（动力工程及工程热物理专业论文）整体浇注钢包内衬热应力数值模拟研究及优化.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 96引舢59洲2删y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：壑廛蘸日期：五! 至年上月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：叁应蕉 导师签名趣辱肇 日期：监年上月日 摘要 钢包内衬是决定钢包寿命的关键，钢包内衬材料最常见的损坏方 式是受热应力破坏。 以往对钢包研究都是偏向于以砌筑砖为主的钢包内衬材料，单一 的从材料性能角度或者热力学角度进行分析研究。本文以山西某钢厂 9 0 t 整体铝镁浇注料钢包为背景，从材料性能研究与热力学相结合角 度出发，采用实验方法与数值分析方法进行研究。采用实验方法分析 了原料组成变化对材料物性影响；运用有限元原理，采用数值分析方 法比较了钢包内衬使用工况下所承受的温度场及应力场变化情况；分 析内衬材料物性参数变化对热应力的影响，针对生产中所采用包底情 况进行了热应力分析。 结果表明：1 ) 镁粉含量在9 5 1 0 5 ，硅微粉含量在3 4 ， 可使目前配比下所使用材料性能达到最优，将目前所使用材料硅微粉 含量增加o 5 ，电熔镁粉含量减少o 3 ，材料性能达到优化；2 ) 烘 烤过程中整体浇注钢包壁面并不是均匀分布，差值在2 0 以内，包 底部分温差较大，部分时间差值在7 0 以上。提高预热温度可降低 钢包达到准稳态所需时间，在现有烘烤制度中可将小火烘烤时间减少 1 2 小时；3 、) 钢包在台车上应力最大值在包底靠近外端处，在吊起状 态下应力最大值处于与钢包耳轴位置相对应处。在现有工艺下，包底 受热冲击时应力分布与抗冲击区开孔形状无关。 通过分析内衬材料物性对热应力影响可知，内衬材料热应力增加 值比例与弹性模量增加值比例接近，线膨胀系数影响要弱于弹性模 量，内衬材料导热率对材料应力值变化影像不大，但对温度分布影响 较大，使用中内衬材料厚度变化对内衬热应力影响小。 关键词整体浇注钢包内衬，材料性能，实验研究，数值模拟，热应 力 a b s t r a c t l a d l el i n i n gi st h ek e yo fl a d l eq u a l i t y , a n di sn o r m a lt ob ed e s t r o y e d b yt h e r m a ls t r e s s i nt h ep a s t ，t h em a jo ro fr e s e a r c hw a sl a d l el i n i n gm a t e r i a l sa sb r i c k s ， a n dj u s tf r o mt h ev i e wo fm a t e r i a lp r o p e r t i e so rt h e r m o d y n a m i c i nt h i s t h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h e9 0 ta l u m i n u m - m a g n e s i u mm a t e r i a li n t e g r a l l yc a s t l a d l ei ns h a n x ip r o v i n c e i nt e r m so ft h ec o m b i n a t i o no fm a t e r i a l p r o p e r t i e sa n dt h e r m o d y n a m i c s ，u s ee x p e r i m e n t a lm e t h o da n dn u m e r i c a l m e t h o d t h ei m p a c to fc o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a l so nm a t e r i a l p r o p e r t i e sw a ss t u d i e db yt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d a n dan u m e r i c a l m o d e ld u et ot h ef i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l ew a sb u i l tt oa n a l y z et h e t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h el a d l ei nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，t h ei m p a c to ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h el i n i n gm a t e r i a l o nt h et h e r m a ls t r e s sw a sa n a l y z e d a n dt h et h e r m a ls t r e s so ft h eb o t t o m o ft h el a d l ei nw o r k i n gc o n d i t i o nw a ss t u d y t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：1 ) i nt h ec u r r e n tm a t c h i n gt e c h n o l o g y , t h e c o n t e n to fm a g n e s i u m p o w d e ri n9 5 t o10 5 a n ds i l i c af u m ei n3 t o 4 ，a l l o w e dt h em a t e r i a lt oa c h i e v eo p t i m a lp e r f o r m a n c e i n c r e a s eo 5 o fs i l i c af u m e a n dr e d u c e0 3 o fm a g n e s i u mp o w d e ra l l o w e dt h e m a t e r i a lt oo p t i m i z a t i o n 2 ) i nt h eb a k i n gp r o c e s s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h e w a l lo ft h el a d l ew a sn o te v e n l yd i s t r i b u t e d ，b u tt h ed i f f e r e n c ew a sl e s s t h a n2 0 0 c 1 1 1 el a r g e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew a s7 0 0 co rh i g h e ri nt h e b o t t o ms o m e t i m e r e q u i r e dt i m eo ft h el a d l et oa c h i e v eq u a s i s t e a d ys t a t e c a nb er e d u c e db yi n c r e a s i n gt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，a n di nt h e e x i s t i n gb a k es y s t e ms m a l lf i r eb a k i n gt i m ec a nb er e d u c e db yl t o2 h o u r s 3 ) t h em a x i m u ms t r e s sa r e aw a sl o c a t e dn e a rt h ee n do ft h e p a c k a g ea st h el a d l ei nt h et r o l l e y , w h i l et h em a x i m u ms t r e s sa r e aw a s c o r r e s p o n dt op l a c e sw i t ht h et r u n n i o na st h el a d l ei nt h el i f t e ds t a t e t h e t h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nd u et oh e a ts h o c ki nt h eb o r o mw a sn o tr e l a t e d t ot h eh o l e ss h a p eo fh e a ts h o c k i n gr e s i s t a n c ea r e a a n a l y s i st h em a t e r i a lp r o p e r t i e se f f e c tt ot h e r m a ls t r e s s ，w ec a ns e e t h a t ，s c a l eo ft h e r m a ls t r e s si n c r e a s ei sa p p r o x i m a t et os c a l eo fm o d u l u s o fe l a s t i c i t y , c o e f j i c i e n to f1 i n e a re x p a n s i o na f f a c ti sw e a kt om o d u l u so f e l a s t i c i t y ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi su s el e s st ot h e r m a ls t r e s s ，b u ti su s e f u l t ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h er e d u c eo fl i n i n gt h i c k n e s si sl e s si n f l u e n c e t ot h e r m a ls t r e s s k e yw o r d so v e r a l ll a d l el i n i n g ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，e x p e r i m e n t a l s t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e r m a ls t r e s s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 整体浇注钢包应用发展及特点1 1 2 钢包内衬材料国内外研究现状3 1 3 课题研究内容及意义6 第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型8 2 1 整体浇注钢包热循环工况有限元模型8 2 1 1 整体浇注钢包热循环工况8 2 1 2 整体浇注钢包有限元模型的建立9 2 2 应力场、温度场的数学模型1 1 2 2 1 温度场计算模型1 2 2 2 2 应力场计算模型1 3 2 3 物理场模型的关键参数1 4 2 4 小结2 0 第三章整体浇注钢包内衬材料物理性能测试及优化2 1 3 1 实验内容2 1 3 1 1 实验原材料2 1 3 1 2 试验方案及过程2 2 3 2 整体浇注内衬材料的基质研究2 3 3 2 1 镁微粉对浇注料试样性能影响2 3 3 2 2 硅微粉对浇注料试样性能影响一2 6 3 3 浇注料工艺设计及优化2 9 3 4 小结3 1 第四章整体浇注钢包不同工况温度场和应力场计算分析3 3 4 1 烘烤阶段整体浇注钢包内衬温度场和应力场计算3 3 4 1 1 数值模型建立及边界条件的确定3 3 4 1 2 内衬温度场变化及分析3 5 4 1 3 内衬材料应力场分析研究3 9 4 1 4 不同烘包温度对整体浇注材料内衬热应力的影响4 1 4 2 受钢工况下整体浇注钢包温度场和应力场计算4 3 4 2 1 数值模型建立及边界条件确定4 4 4 2 2 内衬温度场变化及分析4 4 i v 4 2 3 内衬材料应力场分析研究4 5 4 _ 2 4 浇钢瞬间整体浇注钢包热应力分析4 8 4 3 冷包状态整体浇注钢包温度场和应力场计算4 9 4 3 1 数值模型建立及边界条件确定4 9 4 3 2 包底内衬温度场、应力场变化及分析5 0 4 4 小结5 2 第五章整体浇注钢包内衬温度场和应力场影响因素分析5 4 5 1 弹性模量比对热应力的影响5 4 5 2 线膨胀系数对热应力的影响5 5 5 - 3 导热系数对热应力的影响5 6 5 4 内衬厚度对温度场分布的影响5 7 5 5 小结5 8 第六章结论与建议6 0 参考文献一6 2 致谢6 6 攻读硕士学位期间学术成果情况一6 7 v 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 整体浇注钢包应用发展及特点 中国是钢铁生产大国，2 0 1 1 年钢铁总产量为6 9 5 5 亿吨，占世界钢铁总产量 4 5 5 t ，钢铁生产在我国国民经济中也占有重要地位，从大型工程施- r n 普通 居民生活都离不开钢铁，钢铁技术的进步将直接带动其它技术行业发展，对我国 经济发展起关键作用。 目前我国主要有平炉、电炉钢、顶吹氧气转炉钢三种钢铁冶炼方式。平炉对 原料的适用性很强，可灵活配比生铁和废钢铁是这种炼钢方法的主要优点之一； 氧气转炉主要原料是铁水，存在环境污染大及焦煤需求量大等问题；电弧炉主要 是以废钢铁为原料，存在电耗大、耐火材料消耗高等问题【2 j 。从上个世纪8 0 年 代我国平炉数量开始减少，主要原因是平炉冶炼周期过长与连铸生产节奏不相匹 配，连铸技术的发展加快了平炉淘汰速度，平炉炼钢方法不适应连铸技术的发展， 是平炉被淘汰的主要原因之一，连铸技术是导致技术结构调整和炼钢方法构成变 化的重要因素；上世纪9 0 年代由于废钢价格的上升，电炉炼钢成本加大，一些 功率小、连铸次数低的电炉炼钢企业也面临亏损停产情况，转炉炼钢在我国有较 大的发展。转炉钢铁生产工艺流程大致经历矿石一烧结一高炉一铁水包一转炉一 钢包一钢坯等过程【3 1 。最开始钢包只是在转炉与浇钢之间的起中介作用，随着二 次精炼及连续浇铸工艺的发展，钢包从最开始的转运高温钢水装置逐步发展成炉 外精炼设备。炉外精炼是为了提高钢的清洁度同时提高炼钢的生产效率而发展起 来的，精炼技术发展导致钢水在钢包停留时间延长，钢包使用寿命及保温效果受 到重视，钢包内衬优劣是影响钢包寿命最大因素，钢包使用周期短，需经常更换 内衬，相应增加生产成本，同时钢包保温效果差将导致浇钢过程中钢水温度过低 而迫使浇铸中断，影响钢铁质量，给生产带来不利影响h j 。 钢包一个使用周期要经历钢包内衬砌筑、空包及烘烤阶段、出钢阶段、盛钢 阶段和浇铸阶段，经历一个使用周期后钢包还要有热修等工序；此外浇注后的空 包也要经历空包返回、钢包修理等环节，出钢阶段还要有吹氩、运输等工序，如 果钢液温度低，还要对钢液进行加热处理【5 】。随着连铸技术的发展对钢液温度有 更高要求，若钢液温度过高，容易加剧对钢包内衬材料侵蚀，使钢坯中杂质增多， 使钢坯鼓肚、内裂、中心偏析等现象增加，同时将使钢包水口失控，使钢坯产生 厚度不均现象，甚至会造成漏钢情况发生；反之若钢液温度过低，将会导致连铸 时水口凝结迫使浇铸中断，同时将恶化钢坯表面影响钢的纯净度【6 j 。目前工业生 产中对钢液控制主要是通过测量钢液温度进行调节，大型钢包则通过安装在钢包 中南大学硕士论文 第一章绪论 内衬中测温装置来观察钢液温度，中小型钢包在生产中则通过测量钢液表面处温 度对生产进行控制，此外在生产中还通过使用红外测温仪、热电偶等装置测量钢 包壁面温度，以控制生产工序正常进行。 钢包内衬好坏是决定钢包质量的关键，钢包内衬材料发展也大致经历了以下 几个过程：2 0 世纪中期欧美主要以粘土质耐火砖为主体，美国广泛采用氧化硅 质、不定性耐火砖，欧洲则比较多采用石墨黏土质砖，日本于6 0 年代开始使用 稳定性白云石及焦油白云石耐火砖，使钢包寿命达到7 0 1 0 0 炉，但由于粘包问 题该技术并未得到普及；7 0 年代硅酸锆质耐火砖由于其高耐侵蚀性而受到重视， 但仍伴随黏包及发生脱落的问题，在其基础上相应研发了叶腊石添加氧化锆、半 氧化锆等材质耐火砖【7 j 。 在钢包内衬向耐侵蚀性发展的另一方面，内衬施工的机械化开始受到人们重 视，普通耐火砖砌筑时往往将钢包分为保温层、永久层、工作层并分别进行施工， 一个工作层施工完成后要经历养护烘干等工艺才能进行下一工作层施工，耗时较 长。为使钢包内衬耐火材料既达到高耐侵蚀性又有利于内衬砌筑的机械化，从上 世纪8 0 年代开发出了氧化铝、氧化镁质耐火材料的浇注工艺方法。该方法具有 施工设备简单、施工生产率高、实现内衬材料均质施工、经常及时补修等特点。 氧化铝、氧化镁质浇注料早期使用研究要点为施工特性、高温下体积稳定性、抵 抗侵蚀性、使用时耐热冲击性等，作为与耐热冲击性和耐侵蚀性想关联的性质， 特别重视了抑制渣渗透的研究【8 】，此后开始往浇注料中添加含氧化铝的尖晶石， 多喜田一郎等人还对原料尖晶石的正确组成进行了具体的研究【9 】。为了有效控制 钢包内衬的温度变动，包括防止散热、控制各工序时间、烘烤钢包、钢包上加盖 等方法也得到了普及。 由于钢包整体浇注技术能降低耐高温材料损耗、减少污染提高钢液纯净度、 提高钢包使用寿命、便于机械化作业、减轻劳动强度，整体浇注钢包技术得到迅 速发展普及，并相继开发了铝质、铝镁质、铝尖晶石质、镁碳质、镁钙铝质、镁 钙质等使用于大型钢包上的浇注料，并取得了良好效果 1 0 1 。2 0 世纪8 0 年代整体 浇注技术开始成为日本钢包内衬材料主流，我国也于9 0 年代开始研究钢包浇注 料技术，宝钢于9 0 年代从日本引进了高纯铝镁质浇注料技术，从欧洲引进了刚 玉尖晶石质浇注料，将其应用于3 0 0 t 整体浇注钢包上平均包龄为2 5 1 次，后面 通过我国科技工作者吸收改进，该技术已经国产化，并在施工性能、使用寿命及 成本等方面已经超过了进口浇注料的使用成绩【l “，整体浇注钢包现场使用如图 1 1 所示。目前国内在中小型钢包上也开始使用整体浇注技术，马鞍山钢铁厂钢 包使用寿命达到7 0 炉左右，西林钢铁公司1 0 0 t 钢包使用整体浇注技术也使使用 寿命达到8 0 次以上，目前国内整体浇注钢包普遍使用振动浇注施工澍嘲 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 图卜1 整体浇注钢包使用 1 2 钢包内衬材料国内外研究现状 目前对钢包内衬材料研究主要有实验方法和数值分析方法两种。研究也主要 集中在钢包内衬传热和应力分布上，对钢包热研究实验方法主要是通过在包壁安 装测温装置测量整个钢包运转周期内温度分布情况及研究能耗及热量支出平衡， 数值分析方法则是通过模拟设定钢包实际运行工况，通过测量材料实际物性，建 立数值模型，并通过现场测量数据来验证模型正确性。对应力研究早期只是针对 钢包壁面，解决壁面剥落、侵损现象，随着连铸工艺的应用，钢水温度升高，导 致一系列问题出现，如钢包壳温度过高、热量损失增大、钢包壳抗蠕变性能降低、 内衬材料侵蚀严重，研究往两个方向延伸，一部分通过优化材料晶相结构、粒度 分布、原料成分等方法来提升材料性能，延长使用寿命，另一部分则从传热、传 质角度，通过实验或数值分析方法，研究钢液流动对材料侵蚀、钢包应力及温度 分布，通过优化结构来达到延长钢包使用寿命的目的。 c a m e r u c c im a 等u 3 j 将内衬材料损坏分为三种，一是由于热的、机械的原因 而使材料产生不规则的龟裂的剥落；第二种是结构剥落，是由于熔渣的渗透和加 热面上发生温度变化而使材料结构变化，形成特有的变质结构层，在原质层与变 质层的界面上产生同加热面平行的裂纹，进而使内衬材料剥落；第三种是溶蚀破 坏，是由于钢水与熔渣反应生成熔点较低的物质而产生的溶蚀，主要是由于产生 液相而使表面侵蚀破坏。 n a g a t eo n o t 等【1 4 j 通过研究耐火材料中微裂纹来提高材料抗热震稳定性，材 料微裂纹分布在氧化物与非氧化物的晶界附近，是由于热膨胀系数不同造成的。 由于适当的微裂纹具有抵消应力增韧作用，可以改善材料的抗热震稳定性。 s c h a c h t ，c a 等“通过研究对钢包膨胀缝热机械应力分析研究了膨胀缝对高 铝质、镁碳质耐火内衬热应力影响，结果表明对于高铝质耐火内衬包底通过预留 出0 6 m m 膨胀缝可使应力减少2 3 m p a ，可有效降低钢包内衬材料所产生的热应 中南大学硕士论文第一章绪论 力；对镁碳质耐火内衬通过预留1 4 m m 膨胀缝可使包底应力降低5 0 m p a ，有效 降低热应力。同时还指出必须把膨胀缝填充泥料与静态压应力数据相结合，测定 材料蠕变特性，才能得到真实的压应变力数值。 r u s s e l lr o 等【l6 】通过研究不同材质内衬的钢包热应力模型，分析了不同材质 下刚包的温度分布及热损失影响。结果表明使用导热率高的材料时，初始预热温 度、是否加包盖及精炼和浇注时间对钢包温度影响较大，在这种情况下建议增加 保温层厚度，壁面包壳温度过高及钢液温降增大。 v e r tt 等【1 7 】研究了耐火内衬对钢水温度的影响，分别通过降低内衬材料导热 系数、使用隔热材料和降低渣线段热传导系数三种模型进行比较分析，在此基础 上对钢包使用效果提出改进措施，在钢包渣线平面部分建议采用强度高的耐火材 料，在钢包使用初期加热速率要低以减少工作层热面应力，使用垂直制度来确保 水平缝的密封，在钢水注入钢包前要保证钢包内衬有足够高的温度，其中内衬表 面温度不能低于1 0 0 0 。 s c h n u rd s 掣1 8 】通过研究钢包整个工况循环，提出整个过程中内衬材料受两 种典型热应力：热机械应力和温度梯度应力，热机械应力是由于材料膨胀系数不 同及膨胀不均导致受力不均而产生应力，温度梯度应力是由于温度变化过快而在 砖内部形成的应力，虽然可以通过预留膨胀缝减小应力，但却可能导致砖出现裂 纹增加甚至断裂现象。 野村修等【1 9 】通过研究基准包、永久层使用保温材料的保温包及导热率低的 低导热率包的内衬温度梯度、钢包保温情况及内衬抗侵蚀方面进行研究，其结果 表明：保温包保温效果要比基准包要好，但经过多次热循环后，钢包会达到一种 准稳态，在这种情况下，钢包内衬温度变化较小，工作内衬热面温度发生变化， 只会对热面附近区域造成微小扰动，而对整个钢包温度分布不会产生太大影响。 对传热率在o 1 1 6 5 8 2 范围内衬材料进行研究，提出传导率对热应力影响较大， 低传导率引起的热应力要大于高传导率材料产生的热应力。 国内对钢包内衬材料研究也进行了较多工作，主要是围绕热传递及应力分布 进行研究，重点对钢包壳及钢包内衬的温度、应力分布及膨胀缝的研究等方面。 杨治力、朱光俊等【2 0 】通过使用a n s y s 软件对不同条件下的钢包稳态温度场 进行研究，得出饱和状态下钢包各层温度分布情况，分析了钢包壁、包底、覆盖 剂材质及厚度对热损失的影响，得出钢包内衬绝热层导热系数宜低于 0 1 w ( m 1 ，钢包渣层覆盖剂厚度在4 0 m m 左右为宜。 欧俭平等【2 1 】通过研究1 6 0 t 烘烤工艺，得出在给定烘烤工艺下包衬圆周温差 在2 0 k 以内，采用助燃空气预热和煤气预热的蓄热式燃料技术有利于提高钢包 烘烤效率和包衬温度，只是对钢包内燃烧流场研究，对内衬温度分布变化情况并 中南大学硕士论文 第一章绪论 未进行详细分析。 崔建军等人【2 2 j 通过针对3 0 0 t 钢包，采用三维有限元数值模拟分析方法研究 了钢包温度场分布规律，得出在工作状态下，钢包壳温度在2 6 0 3 5 0 之间，钢 包壳温度并不是均匀分布，上、下渣线处温度较高，钢包一些辅助结构可以改善 钢包换热状态。 韦远等人】将内衬材料受的两种力：热载荷力和表面载荷力进行比较，证 明了热载荷力对材料性能影响较大，表面载荷力影响较小，同时也研究了镁碳砖 的弹性模量及热膨胀系数对材料热应力的影响，得到在相同条件下，两值越小所 受的热应力也越小。 王志刚等人【2 4 】用有限元分析方法，对钢包材料进行了分析，结果表明钢包 烘烤后在使用中仍处于吸热状态，经过几次循环工况后才可以达到一个相对稳定 状态，包底工作层在预热完成后，应力最大时为钢水注入瞬间，包底工作层中心 部位应力比靠近包壁处低，可通过增加保温装置降低该处应力值大小。 盛刚等人【2 5 】通过使用a n s y s 软件，对不同内衬结构尺寸及不同材料参数情 况下钢包温度场和应力场分布进行了分析，得到钢包工作层和永久层之间物性参 数最好接近，同时为避免热应力过大，应降低内衬材料弹性模量及线膨胀系数值。 对热应力分析时采用二维截面进行分析，同时温度边界条件也是作为定值来进行 计算，影响了计算精度。 蒋国璋等人1 2 6 1 1 2 7 1 对钢包做了大量研究工作，但都是对砌筑砖为主的钢包进 行研究。通过不改变材质的基础上对包底内衬结构进行仿真研究，提出四种包底 结构模型，通过数值分析得出合理包底分布，并通过现场使用来验证结果正确性； 以钢包二维截面为研究对象，研究了受钢工况下不同物性参数及内衬厚度时应力 分布，以对实际生产起一定指导作用。 综上所述，目前国内学者对钢包研究主要集中在钢包温度和不同内衬材料对 钢包温度分布和应力分布的影响上，采用数值分析方法建立二维或者三维模型进 行分析，国内外材料工作者也从自己专业角度出发通过更改材料配比成分及改进 制作工艺以达到提高材料使用性能的目的。 张三黄等人【2 8 j 研究了使浇注料基质与结合剂合理进行合理结合机理，减少 组合物生成时使新的杂质产生，降低在结合过程中由于挥发和分解造成的结构破 坏，并建议将传统的水泥做结合剂的工艺转向化学结合及凝聚结合等。 b m y h r e ，g w k r i e c h b a u m 等【2 9 】【3 0 】研究了a 1 2 0 3 m g o 系浇筑料中热态强度的 影响因素，指出对于a 1 2 0 3 m g o 系浇筑料，莫来石的形成与结合是必不可少的， 为使该系浇筑料能有较好的结合性能，则应增加六铝酸钙相生成，控制s i 0 2 在 原料中比例，否则会大大降低热态强度。 中南大学硕士论文第一章绪论 m w v 孤c e ，k j m o o d y 等【3 l j 通过从基质优化角度对浇筑料性能进行改进，使 浇筑料形成良好作用的新相，并使新相与骨料有良好的相容性，使材料通过适当 的体积膨胀和促进烧结来提高抗渣渗透性和抗热震稳定性。 李志叶、李友胜等人口2 】 ”】研究了镁铝浇注料材料组成对浇注料物性的影响， 结果表明：在高铝质浇注料中添加尖晶石，随着氧化镁含量增加材料抵抗渣液侵 蚀的能力加强，材料抵抗炉渣渗透性强度变化不大，同时研究表明，添加2 0 的镁铝尖晶石可使材料性能达到最优。 顾志华、苏新绿等人【3 4 【” 研究了镁铝浇注料抗渣性和抗水化性能，并针对 钢铁精炼问题，提出了镁铝浇注料使用于精炼炉衬，建议对镁铝浇注料在抗氧化 性及抗精炼渣的侵蚀性等方面进行进一步研究，研究了镁铝尖晶石的含量与材料 抗侵蚀能力的关系。 国内对耐火材料研发偏向于优质合成原料和高效耐火制品【3 6 】口”，其中高效 耐火制品主要是用于洁净钢冶炼的含有游离氧化钙的碱性耐火材料；高效不定形 耐火材料，如用于钢包的镁铝浇注料；低碳或无碳的非氧化物和氧化物复合材料。 较少有把两个方向结合进行分析和优化材料性能的，仅仅从材料或者热力学 角度对内衬材料进行分析，存在一定局限性，不能对材料性能做出完好的改进优 化；同时国内目前对钢包内衬材料研究还是以砌筑工艺及配方调整为主，对整体 浇注钢包内部温度分布和应力分布研究较少。整体浇注技术作为机械化程度高、 使用效率高的新型技术，在我国仍有很大发展空间，近年来我国整体浇注技术已 经开始有较普及的使用，在对耐腐蚀性能高的冶炼容器中，采取壁面或者渣线处 用砌筑转而其余部位采用浇注料，鉴于目前工业使用情况，进一步提高整体浇注 料在大、中、小型钢包上使用效率对我国钢铁行业发展仍有很大帮助。 1 3 课题研究内容及意义 本课题鉴于目前国内对整体浇注技术研究较少情况进行的，将材料学与热力 学研究相结合，以山西某钢厂9 0 t 钢包为背景研究整体浇注钢包使用周期内的温 度场、应力场变化情况及规律，通过测试浇注料物性参数，对浇注料性能进行改 进优化并通过数值分析方法验证其合理性。主要内容如下： 1 ) 更改镁微粉含量、硅微粉含量并测试其物理性能，根据试验结果从材料学角 度研究其对材料性能影响，对实际生产起一定指导改进作用； 2 ) 研究9 0 t 整体浇注钢包烘烤状态下温度分布及应力分布，并通过现场测量数 据验证模型正确性，得出内衬温度及应力分布规律； 3 ) 比较研究整体浇注钢包不同烘烤制度对内衬温度场及应力场分布影响； 中南大学硕士论文 第一章绪论 4 ) 分析整体浇注钢包受钢工况下内衬温度场及应力场分布变化情况，并对现有 钢包结构做出优化改进； 5 ) 分析整体浇注钢包冷包工况下内衬温度场及应力场分布变化情况； 6 ) 分析浇注料弹性模量、导热率、线膨胀系数等参数对整体钢包性能影响。 本课题的研究对了解整体浇注钢包各个工况下内衬温度场及应力场分布，了 解烘烤过程中内衬温度及应力变化情况，了解内衬物性参数及工作层厚度对整体 浇注钢包温度场和应力场的影响变化规律，对整体浇注钢包的内衬选取、结构设 计及性能维护等方面起一定的指导作用，同时本课题是针对9 0 t 整体浇注钢包进 行研究分析，也可对进一步研究大型整体浇注钢包研究思路提供一定指导作用。 中南大学硕士论文 第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 本章拟通过对整体浇注钢包热循环工况进行适当简化，建立物理模型，选择 合适的网格结构对模型进行划分，选择合适的数学模型，根据数学模型确定需测 定的材料参数，为整体浇注钢包热循环工况内衬温度场和应力场分析奠定基础。 2 1 整体浇注钢包热循环工况有限元模型 2 1 1 整体浇注钢包热循环工况 为了解整体浇注钢包运转工况下内衬应力分布和温度分布，必须先了解钢包 运转工况，钢包整个运转周期大致分为空包、烘烤、出钢、盛钢和浇注五个过程。 其中烘烤、盛刚和浇注是整体浇注钢包主要经历运转阶段，各个运转工况既相互 独立又有一定联系。 整体浇注钢包烘烤有两种情况，一种是新砌钢包内衬进行的烘烤阶段，此阶 段按照一定的工艺进行烘烤，使内衬水分充分排出并形成一定的稳定材料晶相， 增加材料性能稳定性，同时提高内衬温度，起蓄热保温作用。该阶段烘烤一般有 小火、中火、大火三个过程，小火烘烤一般时间长、升温速率慢，主要目的是使 内衬中水分能充分排出；中火烘烤阶段相当于整个烘烤工艺的过渡过程，进一步 排出内衬中水分及提高内衬温度；大火烘烤阶段所达到的温度值高，主要目的是 使内衬温度充分提高，起蓄熟保温作用。另一种烘烤工艺情况是经历上一个循环 周期后钢包经过空包阶段温度有所降低，为减少钢水浇注时温降，对钢包做一定 的蓄热保温处理。在该空包阶段，整体浇注钢包刚进行完上一周期，内衬尚未冷 却，钢包内衬内表面主要以辐射为主进行热量交换，外表面则以对流和辐射方式 进行热量交换。该空包阶段钢包内表面温度并非均匀降低，前期钢包刚进行完浇 钢工序内表面温度高，辐射换热效率高，随着温度降低辐射效率降低，温度变化 减缓；内衬内表面处由于温度变化大，导致温度梯度相对增加，因此在正常运转 工况下，空包后不应使内衬温度降过低过快，否则会导致内衬材料损毁，降低使 用寿命。钢包烘烤所用燃料一般为钢厂高炉或其它工序产生的水煤气，钢包烘烤 时上部加包盖，钢包内表面受到燃料燃烧时火焰的辐射和内部高温气流的强制对 流换热，该阶段钢包烘烤的主要目的是内衬蓄热保温，降低钢水浇注时温降。 出钢过程中钢包内衬温度主要是受钢液温度及钢包初始热状态影响，钢包内 衬与钢液接触部分以强制对流换热为主，未与钢液接触部分则以辐射换热为主， 其本身热量的变化为吸收钢液及钢液上表面的辐射同时向外辐射热量。与钢液接 中南大学硕士论文第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 触部分内衬受钢液温度影响，其热状态同时对钢液温度有影响，若与钢液温差较 大，将导致钢液温度降低快，同时使其内衬表面温度梯度大，降低使用性能。 盛钢过程中主要为吹氩搅拌和炉外精炼过程，有时为保持钢包内钢液温度做 加包盖处理或在其上覆盖一层保温覆盖剂，此阶段在吹氩搅拌时与钢液接触部分 为强制对流换热，静置时为自然对流换热，未与钢液接触部分则以渣层表面的辐 射以及自身向环境的辐射为主。 浇钢过程，内衬外表面换热仍以对流和辐射为主，内表面则因钢液流出及向 外辐射热量，温度开始降低。在此过程中，为保持浇钢温度，对钢包一般做加包 盖处理，使内衬温度变化减缓。 整体浇注钢包每经历完一个热循环工况后就要进行热修补工艺，主要是更换 滑板、清除水口处钢渣以避免下次热循环中浇注过程中水口堵塞，热修完成后就 将进入下次热循环过程。9 0 t 整体浇注钢包在经历5 0 次热循环工况后会进行一次 小修，主要是根据包底损坏情况进行修补，将包底受侵损部分填上部分浇注料、 对钢包壁面受侵损比较严重渣线层部位进行修补。 2 1 2 整体浇注钢包有限元模型的建立 整体浇注钢包由浇注料和钢包外壳组成，9 0 t 整体浇注钢包结构图如图2 1 所示，整体浇注钢包内衬在包壁处由浇注料浇注而成，工作层和永久层为同种浇 注料，在具体施工中统一浇注。在包底处除浇注料外还有水口砖和透气砖装置， 钢包壳由包壁、耳轴、支座及包底组成，此外包底还有滑动水口及其驱动装置、 钢包倾翻机构等。 二= 三= 三二一 ；& 一一“， 弋0 弋三三薹圣三蚕 j 鲑三三一三二三三二兰一 图2 - 1 整体浇注钢包结构 整体浇注钢包在用有限元分析过程中，即要考虑钢包结构及实际运行工况又 要对中间环节做优化处理，在整个运营工况中，钢包烘烤、受钢、冷包三个阶段 温度变化大，对内衬材料性能影响最大，故主要分析这三个阶段中内衬材料所受 热应力变化情况。由于整体浇注钢包结构对称性，对壁面进行分析时可建立二维 三 誉一 三一耋一 鸯 一 一 | j 一 一二 一一窖 三 e、l、l；、，jovk、器 * p j 中南大学硕士论文第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 截面模型进行分析；钢包烘烤阶段由于包底水口砖、透气砖的位置不对称，在此 情况下需建立三维模型进行分析。 整体浇注钢包不同工况下二维截面模型的建立，做如下处理： f 1 1 忽略钢包浇注料与钢包壳之间的接触热阻； ( 2 ) 钢包包壁的倾斜度很小，钢包按圆柱体处理，二维截面为圆柱体截面； f 3 1 在二维截面分析时，由于透气砖及水口砖尺寸相比钢包底部尺寸小很多，因 此可将包底二维截面简化处理，近似认为包底处各层材料性能一致。 整体浇注钢包不同工况下三维模型的建立，做如下处理： ( 1 ) 忽略钢包浇注料与钢包壳之间的接触热阻； ( 2 ) 钢包包壁的倾斜度很小，钢包按圆柱体处理； ( 3 ) 由于透气砖及水口砖尺寸相对钢包总体小很多，作实心处理； f 4 ) 忽略整体浇注钢包外壳底座、倾翻装置、驱动装置影响； ( 5 ) 受钢工况下需考虑边界施加应力影响，但可以作对称截面进行分析。 根据整体浇注钢包实体尺寸建立二维截面模型及三维模型如图2 - 2 图2 5 所 7 k ： l 隧 n 隧 霪蘸 图2 - 2 整体浇注钢包二维截面实体模型 图2 - 3 整体浇注钢包二维截面网格化 中南大学硕士论文第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 图2 - 4 整体浇注钢包三维买体模型 对三维模型进行网格划分时常用四面体单元和六面体单元，四面体单元可通 过自动网格生成对三维模型进行网格划分，对模型进行网格划分操作简单，四面 体单元是常应力单元，也即单元内应力值为定值，若是计算精度高，则需加大网 格划分密度，使计算耗费时间延长且误差增大，六面体单元在同等计算精度下单 元数小于四面体单元，计算精度优于四面体单元【3 ”。本文网格结构采用六面体 单元，用扫掠、拖拉方法对整体浇筑钢包三维模型进行网格划分，所得节点总数 为7 1 5 7 4 6 。 图2 - 5 整体浇注钢包三维模型网格化 2 2 应力场、温度场的数学模型 钢包用耐火材料的损毁主要分为：单纯由热应力引起的热剥落和熔渣侵润等 所导致的组织变化与热应力复合产生的结构剥落，其中热应力是导致材料损毁的 主要原因 3 9 1e 4 0 1 。由于相互接触的不同物体或同一物体的不同部分之间的热膨胀 情况不同，在被加热或者冷却时变化情况不一致，导致了热应力产生。材料热应 力分析一般采用两种方法：间接耦合法和直接耦合法【4 ”。间接耦合法是先进行 热分析，再将分析得到的节点温度作为体载荷施加到后续的结构应力分析，以实 中南大学硕士论文第二章整体浇注钢包内衬温度场和应力场数值仿真模型 现温度和应力的耦合，其中热分析结束后需将采用的热单元转换为结构单元以进 行结构应力分析；直接耦合法是采用具有温度和位移自由度的耦合单元，仅仅通 过一次求解就可以得到耦合场的结果。材料中力学解法有试验方法、解析方法、 数值方法三种，对于复杂边界条件力学问题常将基本方程的求解最终转换为求解 线性方程组，随着计算机技术的发展有限元法被广发采用，目前已应用于多个工 程领域。本文将采用数值分析方法对整体浇筑钢包内衬温度场和应力场分布进行 分析，采用间接耦合法与直接耦合法相结合的研究方式，如在对整体浇筑钢包受 钢阶段内衬温度场和应力场分析研究中由于计算节点多，为节省计算时间提高计 算效率，则采用间接耦合法进行计算；在对材料性能参数对内衬温度场和应力场 分布研究中计算量相应减少，则采用直接耦合法进行计算 2 2 1 温度场计算模型 传热现象可归纳为三种基本方式：热传导、热对流、热辐射【4 2 】。在工程技 术和日常生活中接触到的的传热现象往往伴随两种或两种以上基本传热方式。 1 ) 热传导：当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从高温部分传 递到低温部分；当不同温度物体互相接触时热量会自发从高温物体传递到低温物 体，这种物体之间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电