（钢铁冶金专业论文）铁水包底吹透气砖热应力分析与热态实验研究.pdf

at h e s i si nf e r r o u sm e t a l l u r g y t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fp l u gb l o w i n ga tt h eb o t t o mo f l a d l e b yl iz h i q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uj i n g k u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 f 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：撅 日期, l - o 7 、多、乡。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 铁水包底吹透气砖热应力分析与热态实验研究 摘要 纯净钢生产是当代钢铁行业发展的一个方向。磷做为钢中的有害元素，其含 量受到了严格的限制。铁水预处理脱磷在冶炼低磷钢工艺中起着至关重要的作用。 铁水包底喷脱磷粉剂脱磷法与现有的其它铁水预处理方法相比，具有可利用铁水 熔池深度的全部行程，同时载送粉剂和搅拌熔池内高温铁水等优点而具有广阔的 应用前景。透气砖是整个喷吹工艺中最重要的功能元件。 本论文以铬刚玉质透气砖为原型，应用a n s y s 软件模拟透气砖在随铁水包同 步进行的热工作过程中的温度和热应力分布，并考察透气砖材料性能参数的变化 对其温度和热应力的影响。此外，本论文还通过中频炉热态实验考查铬刚玉质透 气砖及镁质透气砖应用于铁水底喷粉脱磷工艺的可行性。所得研究结论如下： 1 铁水包底吹透气砖在各个阶段中均存在轴向温度梯度，且在喷吹处理过程 中同时存在轴向、径向及周向温度梯度； 2 透气砖在使用过程中产生的热应力与其工作面的温度急剧变化及中下部长 时间存在温度梯度有关： 3 选取高体积密度、高比热容、低热导率、低泊松比、低弹性模量、低热膨 胀率的材料制作透气砖或在其制作过程中通过工艺手段达到此类目标可在一定程 度上减小其在使用过程中产生的热应力，提高使用寿命； 4 铁水底喷脱磷以0 2 为载气，以石灰石粉剂为脱磷剂，选用镁质透气砖较 合适。 关键词：铁水包；透气砖；热应力；铁水预处理 i i i ，- 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f p l u gb l o w i n g a tt h eb o t t o mo fl a d l e a bs t r a c t i ti sat r e n df o rs t e e lm a k i n gc o m p a n i e st op r o d u c ep u r es t e e l t h ec o n t e n to fp h o s p h o r u s i sl i m i t e ds t r i c t l yb e c a u s eo fi t sh a r m f u lq u a l i t y h o tm e t a lp r e t r e a t m e n tp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei n t h ep r o c e s so fm a k i n gl o w - p h o s p h o r u ss t e e l c o m p a r i n gw i t ht h eh o tm e t a l p r e t r e a t m e n tm e t h o d sw h i c hu s e dw i d e l yn o w a d a y s ，t h ed e p h o s p h o r i z a t i o nt e c h n o l o g y i n j e c t i n gp o w d e ri n t ol a d l eh a v es o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sm a k i n gu s eo ft h ew h o l ed e p t ho f m e l t i n gb a t ha n dc o m p l e t i n gt h ea s s i g n m e n t so ft r a n s p o r t i n gp o w d e ra n dw h i s k i n gm e l t i n g b a t ht o g e t h e r s oi ti sg o i n gt oh a v eag r e a tf u t u r e p l o t sp l u gi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e i n j e c t i n gt e c h n o l o g y t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a l - s t r e s so fs l o t sp l u gw o r k i n gp r o c e s sb a s i n g o nt h ec h r o m ec o r u n d u mb r i c kw e r es i m u l a t e du s i n ga n s y si nt h i sp a p e r a n dt h ee f f e c to f p l u go nt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a l s t r e s s w a si n v e s t i g a t e d m o r e o v e r , t h e f e a s i b i l i t yo fd c p h o s p h o r i z a t i o nm e t h o di n j e c t i n gp o w d e rt h r o u g hc h r o m ec o r u n d u mo r m a g n e s i as l o t sp l u g si n t oh o ti r o nm e l t e db ym e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c ew a s a l s o d i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sa lel i s t e da sf o l l o w ： 1 a x i a lt e m p e r a t u r eg r a d sa td i f f e r e n ts t a g e so fw o r k i n gp r o c e s se x i s to nt h ep l u ga l lt h e t i m e a n di th a sa x i a l ，r a d i a la n dc i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r eg r a d e sa tt h eb l o w i n gs t a g e 2 t h et h e r m a l s t r e s sg e n e r a t e dd u r i n gp l u gw o r k i n gp r o c e s sr e l a t e st ot h es h a r pv a r i e t y o fw o r k i n gp l a n e st e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r eg r a d se x i s t i n ga tm e d i u ma n db o t t o mo f p l u gf o rl o n gt i m e 3 t h es l o t sp l u gs h o u l dp o s s e s se x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c ha sh i l g hb u l kd e n s i t y , h i g h s p e c i a lh e a tc a p a c i t y , l o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , l o we l a s t i cm o d u l u s ，l o wp o i s s o nr a t i o ，l o w t h e r m a le x p a n s i o nr a t i o i tc a nd e c r e a s et h et h e r m a l s t r e s sg e n e r a t e dd u r i n gp l u gw o r k i n g p r o c e s sa n di n c r e a s ei t sw o r k i n g l i f e 4 h o tm e t a ld c p h o s p h o r i z a t i o np r e t r e a t m e n ti n j e c t i n gp o w d e ra tt h eb o t t o mo fl a d l e s h o u l db ea c h i e v e db y0 2t r a n s m i t t i n gc a c o sp o w d e ri n t oh o ti r o nu s i n gm a g n e s i as l o t s v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p l u g s k e y w o r d s ：l a d l e , s l o t sp l u g ；t h e r m a ls t r e s s ；h o tm e t a lp r e t r e a t m e n t 2 2 2 透气砖的类型与结构6 2 2 3 透气砖的损毁。7 2 3 透气砖热结构分析理论8 2 3 1 有限元原理概述9 2 3 2 有限元热分析基础1 0 2 3 3 有限元热应力分析基础1 4 2 3 4 有限元热分析与热应力分析的国内外研究概况1 5 2 3 5 有限元法在耐火材料中的应用1 6 2 3 6a n s y s 有限元软件热分析简介1 6 第3 章透气砖热一结构分析1 7 3 1 几何模型的简化与建立1 7 3 2 分析单元类型的选择与模型网格化18 3 3 材料属性。1 9 3 3 1 铬刚玉透气砖用耐火材料热分析属性2 0 3 3 2 铬刚玉透气砖用耐火材料结构分析属性2 1 v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 4 热分析载荷的类型与加载2 l 3 4 1 透气砖工作状况2 1 3 4 2 热分析载荷2 2 3 4 3 结构分析载荷2 4 3 5 载荷加载2 5 3 6 结果与讨论2 6 3 6 1 透气砖热分析温度分布结果与讨论2 7 3 6 2 耐火材料物理性能参数对于透气砖温度分布的影响3 3 3 6 3 透气砖结果分析应力分布结果与讨论3 5 3 6 4 耐火材料物理性能参数对于透气砖应力分布的影响3 7 3 7 本章小结3 8 第4 章透气砖底喷粉热态实验3 9 4 1 实验条件3 9 4 1 1 实验设备3 9 4 1 2 实验材料4 0 4 - 2 实验方案4 l 4 3 实验步骤4 1 4 4 实验现象描述及结果4 2 4 4 1 不同种类的气体载送石灰石粉剂实验现象描述4 2 4 4 2 透气砖工作面侵蚀状况分析4 3 4 4 3 透气砖轴向剖面结果描述4 4 4 5 本章小结4 5 第5 章结论。4 7 参考文献4 9 致谢5 5 攻读硕士期间发表的论文5 7 - v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 磷是绝大多数钢种中的有害元素，它能显著地降低钢的低温冲击性。而且，磷在钢 中的偏析比较严重，容易使钢材的局部组织异常，造成机械性能的不均匀性。进入2 0 世纪9 0 年代，纯净钢生产成为炼钢技术发展的核心之一，采用新工艺尽可能降低钢中 杂质元素的含量，特别是磷、硫含量和非金属夹杂物含量是纯净钢冶炼工艺研究的主要 内容。高级优质钢对于钢中磷含量的要求越来越严格，特别是对于低温用钢、海洋用钢、 抗氢致裂纹钢和部分厚板用钢，石油和天然气管线、高强度、超低碳及化学容器等领域 用钢等，除了要求极低的硫含量以外，也要求钢中的磷含量 o 0 1 或0 0 0 5 。此外， 为了降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣冶炼，也要求铁水磷含量 0 0 1 5 。因此， 2 0 世纪9 0 年代以来许多冶金工作者都致力于研究铁水的预处理脱磷问题，开发了多种 铁水处理方法。 国内中高磷铁矿储量丰富。中高磷铁水炼钢一直是国内某些钢铁厂的冶炼特点。近 年来，铁水预处理一转炉妒外精炼已成为转炉炼钢的优化工艺而被广泛的采用。在钢 铁冶金工艺过程中，脱磷研究可以从炼钢工艺的各个环节入手，尽可能降低钢中的磷含 量。铁水脱磷具有铁水温度低等有利条件，因此，采用铁水预处理脱磷技术，既可减轻 转炉脱硅、脱磷任务，实现少渣或无渣炼钢，大大改善转炉炼钢的技术经济指标，又为 经济地冶炼低磷、低硫优质钢、实现全连铸、连铸连轧、热装热送提供了技术保障。 1 2 研究目的及意义 随着纯净钢和超纯净钢的生产以及连铸技术的普遍采用，铁水脱磷技术也获得广泛 采用。现在比较成熟且大规模使用的铁水预处理方法主要为k r 搅拌法和顶吹喷粉法两 种。借鉴钢包底吹搅拌技术和铁水顶吹喷粉法预处理的广泛应用及制粉技术的发展，将 其进行结合并应用于铁水包形成铁水包底吹喷粉新工艺。由于底吹喷粉法具有k r 搅拌 法和顶吹喷粉法的双重优点，可利用铁水熔池深度的全部行程，并可与现有的其他精炼 处理设备同步进行以及同时载送粉剂和搅拌熔池内高温铁水等优点，将底喷粉技术引入 铁水预处理具有明显的优势和广阔的应用前景。在整套底吹喷粉工艺中，透气砖起着至 关重要的作用。透气砖的研究对于整个铁水底喷粉工艺的顺利运行具有重要意义。 东北大学硕士学位论文第1 章绪 1 3 研究内容 本论文是以国内某钢铁公司中高磷铁水脱磷预处理冶炼工艺为背景，对中高磷铁 脱磷预处理用透气砖进行研究。其内容主要包括以下几个方面： 1 ) 设定铁水包容器中铁水预处理工艺，并借助a n s y s 软件模拟铁水包底吹透气 的温度和应力分布，并考察透气砖材料属性对其温度和热应力的影响； 2 ) 在l o o k g 感应炉中考察铬刚玉质透气砖及镁质透气砖应用于铁水底喷粉脱磷 艺的可行性。 2 东北大学硕士兰堡垒查 笙! 主查坚堡鲨 2 1 铁水预处理工艺 第2 章文献综述 铁水预处理工艺兴起于2 0 世纪7 0 年代，其工艺源于欧洲，后在日本得到极大发展。 我国铁水预处理起步较晚，但近年来发展很快，宝钢、太钢等分别建成了“三脱”预处 理设备，鞍钢、武钢等多家企业都建成了铁水预脱硫、预脱磷设剖m j 。 铁水预处理工艺与高炉出铁场或其它脱硅设备相衔接，生产流程采取多罐位流水作 业方式，处理时间与炼钢冶炼周期相配合。根据所用容器的不同，可将铁水预处理方法 分为三类【6 】：一种是在高炉出铁场的出铁沟( 槽) 中进行；一种是在盛铁水的铁水包或鱼 雷车中进行；另一种是在专用转炉内进行。这三种方法在工业上均得到了广泛应用。从 熔剂加入方式上分为两类2 】：一种是喷粉法，即用氮气或空气作载气，用浸入喷枪将 粉剂喷入熔池底部；另一种是底部吹气法，即将粉剂加在铁水表面，炉底通过透气砖吹 n 2 搅拌。 铁水包预处理方法主要有搅拌法和顶吹喷粉法两种。 搅拌法脱磷方法是以一个外衬耐火材料的搅拌器浸入铁水罐内进行旋转搅动铁水， 使铁水产生旋涡，经过称量的粉剂由给料器加入到铁水表面，并被旋涡卷入铁水中，与 高温铁水混和、反应，达到脱磷的目的，如图2 1 所示。 口 一 _ l 除剩 沪釜 图2 1 搅拌法示意图 f i g 2 1s k e t c ho fm l x i n gm e t h o d 搅拌脱磷是一种采用机械搅拌方式的铁水罐( 包) 内的脱磷方法，该法有技术较简单， 工艺较成熟，成本较低等优点。 喷粉法脱磷是喷射冶刽1 3 1 的一种，该法是将粉料通过载气，由浸入熔池的喷管直接 3 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 喷入金属熔体中，并使熔池产生强烈搅拌作用，加大了渣金间接触面积，加快传输过 程，充分发挥了粉剂精炼能力，降低铁水磷的含量。如图2 2 所示。 2 2 钢包底吹透气砖 图2 2 喷粉法示意图 f i g 2 2s k e t c ho f i n j e c t i n gm e t h o d 图2 3 透气砖实物图 f i g 2 3p i c t u r eo f r e a lp l u g 用于钢包底吹气体搅拌的的透气砖是由耐火材料制成，其形状如图2 3 所示。透气 砖外观如一截头圆锥，其内芯为耐火材料，外层为不锈钢钢皮，钢皮底部焊有空心螺栓。 透气砖内芯底面与外层底部钢皮之间存在一定的空间( 蓄气室) ，避免吹入的气体从透气 砖的边上逃逸，从而使全部搅拌气体都从透气砖芯内孔道吹入钢包以搅拌钢水。吹入的 搅拌气体首先进入蓄气室，再通过透气砖的气孔进入钢水中，有利于搅拌气体集聚，吹 成率高。 4 东北大学硕士学位论文第2 章 2 2 1 透气砖的材质 透气砖是钢包使用条件最苛刻的部位，不仅要作为结构材料承受使用过程 击、铁水搅拌过程中产生的巨大冲刷蚀损以及高温熔渣的侵蚀，还要发挥赋予 功能。这就要求它在高温状态下使用时具有良好的体积稳定性、确保通道的形 大的变化。目前，透气砖的材质主要有镁质、镁铬质、高铝质和刚玉质等。其 与性能如表2 1 所示【1 4 1 。 表2 1 几种定向透气砖的材质和性能 t a b l e2 1m a t e r i a l sa n dp r o p e r a t i o no f d i r e c t i o n a ls l o tp l u g 按使用要求，透气砖芯必须具有较好的热震稳定性、气孔率低、不易被渣润湿的性 能。由于用于喷粉透气砖要求具有更高的耐磨性，加之刚玉质应用较广泛。因此，透气。 ：i ：w - f 砖选用结构致密、气孔率低、易烧结的烧结板状刚玉为主要原料【1 5 1 ，其理化性能如表 2 2 所示。 表2 2 烧结板状刚玉理化性能 t a b l e2 2t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r a t i o no fs i n t e r e dc o r u n d u m 此外还加入一定量的c r 2 0 ，微粉以改善制品的抗侵蚀能力和热震稳定性【1 们。烧成后 的砖芯制品理化指标如表2 3 所示。 5 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 2 2 透气砖的类型与结构 透气砖按其内部结构型式有弥散型透气砖、狭缝型、直通孔型、迷宫型等类型 1 7 , 1 s l ， 各种类型的结构如图2 2 所示。 一一固一一p 州 ( a ) 弥散型( b ) 狭缝型( c ) 直通型( d ) 迷宫型 图2 4 各种型式透气砖 f i g 2 4a l lk i n d so fs l o tp l u g s ( 1 ) 弥散型：由等径颗粒经压制烧结而成，在压力作用下颗粒之间形成堆积孔隙，由 这些孔隙形成气体通道。这种透气砖具有大量非定向不规则分布的、尺寸各异的贯通气 孔，气体经由这些贯通气孔通过。其优点是制造工艺简单，易于生产。缺点是气流不稳 定，气泡易聚为大气泡，气流反向冲击大； ( 2 ) 直通型：由耐火材料与埋入其中若干根金属细管组成，或在制造耐火材料时埋入 定向有机纤维，烧成后形成直通气孔通道。其优点是气流稳定、气泡尺寸较小、气流反 向冲击小；材质致密、强度高；使用寿命长。缺点是制造工艺复杂、通气量小、后期易 堵塞； ( 3 ) 迷宫型：通过狭缝和网络圆孔向容器内吹气。其优点是气流稳定，气泡尺寸较小， 对钢水搅拌效果好；气流反向冲击小；材质致密，强度高；使用寿命长；通气量调节幅 度大，吹成率高，安全可靠性高。其缺点是制作工艺复杂，价格较高； 6 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 ( 4 ) 狭缝型：在制造砖体时，埋入片状有机物质，烧成后形成直通狭缝或气孔通道。 其优点是气流稳定，气泡尺寸较小，搅拌效果好；气流反向冲击小；材质致密，强度高； 使用寿命长；通气量调节幅度大；安全可靠性高，缺点是制造工艺复杂，制作精度要求 高。由于狭缝型透气砖所具有的结构特点，该型透气砖已在钢包炉外精炼中等到广泛应 用。 按照狭缝布置形式又可分为：圆形、方形、星型、环型等多种f 1 9 1 ，如图2 5 所示。 ， 一 一| 、 乡 一 ( a ) 圆形咖方型( c ) 星型( d ) 环形 图2 5 狭缝型透气砖种类 f i g 2 5t y p i e so fn a r r o ws l o tp l u g 目前，国内广泛使用的是浇注成型、高温烧成的狭缝型透气砖，提高钢包底吹效果 必须综合考虑提高透气砖的热震性、抗冲刷和抗渗透性。 2 2 3 透气砖的损毁 耐火材料在冶炼过程中损毁的主要原因【2 0 2 1 1 为：( 1 ) 急剧的热冲击引起的热应力裂纹 和剥落；( 2 ) 熔渣的侵蚀；( 3 ) 高温钢( 铁) 水搅动引起的工作面的冲刷与侵蚀。 狭缝式透气砖的损毁原因与喷吹惰性气体工艺有密切关系。安装于铁水包底部进行 底吹精炼的透气砖的损毁原因主要有热应力的作用、机械磨损作用、化学侵蚀作用、机 械应力的作用等四个方面【2 2 1 。 ( 1 ) 热应力的作用：透气砖工作面的耐火材料，尤其是出气口四周的耐火材料，因与 高温铁水直接接触，受到高温铁水及不断流出的冷气流的影响，产生很大的温度梯度。 由于多次使用，透气砖受到的急冷急热作用力大，尤其靠近出气口部位所受到热应力更 大，容易产生裂纹； ( 2 ) 机械磨损作用：在钢包中，出钢过程中钢水对钢包底部的高速、强烈冲刷加快了 透气砖的损蚀；有人通过水力模型试验对透气砖损蚀情况的研究发现：当低速流动的气 流射入液相熔池时，气流反向冲击透气砖前沿，给出气口四周的耐火材料以一定的冲击 7 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 力。当进一步提高气体流速时，反向脉冲频率降低，但反向冲击强度进一步增大；另外， 当吹氩进入正常喷射状态时，强烈的气泡组成气体喷射束，喷射束加强了钢包底部的搅 拌，钢包底部液相运动加剧，两相卷流使透气砖受到强烈的剪切和冲击应力作用； ( 3 ) 化学侵蚀作用：透气砖工作面与渣、钢( 铁) 水接触时间长，在整个包役中，熔渣 不断向砖中浸润、渗透。铁水、渣中氧化物m n o 、m ：g o 、s i 0 2 、f e o 、f e , 2 0 3 等与砖体 工作面发生反应生成低熔物被冲刷而造成透气砖被侵蚀； ( 4 ) 机械应力的作用：包底耐火材料工作面与高温钢水直接接触，包底耐火材料非工 作面温度相对较低，钢包在接铁水一钢包浇注一钢包热修一接钢水的循环使用过程中， 包底温度一直在变化，包底耐火材料体积相应发生变化，由于包底耐火材料温度梯度的 存在及包底耐火材料变质层与原质层的膨胀系数不同，包底耐火材料工作面到非工作面 各层相应的体积变化不同，从而对透气砖产生剪切的力量，使透气砖产生横向裂纹。 由于铁水包与钢包在承载任务及工作状况方面的相似性，将钢包精炼用透气砖及喷 吹工艺应用于铁水包中完成精炼任务时，铁水包底喷吹用透气砖同样会受到上述方面因 素的影响而产生损毁。因此，在铁水包转运及喷吹精炼过程中如何控制这些损毁因素是 提高铁水包喷吹用透气砖耐用性的重点。 在上述原因中，由温度变化引起的砖体应力变化是透气砖损毁的主要原因。减小铁 水包使用过程中温度的变化是一个有效措施。待用的铁水包在使用之前经过烘罐可以缩 小温差【2 3 刀l 。但即使这样，安装在铁水包底部的透气砖表面温度依然不到1 0 0 0 c 。温度 梯度主要集中在透气砖体至铁水液面3 0 m m 之间，所以热应力产生的裂纹也集中在这一 区域。在透气砖使用停止到下一次喷吹的间歇时间里，由于气道尺寸发生变化和裂纹的 产生，使铁水非常容易沿扩大的气道或产生裂纹的气道侵入砖体，形成铁水渗透，严重 影响喷吹效果。 因此，确定透气砖在使用过程中的温度分布和应力分布对于提高透气砖的使用寿命 具有重大的意义。 2 3 透气砖热结构分析理论 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。 a n s y s 公司创建至今3 0 多年来一直致力于分析软件的设计和开发，不断吸取新的计算 方法和计算技术，推动着有限元技术的不断发展。软件已经在创始初期的热分析和线性 结构分析功能的基础上加入非线性、子结构以及更多的单元类型，功能更加完善，适用 面更广，并为用户提供了多种操作方式及二次开发基础。 8 东北大学硕士学位论文 2 3 1 有限元原理概述 a n s y s 进行有限元分析的基本原理是先将所处理的对象划分成若干个相互关联的 有限个单元单体( 包含若干节点) ，然后根据实体的工作状况和有限元基础原理求解一定 边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步 求解出有限单元的温度分布及其他相关量【2 5 , 2 6 1 。 有限元法分析计算的基本步骤可归纳如下四点： 1 ) 实体结构的离散化 结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限元法的基础。将某个复杂工程结 构离散为由各种单元组成的计算模型，即单元划分。离散后单元与单元之间利用单元的 节点互相连接起来，将求解区域变成为用点、线或面划分的有限数目的单元组合成的集 合体。单元的形状原则上是任意的。例如，在平面问题中通常采用三角形单元，有时也 采用矩形或任意四边形单元。在空间问题中，可以采用四面体、长方体或任意六面体单 ： 元。单元节点的设置、性质和数目等需根据问题的性质、描述问题的需要而定。所以有 限元法中分析的结构已不是原有的物体，而是具有相同或相近材料的众多单元以一定方 式连接成的离散体。对于一个特定的工程结构，单元划分越细则描述变形情况越精确， 爹 即越接近实际变形，所获得的计算结果就越逼近实际情况，但计算量越大。 2 ) 单元特性分析 a ) 选择物性模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法，选择节点力作为基 本未知量时称为力法，选择节点温度作为未知量时称为温度法。当采用温度法时，结构 物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如温度、应力等由节点的结果表示。这时 可以对单元温度、应力的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。 b ) 建立单元刚度方程 选定单元的类型和温度模式后，就可根据物体的材料属性建立单元刚度方程，它实 际上是单元各个节点的平衡方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵。 k 。万。= f ( 2 1 ) 式中：e 一单元编号； 9 越强大。热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以 及跟热有关的耦合场分析。 热力学第一定律( 即能量守恒定律) 是热分析的基础。应用有限元法进行热分析也必 须遵循此定律【2 8 刀】。其表达式为 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章丈献综述 q - w = + a k e + a p e c 3 ) 式中：q 一热量： 矿一外界对研究对象做功； u 一系统内能； 刖汜一系统动能； 业e 一系统势能。 对于大多数工程传热问题：a k e = a p e = 0 ；通常考虑没有做功：w = 0 ，则： q = a u ；对于稳态热分析：q = a u = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量；对于瞬 态热分析：g ：掣，即流入或流出的热传递速率等于系统内能的变化。 a r t 2 3 2 1 传热过程基本理论 各种传热过程按其传热方式可分为三种：热传导、热对流、热辐射。它们既可以单 独存在，也可以同时发生。其热量传递的物理本质是不同的。 1 ) 热传导 当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分： 而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种接触传热的方 式称为热传导。它的基本定律是傅立叶( f o u r i e r ) 定律： g ：一2 g r a d t ：以娶 ( 2 4 ) 式中：g 一热流密度，即边界外法线方向单位面积上的热流率，w m 2 ： 兄一材料的导热系数，w m ； 婴一边界外法线方向上的温度梯度。 2 ) 对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间由于温差的存在而引起的热量交 换。高温物体表面常常发生对流现象。热对流在工程中是最具有实际意义的，是相对运 动着的流体与所接触的固体壁面之间的热交换过程。其热流密度可用牛顿( n e w t o n ) 公式 表示为： g = 罟= 口( 。一o ) ( 2 5 ) 式中：g 一热流密度，w m 2 ； q 一热流量，w ； 0 一壁面温度，； 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 t ，流体平均温度，； f 与流体接触的壁面面积，m 2 ； 口比例系数，称为对流给热系数，w m z 。 事实上，牛顿公式并没有揭示对流给热的本质，仅给出了给热系数的定义。给热系 数与许多因素有关，研究对流给热就在于确定对流给热系数。表2 5 列出几种常见流体 的对流给热系数口的大致范围。 表2 4 对流给热系数的大致范围 t a b l e2 4t h eg e n e r a ls c o p eo fc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 3 ) 热辐射 热辐射是指物体发射电磁能，并被气体物体吸收转变为热能的热量交换过程。热传 导和热对流都需要传热介质，而热辐射不需要任何介质。一切物体都在不断地向外发射 辐射能，物体的温度越高，辐射的能力越强。单位时间内，物体的单位表面积向外辐射 的热量称为辐射力，通常用e 表示。对于理想的辐射体，它的辐射力可按斯蒂芬啵尔 滋蔓( s t e f a n - b o l t z m a n ) 定律计算： 毛= 吼r ( 2 6 ) 式中：毛一黑体的辐射力，w m 2 ； 吼斯蒂芬一波尔滋蔓常数，其值为5 6 7 x 1 0 w m 2 k 4 ； r 一黑体表面的绝对温度，k 。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸 收热量。他们之间的净热量传递可以用式2 7 计算： q = 盯4 互：( 彳一万) ( 2 7 ) 式中：g 一热流密度，w m 2 ； s 一实际物体的辐射率，或称黑度，其值处于0 , - 一1 之间； 盯一斯蒂芬一波尔滋蔓常数，其值为5 6 7 xl o - 8 w m 2 k 4 ； 1 2 体模型或单元模型上。它们分别为温度、热流密度、对流、热流率、生热率和热辐射率。 2 3 2 3 边界条件与初始条件 为了使得结构离散化后每单元中每一节点的热平衡方程都具有唯一解，必须附加 边界条件和初始条件，即定解条件。常用的三类边界条件分别为： 第一类边界条件：已知物体边界上的温度函数。用公式表示为： 引r = 瓦或r i r - f ( x ，j ，t ) ( 2 8 ) 式中：r 物体边界 瓦一已知温度， 1 2 ； f ( x , y ，f ) 一已知温度函数。 第二类边界条件：已知物体边界上的热流密度，方向为外法线方向。用公式表示为： 一a 飘稍一a 飘- g ( 训 式中：a 材料的导热系数( w m ) ； g 热流密度，w m 2 ； g ( x ，y ，f ) 一已知热流密度函数。 第三类边界条件：已知与物体相接触的流体介质的温度和换热系数。用公式表示 为： 一名甜口( h ) 式中：l 一流体介质的温度； 口对流给热系数，w m 2 。 弓和口可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。 初始条件是指传热过程开始时整个区域中所具有的温度为已知值， r l i o - - r o 或r l ，暑。= 缈( 毛y ，t ) 1 3 ( 2 1 0 ) 用公式表示为： ( 2 1 1 ) 图2 6 顺序耦合分析数据流程图 f i g 2 6t h ed a t af l o wc h a r to fs e q u e n t i a l l yc o u p l e da n a l y s i s 在透气砖的热分析中，由于各部分温度发生变化，会导致膨胀或收缩。透气砖由于 热变化而只产生线应力f 3 l 】。假定透气砖为各向同性，则： 2 s2 乞2 口( 丁一瓦) ( 2 1 2 ) = = = o ( 2 1 3 ) 式中：口一材料的线膨胀系数； r 透气砖内任一点现时温度； 瓦初始温度。 由于透气砖的工作状况，它没有发生应变，只产生线应力。当透气砖的温度场求得 时，总的应力分量即为约束应力： 1 巳2 言吒一( q + 吒) 1 ( 2 1 4 ) 1 4 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 勺譬i 1 q 一4 a x + a , ) ( 2 1 5 ) 乞2 素 吒一( 巳+ q ) 】 ( 2 1 6 ) ：掣 ( 2 1 7 ) 砖 r 1 砖 、 比：萼竺 ( 2 1 8 ) ，丘n 格 、 厂垮：三g 掣f 垮( 2 1 9 )7 芦 f 声 、 因此，只需求得透气砖热变形引起的初应变，求得相应的初应变引起的等效节点载 荷( 温度载荷) ，即可求出由温度变化和位移变化而引起的应力变化。 2 3 4 有限元热分析与热应力分析的国内外研究概况 热分析距今已有1 1 0 多年的历史，曾经为工业的发展做成巨大贡献，产生了一系列 理论与方法。2 0 世纪7 0 年代成熟起来的有限元被迅速应用于与温度有关的各个数值仿 真，取得了广泛的成功。1 9 7 5 年，伍德( w l w o o d ) 和路易斯( r h l e w i s ) 提出瞬态温度 场仿真的方法【3 2 l 。1 9 8 7 年，苏热纳( k s s u r a n a ) 和菲利普( r i cp h i l l i p s ) 等人完善了一般 三维课题结构的温度场分析方法【”】。近几年来，热分与结构分析相结合成为重要方向， 国际上在此方面进行了一系列研究与实蹦3 4 1 。例如：胡忠等应用弹塑性有限元技术对薄 壁结构进行热结构耦合的计算机仿真分析取得成功【3 习；洛夫勒斯( r r o f l e s ) 等人提出了 新的壳单元形函数用于板壳结构在厚度方向温度分布不均条件下的热应力分析【3 6 】；顾浩 中提出具有更高精度的热一电一力耦合分析的有限元新理论【3 7 】：索勃林霍( p m s o b r i n h o ) 讨论了在对流、辐射、传导综合作用下的铝镀层的温度分布【3 硼；罗德里格斯( m p r o d r i g u 铭) 运用有限元法讨论了两种不同膨胀系数的材料复合的热疲劳现象及解决方 法嗍；钟( d z h o n g ) 利用子模型法对玻璃铸模进行热一力耦合分析，渠道铸模的优化解 4 0 l ；巴拉特( a b a r a t ) 和阿普拉克( m k a p a l a k ) 分别就两种不同材料的焊接与铰接结构的 温度应力特性进行仿真【4 1 】；李( ys l e e ) ，崔( m h c h o i ) 等人利用有限元法对多孔的管 状结构在热载荷下的结构应力与变形进行了分析，并提出几何上的优化方案【4 2 , 4 3 1 。 国内在此方面的工作也取得了一些成果。如，陈浩然等人利用有限元非线性分析研 究复合材料层合板在瞬态热载荷下的热变形取得成功】；刘建军、王勖成等人完成复合 材料轴对称层合壳体受非轴对称热载荷的分析，并发展了高温结构的材料本构模型和仿 真的有限元方法 4 5 , 4 6 ；李大治、陆建新和安翔等人【4 7 4 8 】对空间热辐射的作用进行仿真分 析。而在工程应用时间方面，裴有福、余江英等人完成火车车轮的非线性有限元热分析 1 5 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 与热应力分析【4 9 ，剐；周百令进行挠性陀螺仪温度场分布分析，知道设计与改进挠性陀螺 仪【5 l 】；赵子亮、崔玉福等人分别完成对滚动轮胎和负重轮的温度场分析【5 2 】；高学仕【5 3 ，蜘 等人进行热采井筒的瞬态温度场及热应力场进行了探索。 2 3 5 有限元法在耐火材料中的应用 工业炉及各种高温容器、部件是高温工业中不可缺少的组成部分，在冶金、化工等 许多工业部门广泛使用。很明显，高温部件的寿命主要是由其耐火材料的材质及其结构 特点决定的。 耐火材料本身的研究已经进行得相当深入和成功了。耐火材料损坏的机理包括两个 主要部分：化学侵蚀与热机械应力【5 5 删。前者是指熔体、气体、灰尘对耐火材料的化学 侵蚀及冲刷等，这方面已进行过不少工作。后者是指由于温度及某些内在的化学反应引 起的膨胀导致在炉衬内部产生应力，超过其强度导致损坏。耐火材料在服役过程中产生 的热应力是其破坏的主要原因之一。因此，分析高温容器件在服役环境下耐火材料的热 应力大小及分布，是研究如何提高其使用寿命的重要手段。但由于在炉衬及各种高温下 使用的部件中的温度分析与应力分布十分复杂，过去很难从理论上加以分析，只能借助 大量的实验及经验来判断。自从上世纪9 0 年代以来，由于计算机科学以及有限元分析 等计算技术的发展，利用计算机模拟的方法研究高温炉衬系统的热应力成为可能，得到 在不同工作状况下的应力分步，从而改进衬体结构及高温部件的设计。 2 3 6a n s y s 有限元软件热分析简介 a n s y s 是融合结构、流体、电场以及声场分析于一体的大型通用有限元软件。它 主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。其中，前处理模块主要 完成模型的生产、单元的选择及网格划分的任务；后处理模块又分为通用后处理器和时 间历程后处理器两种，主要用于分析结果的提取及处理。后处理的图形可将计算结果以 彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示等。热分析与其它分析功能的不同主要区别于分 析计算模块中热载荷的加载及相关分析选项的设置。 运用有限元法分析铁水包底喷用透气砖的温度应力分布可分为两步：第一步是计 算透气砖在一次热工作循环中各个阶段的瞬态热响应( 温度分布) ；第二步是利用获得的 温度分布评估透气砖的热应力场。 1 6 东北大学硕士学位论文第3 章透气砖热一结构分析 第3 章透气砖热一结构分析 随着洁净钢冶炼理念的推广及用户对钢材质量要求的逐步提高，钢铁冶炼技术得到 了迅速的发展，各项精炼方法均在一定