加工作溫度1 650 ℃，在鋼水包外壁與空氣接觸的表面，對(duì)節(jié)點(diǎn)施加環(huán)境溫度(150 ℃)。由于鋼水包外壁表面溫度不是很高，散熱主要通過與周圍空氣對(duì)流換熱，且輻射計(jì)算為高度非線性，需要花費(fèi)大量時(shí)間，通常采用將輻射換熱轉(zhuǎn)換為對(duì)流換熱的形式，鋼水包表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為12.5[14]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 鋼水包整體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

使用Solid45作為熱分析單元，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)鋼水包的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。經(jīng)計(jì)算，鋼水包包肚的溫度較高，為318～341 ℃；鋼水包上沿口溫度為220～230 ℃；加強(qiáng)圈由于新增小孔，溫度為160～200 ℃；耳軸箱內(nèi)部及周圍溫度為260～290 ℃；包底的4個(gè)區(qū)域溫度較高，為280～290 ℃。由于對(duì)鋼水包包壁只做了微小優(yōu)化，原150 t鋼水包現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)溫度仍可供參考，如圖4、圖5所示。

圖4 鋼水包包肚溫度場(chǎng)

圖5 鋼水包包底溫度場(chǎng)

3.2 鋼水包整體熱應(yīng)力分析

利用3.1節(jié)鋼水包溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)鋼水包的熱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。鋼水包最大熱應(yīng)力為227 MPa，位于加強(qiáng)圈與耳軸箱交界處，包沿口最大熱應(yīng)力為125 MPa，耳軸箱下側(cè)4個(gè)角與包壁交界處最大熱應(yīng)力為221 MPa，包底和底部支撐最大熱應(yīng)力為202 MPa。

圖6 鋼水包熱應(yīng)力云圖

耐火層熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，內(nèi)壁底部最大熱應(yīng)力為20.8 MPa;此外，內(nèi)壁底部還存在一圈高應(yīng)力窄帶，靠近耐火層上沿出現(xiàn)應(yīng)力幅值為15 MPa的兩塊對(duì)稱區(qū)域，耐火層其他區(qū)域熱應(yīng)力均較低。

圖7 鋼水包耐火層熱應(yīng)力云圖

為進(jìn)一步分析鋼水包包身的熱應(yīng)力狀態(tài)，截取沿穿過耳軸中心高度方向的熱應(yīng)力曲線如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為高度，起點(diǎn)位于包底。圖8表明，外壁和內(nèi)壁的熱應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，但是外壁的熱應(yīng)力顯著高于內(nèi)壁，在包壁與耳軸箱連接處熱應(yīng)力偏高。

圖8 耳軸中心沿高度方向的包身內(nèi)外壁熱應(yīng)力分布

鋼水包包底橫縱向熱應(yīng)力分布如圖9所示。包底橫向外壁的熱應(yīng)力呈對(duì)稱分布，而包底縱向外壁的熱應(yīng)力呈非對(duì)稱分布，這是由包底底座縱向不對(duì)稱引起的，但是兩者的最大熱應(yīng)力相差不大，對(duì)鋼水包的影響較小。

圖9 包底外壁橫縱向熱應(yīng)力分布

鋼水包外壁耳軸中心環(huán)線、包身中部環(huán)線以及包身包底交界處環(huán)線的熱應(yīng)力分布如圖10所示?？梢钥闯觯撍戆捉唤缣師釕?yīng)力較高，整個(gè)鋼水包的熱應(yīng)力分布較復(fù)雜，這是鋼水包外壁與耳軸箱筋板的連接較復(fù)雜所致。

圖10 鋼水包外壁環(huán)向熱應(yīng)力分布

4 結(jié)論

(1)鋼水包包肚溫度為320 ℃左右，最高溫度為341 ℃，與原鋼水包現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)溫度較為吻合，證明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(2)鋼水包加強(qiáng)圈與耳軸箱交界處、耳軸箱下側(cè)邊緣與鋼壁交界處、底部承腿與包底交界處熱應(yīng)力較高，最大為227 MPa，未超出鋼水包材料的強(qiáng)度極限。

(3)耐火層熱應(yīng)力較低，最大為20.8 MPa，發(fā)生漏鋼等事故的可能性較小。

(4)本文的計(jì)算結(jié)果為150 t鋼水包減重?cái)U(kuò)容設(shè)計(jì)方案提供了理論依據(jù)，為了進(jìn)一步提高鋼水包的安全性和可靠性，需要考慮鋼水包和鋼水質(zhì)量以及吊運(yùn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械載荷，結(jié)合本文的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，開展熱- 機(jī)耦合分析，進(jìn)一步研究鋼水包的熱- 機(jī)耦合變形和應(yīng)力。