（机械电子工程专业论文）钢包滑动水口cae分析.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 !jill fijp i j l il l l i i r ll llr f r lr l l l l f y 17 3 9 3 2 4 本人郑重声明：所星交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取褥的成果口除了文中已经注明引用的内容或属合作研究熬同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作龋成果。 对本文的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式橛明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本入承担一切相关费任。 论文作者签名：监 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成采归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了鳃武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 上作的规定执行) 送交论文的复印件和电予版本，允许论文被套阅和借阅， 同意学梭将本论文的全郯或部分内容编入学校认可的豳家棚关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：盟 搀导教师签名一至奎l 童 爨 期：圣圣f 翌：主：篷 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术的高速发展和有限元分析软件的不断完善，c a e 技术已广泛应用于工 程领域。在冶金设备设计方面，采用c a e 技术可以准确地分析结构的强度和刚度等问题， 计算出复杂零部件的应力分布情况，从而对结构的改进设计提供重要依据。 钢包滑动水口机构是钢包系统的重要组成部份，是将钢包内的高温钢水安全、稳定、 可靠地注入中间包的重要设备。它的运行好坏直接关系到连铸浇钢的顺利进行，其使用寿 命的高低、使用效果的好坏，对连铸生产有着重要影响。 本文结合生产实践，以系统c a e 理论为依托，运用传热学基础知识和热应力耦合分 析理论，在a n s y s 软件环境下，对钢包滑动水口机构在浇铸过程中的瞬态温度场和热应 力场进行了数值模拟。结果表明： 1 ) 滑动水口机构在浇铸过程中，下滑板的温度以浇铸孔为中心向外逐渐扩散，在距 离浇铸孔中心越近的位置，温度梯度越大，且在纵向方向上的温度变化要大于在横向方向 上的温度变化。下水口的温度从径向方向看有明显分层，而从轴向方向看，在底部到颈部 外壁温度梯度较大。 2 ) 在浇铸过程中，机构下滑板在浇铸内孔周围存在一个压应力区，拉应力在浇铸孔周 围呈环形分布。在其横向各关键点中，关键点b 的第一主应力值最大为3 7 9 1 m p a ；在其 纵向各关键点中，关键点i 的第一主应力值在浇铸3 0 0 s 时达到最大4 8 4 6 m p a 。因此，在 降低下滑板横向关键位置热应力的同时，减小其纵向关键位置的热应力也相当重要。机构 下水口瞬时第一主应力在径向方向上逐渐减小，而在轴向方向上变化很小，在颈部关键点 e 处附近区域的应力变化较大。 3 ) 滑动水口机构的碟簧组件所施加的不同压力载荷对机构的热应力值影响非常小， 可以不予考虑。 4 ) 可以运用系统c a e 仿真技术对复杂的冶金设备进行整体建模，对其进行不同载荷 工况下的数值模拟，从而获得分析对象的整体性能，为设备的科学维护及今后的设计改进 提供参考依据。 关键词：滑动水口；系统c a e ；温度场；热应力 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di m p r o v e m e n to ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，c a et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d i ne n g i n e e r i n g i nt h ed e s i g no f m e t a l l u r g i c a le q u i p m e n t ，s o m ep r o b l e m so ft h ee q u i p m e n ts u c ha st h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sc a n b ea c c u r a t e l ya n a l y z e dw i t hc a et e c h n o l o g y , w h i c hc a np r o v i d ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h e d e s i g no ft h es t m c t l l r c s l i d i n gg a t ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h el a d l e ，w h i c hi sas e c u r i t y , s t a b l ea n dr e l i a b l ee q u i p m e n t a n dg a l lp o u rt h eh i 曲t e m p e r a t u r em o l t e ns t e e lo ft h el a d l ei n t ot h em i d d l ep a c k a g e i ti sd i r e c t l y c o n n e c t e dw i t ht h eo p e r a t i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gs t e e l ，a n dt h el e v e lo fi t ss e r v i c el i f e , t h e q u a l i t yo fi t ss e r v i c ee f f e c t ， w h i c hh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ec o n t i n u o u s c a s t i n g p r o d u c t i o n t h et h e s i sc o m e sf r o mp r o d u c t i o np r a c t i c e ，r e l i e so ns y s t e mc a et e c h n o l o g y , b a s e so nt h eu s e o fh e a tt r a n s 衙k n o w l e d g ea n dc o u p l e dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i st h e o r y t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r e f i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do ft h es l i d i n gg a t eo fl a d l ed u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n ga l e s i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r ea n s y s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 ) i nt h ep r o c e s so fc a s t i n g , t h et e m p e r a t u r eo ft h ed o w ns l i d i n gp l a t ei sg r a d u a l l ys p r e a da s t h ec e n t e rh o l e ，t h ec l o s e rd i s t a n c eo ft h ec a s t i n gh o l e ，t h eg r e a t e rt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t a n d i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g ei sg r e a t e rt h a nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft h ed o w n n o z z l eh a ss i g n i f i c a n t l ys t r a t i f i c a t i o ni nt h er a d i a ld i r e c t i o n ，b u t i nt h ea x i a ld i r e c t i o n , w h i c hi sl a r g ea tt h er e g i o nf r o mt h eb o t t o mt ot h en e c kw a l l 2 ) i nt h ep r o c e s so fc a s t i n g , t h e r ei sac o m p r e s s i v es t r e s sa r e aa r o u n dt h ec a s t i n gi n n e rh o l eo f t h ed o w ns l i d i n gp l a t e ，t e n s i l es t r e s sh a sar i n gd i s t r i b u t i o na l o u dt h ec a s t i n gh o l e i nt h ek e y p o i n t so fh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，t h ef i r s tp r i n c i p a ls t r e s so fk e yp o i n tb h a sam a x i m u mv a l u eo f 3 7 9 1 m p a , a n di nt h ek e yp o i n t so fv e r t i c a ld i r e c t i o n ，t h ef i r s tp r i n c i p a ls t r e s so fk e yp o i n ti r e a c h e sam a x i m u mv a l u eo f4 8 4 6 m p aa tc a s t i n gt i m eo f3 0 0 s t h e r e f o r e ，r e d u c i n gt h ev e r t i c a l p o s i t i o no ft h e r m a ls t r e s si s a l s oi m p o r t a n tw h i l er e d u c i n gt h eh o r i z o n t a lp o s i t i o no ft h e r m a l s t r e s so ft h ed o w ns l i d i n gp l a t e t h et r a n s i e n tf i r s tp r i n c i p a ls t r e s so ft h ed o w nn o z z l ed e c r e a s e s i nr a d i a ld i r e c t i o n , w h i l ec h a n g e sl i t t l ei na x i a ld i r e c t i o n a n dt h es t r e s sn e a rt h er e g i o na tt h e n e c kp a r to fk e yp o i n te c h a n g e sg r e a t l y 3 ) d i f f e r e n tp r e s s u r el o a d sw h i c ha l ei m p o s e db yt h ed i s cs p r i n go fs l i d i n gg a t em e c h a n i s m h a v ev e r yl i t t l ee f f e c to nt h e r m a ls t r e s s ，w h i c hc a nn o tb ec o n s i d e r e d 4 ) s y s t e mc a et e c h n o l o g yc a l lb eu s e dt os i m u l a t et h ec o m p l e xm o d e l i n go fm e t a l l u r g i c a l e q u i p m e n t ，a n dc a l c u l a t ei nd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n st oo b t a i nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h e a n a l y z i n go b j e c t ，w h i c h c a np r o v i d er e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o r e q u i p m e n ti n s c i e n t i f i c m a i n t e n a n c ea n df u t u r ed e s i g ni m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s l i d i n gg a t e ；s y s t e mc a e ；t e m p e r a t ef i e l d ；t h e r m a ls t r e s s 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s 仃 i c t i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 系统c a e 仿真技术介绍2 1 2 1 系统c a e 仿真技术的概念及其特点2 1 2 2 系统c a e 仿真技术分析的一般过程2 1 2 3c a e 技术的现状与困难3 1 3 钢包滑动水口机构简介4 1 3 1 钢包滑动水口机构的构成。4 1 3 2 钢包滑动水口机构的工作原理。6 1 3 3 钢包滑动水口机构的常见问题6 1 4 钢包滑动水口机构国内外研究现状7 1 5 课题的研究意义及研究内容7 - ” 1 5 1 研究意义7 1 5 2 研究内容8 第二章热分析基础理论9 2 1 传热学与工程热力学的关系9 2 2 热能传递的三种基本方式9 2 2 1 热传导9 2 2 2 热对流1o 2 2 3 热辐射l o 2 3 边界条件与初始条件1l 2 3 1 三类边界条件1 1 2 3 2 初始条件l l 2 4 稳态与瞬态传热1 l 2 4 1 稳态传热1 l 2 4 2 瞬态传热1 2 2 5 非线性瞬态热分析1 2 2 6a n s y s 热分析基本原理1 2 2 7a n s y s 耦合场分析1 3 2 7 1 直接耦合法1 3 2 7 2 间接耦合法1 3 第三章钢包滑动水口机构系统c a e 基本模型的建立1 4 3 1 钢包滑动水口机构系统c a d 几何模型的建立1 4 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 钢包滑动水口机构系统c a e 有限元模型的建立1 6 3 2 1 几何模型的简化1 6 3 2 2 单元类型的选择1 6 3 2 3 材料参数的设置1 7 3 2 4 网格的划分1 9 3 2 5 各种连接方式的处理2 0 3 2 6 模型质量的检查2 1 第四章钢包滑动水口机构的温度场分析。2 3 4 1 钢包滑动水口机构浇铸之前的初始温度场分析2 3 4 1 1 初始条件和边界条件的确定2 3 4 1 2 初始温度场结果分析2 3 4 2 钢包滑动水口机构浇铸过程中的瞬态温度场分析2 6 4 2 1 边界条件的设置2 6 4 2 2 求解参数的设置2 6 4 2 3 瞬态温度场结果分析2 6 4 3 本章小结3 2 第五章钢包滑动水口机构在浇铸过程中的热应力场分析3 3 5 1 热应力简介3 3 5 2 仿真结果评价准则3 3 5 3 模型的建立与转换3 4 5 4 约束和载荷的施加一3 4 5 4 1 施加d o f 约束3 4 5 4 2 施加载荷3 5 5 5 钢包滑动水口机构在浇铸之前的热应力分析3 6 5 6 钢包滑动水口机构在浇铸过程中的瞬态热应力结果分析3 8 5 7 不同碟簧压力对滑动水口机构热应力的影响4 3 5 8 本章小结4 5 第六章结论与展望4 6 6 1 结论4 6 6 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢5 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 自二十世纪六十年代以来，c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术伴随着计算机技 术的高速发展得到了飞速的发展和广泛的应用。在工程领域，过去有很多实际问题受到试 验条件的限制，无法准确地求解和分析，采用c a e 技术之后，通过计算机数值模拟方法 可以得到满意的解答。并且，c a e 技术还可以使众多复杂的工程问题简单化、条理化和过 程化，这样不仅可以节省大量的时间，避免了低水平重复劳动，还可以使分析过程更快、 分析结果更准确【l 】。总之，c a e 技术在产品的设计、分析、尤其是新产品的开发方面发挥 着越来越重要的作用。 在制造业方面，c a e 技术的应用最为成熟。其中以汽车制造业和飞机制造业的应用最 为典型。当前，国际上所有的大型汽车厂商以及他们的一级零部件供应商都有专门的c a e 部门。可以毫不夸张地说，现代汽车、飞机的研发和设计已经完全离不开c a e 技术的应 用了【2 1 。 在钢铁冶金行业，c a e 技术主要运用于冶金工艺的过程模拟和冶金设备的设计开发两 个方面。在冶炼过程方面，c a e 技术借助其强大的多物理场耦合分析功能和非线性问题求 解功能，可以对钢铁工业中从冶炼到制造加工的各个阶段的工艺过程进行计算机仿真，并 可借助计算机对生产过程、工艺参数及生产结果进行控制以实现整个系统的整体优化。在 冶金设备设计方面，采用c a e 技术可以迅速而准确地分析结构的强度和刚度等问题，其 突出的优势在于可以计算出复杂零部件的应力分布情况，从而对结构的改进设计提供重要 依据【3 1 。 总之，经过多年的发展，c a e 技术已经成为当前工程领域中不可或缺的重要手段和工 具，在汽车、航空航天、船舶、重型机械、精密机械、土木建筑、化工、水利、材料、电 力和电子等许多行业都得到了广泛应用。据粗略估计，c a e 技术目前在国际上来看已经形 成了数百亿规模的市场【4 】。 目前，在国外，c a e 技术在科学研究和工业化应用方面已经取得了巨大的成就，很多 大型的有限元通用分析软件已经相当成熟并且成功商品化。通过多年的不懈努力，我国在 c a e 仿真分析方面也取得了长足进步，建立了自己的计算机辅助工程科技队伍，在许多领 域开展了c a e 技术的研究和应用【5 】。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 明确指出：重点研究数字化设计制造集成技术，建立若干行业的产品数字化和智能化设计 制造平台；开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数字化、智能化创新设计方法及技 术，计算机辅助工程分析与工艺设计技术。该纲要第一次把计算机辅助工程技术( 即c a e 技术) 纳入优先发展的“数字化和智能化设计制造 主题之内，由此可见，我国已经站 在国家科技发展规划的高度上，把c a e 技术列为机械创新设计的主要支持技术之一。因 此，在今后相当长的一个时期之内，c a e 技术的研究及其应用必将成为我国优先发展和重 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 点推进的内容之一。 1 2 系统c a e 仿真技术介绍 1 2 1 系统c a e 仿真技术的概念及其特点 c a e 是一种以计算机为主要辅助工具的求解技术。用于求解复杂工程和产品结构强 度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计 算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。从功能上讲，c a e 涉及了制 造业信息化的所有方面，不仅可以对全新的产品和设备进行功能、性能与可靠性方面的分 析、校核与评判，而且能够对给定载荷工况下的产品运行行为进行模拟仿真，以发现潜在 的缺陷，继而提出优化方案。在工程应用上，根据应用对象的不同，c a e 可分为零件c a e 和系统c a e 两种应用层面【6 】。 零件c a e 是指对分析对象中的部分重要零件，单独分离出来进行c a e 分析，以获得 其强度和刚度，评价其性能。与零件c a e 不同，系统c a e 以整台设备为分析对象，组成 设备的所有零件均参与建模，各个零件与零件之间的连接运用连接单元或接触单元进行连 接。 零件c a e 具有模型小、建模快和迅速地获得分析对象仿真结果的优点。但是由于在 对零件进行c a e 仿真时，其载荷和边界条件往往需要经过一定的简化才能施加到模型上， 如果简化过程出错，将直接导致计算的结果不可信。采用系统c a e 仿真技术，由于以整 个设备为分析对象，各个零件与零件之间需要通过合适的连接单元进行连接，因此其模型 比较复杂、规模比较大。但是模型的载荷工况、边界条件比较清楚，能够对整个系统的静、 动态性能进行模拟仿真。同时，为了保证仿真分析的精度，必须采用合理的指标对模型的 质量进行控制，以获得高质量的c a e 模型。 系统c a e 仿真技术可以通过c a d 与c a e 数据传递的一体化，从而实现设计和分析 的同步：通过系统c a e 分析的典型算例和试验结果的比较，可以形成c a e 分析指南，建 立数据库，指导以后相类似的c a e 分析工作，从而形成一定的设计标准和试验规范；c a e 的分析结果可以成为鉴定新产品研发成果的重要依据 7 1 。 1 2 2 系统c a e 仿真技术分析的一般过程 对于系统c a e 分析过程，主要可分为三个步骤：有限元分析前处理、有限元分析求 解计算、有限元分析后处理【8 】。其一般分析过程可以如图1 1 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 1 系统c a e 分析的一般过程 有限元分析前处理：即对分析对象进行建模。应用通用c a d 软件的建模功能对工程 分析对象进行三维实体建模，通过一种通用中间格式进行数据转换后，将中间格式文件导 入到c a e 软件，然后再进行有限元模型的建立。具体包括对分析对象进行合理的简化处 理，运用点、线、面等几何元素生成分析对象的三维实体模型，然后采用前处理软件对模 型划分网格，输入材料参数、施加约束和工况载荷等，进而构建比较合理的有限元模型， 输出分析软件所能识别的文件格式供求解器计算。在这个阶段所花费的时间根据经验一般 占整个过程的6 0 一7 5 。 有限元分析求解：把前处理软件输出的数据文件输入给求解器，分析软件会对单元构 造一个适合的近似解，从而形成单元矩阵，将单元总装形成离散域的总矩阵方程，然后联 立方程组求解，求解可用直接法、选代法和随机法，求解结果是单元结点处状态变量的近 似值，对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要 重复计算。一般用于求解计算的时间占整个过程的1 0 。 有限元分析后处理：将分析软件计算的结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来， 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。这些结果可能包括位移、温度、应力、应 变、速度及热流等。例如，计算结果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不 同的等值线颜色，代表了不同的值( 如应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区 ( 如应力范围) ，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。从而可以方便地对计算结果进行 评判。这个阶段一般占整个过程的15 - - 一3 0 。 1 2 3c a e 技术的现状与困难 据调查分析，中国市场活跃的c a e 供应商主要包括m s c 、a n s y s 、a b a q u s 、 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 c o s m o s 等。这些国外公司总计占有c a e 市场8 5 的份额，几乎全面占领了中国c a e 软件市场。而国内c a e 软件与国外品牌c a e 软件相比，功能不全，商品化程度低，市场 竞争能力差。 除了c a e 软件市场，c a e 技术服务市场在国外高速发展。如德国和日本，c a e 专业 服务市场总量分别达到4 3 亿和3 7 亿，而且每年以3 0 的速度增长，并且涌现了一批实 力很强的c a e 专业服务提供商，能够高效的提供全方位的c a e 服务。c a e 技术的广泛应 用，是德国和日本产品拥有长期高品质美誉的关键。但目前国内的c a e 专业服务提供商 几乎为零，部分服务基本依托高校或研究院所，但在服务质量及效率上无法满足工业发展 的需要。 市场和竞争的要求不断推动传统设计手段向数字化产品方法转变。然而在应用c a e 技术的时候都会受到不同程度因素的制约。主要表现为： 1 ) c a e 技术能力问题。大多数企业的c a e 技术积累不够，没有形成产品研发流程的 c a e 应用规范和流程；很多企业没有能力培养c a e 人才，以及建立和维持c a e 团队；很 多技术人员的知识结构不能满足c a e 技术应用的要求。 2 ) c a e 软硬件配备问题。大部分企业对c a e 软件以及相应的计算机硬件投入有限。 随着产品的复杂程度越来越高，要准确的模拟这些产品就必须要有高性能的计算设备，一 般的计算机已经很难满足复杂产品系统的仿真要求。 3 ) c a e 实验测试与验证能力问题。有效地c a e 应用离不开必要的实验测试，比如材 料参数、载荷条件的测定，以及对仿真结果的校验。相关的测试方法往往需要很专业的c a e 知识，而测试设备种类要求较多，成本也较高。 1 3 钢包滑动水口机构简介 1 3 1 钢包滑动水口机构的构成 钢包滑动水口机构是安装在钢包底部的装置，一千多度的钢水，就是经过它进入中间 包或激振器内，滑动水口可以随时开闭，起到控制钢温、调节钢流的作用，保护着钢包下 面的设备和操作人员的安全。滑动水口工艺目前已在全世界范围内得到普及，我国在钢包 上也基本上都安装了滑动水口机构1 1 。 以卫辉熔金耐火材料公司所生产的l s g 7 0 1 5 0 为例，其结构主要由耐火材料部分和配 套机构部分两大部分构成。耐火材料部分如图1 2 所示，由上座砖、下座砖、上水口、上 滑板、下滑板和下水口组成。 为了把上述耐火材料部分固定安装在钢包底部，因而需要配套机构部分来实现安装， 其安装结构示意图如图1 3 所示【1 2 朋】。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图1 2 钢包滑动水口机构的耐火材料部分 图1 3 钢包滑动水口机构的配套机构部分示意图 底座：用于装上滑板用，通过安装螺栓固定在钢包底部上。 滑块：用于装下滑板用，底部安装有轨道轮，可以来回移动。 支架：通过拉紧螺栓与底座连接，托起滑块。支架框架内有弹性压紧装置，采用碟簧 压紧滑板，使滑板界面压力恒定、均匀、不受高温和人为因素的影响。 连杆：与滑块连接，在液压缸产生的推力作用下推动滑块运动。 托架：与底座连接，托起液压缸。 安全销：用于防止连杆在使用过程中的脱钩现象。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 2 钢包滑动水口机构的工作原理 钢包滑动水口机构，就是利用安装在钢包底部金属外壳外面的两块用耐火材料制成的 平板( 上面的称上滑板，下面的称下滑板) ，并且依靠机械的力量把两块滑板压紧，达到近 乎没有间隙的程度。通过外部的驱动力量，移动下滑板，使上、下滑板产生平行位移，由 于上、下滑板上都有同样大小的浇铸孔，且上滑板的浇铸孔与上水口连接，直接连通钢包 内钢水，下滑板的浇铸孔连接下水口。当上、下浇铸孔在移动中重合时，钢包内钢水可以 通过上水口、上滑板、下滑板、下水口流出，进行浇铸作业。当上、下滑板的浇铸孔错开 时，则浇铸孔关闭，浇注作业停止。由于滑板的移动是和水口连接在一起进行的，并且整 个机构安装在钢包底部，所以称之为钢包滑动水口机构【1 5 - 1 7 】。 图1 4 为钢包滑动水口机构工作原理示意图。 霪 翳 杉形黝物 嶙 慝 关闭 半开全开 图1 4 钢包滑动水口机构工作原理示意图 1 3 3 钢包滑动水口机构的常见问题 钢包滑动水口机构是钢包系统的重要组成部份，是将钢包内的高温钢水安全、稳定、 可靠地注入中间包的关键设备。但该机构在实际使用过程中也存在着不少问题，可以归纳 成如下几点【1 8 2 7 】： 1 ) 配套机构装置方面的原因。主要表现在机构加工精度差，使滑动面面压分布不均 匀；所采用的弹簧组件耐高温能力差，使用寿命短；驱动装置故障。 2 ) 耐火材质方面的原因。主要表现在座砖耐高温强度低，上水口砖热稳定性能差， 钢水易渗入缝隙发生漏钢；滑板砖不耐钢水的侵蚀和冲刷，在浇铸含c a ，m n 的钢水时， 易在铸孔边缘形成“马蹄形熔损”；下水口砖在使用时受热应力的影响易产生裂纹甚至断 裂。 3 ) 操作方面的原因。主要表现在当钢包不能自动开浇时，采用烧氧开浇造成滑板滑 动面的烧坏；滑板的滑动面有钢渣没有清理干净，导致两滑板机构之间有缝隙。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 4 钢包滑动水口机构国内外研究现状 由于钢包滑动水口机构在炼钢设备中的重要地位，国内外许多专家学者都对其进行了 多方面的研究。但在采用有限元分析方法的众多研究中，由于受有限元分析软件及计算机 硬件设备等因素的限制，主要是对钢包滑动水口机构中某一部件进行研究，而针对整个机 构的系统c a e 分析还没有。 廖建国【2 8 】等指出影响连铸用耐火材料寿命的主要因素之一是热震破坏。而评价耐火材 料热震性好坏的方法之一就是采用有限元法对耐火材料单体或耐火材料结构体发生的热 应力进行解析的方法。法国人j p o i d e rt h e r m i n e s 2 9 】也提出了对耐火材料实行热机械性能计 算的意义。利用有限元法可以更好的分析产生裂缝的原因，可以减少在试验过程中的工作 量，以最少的试验确定了滑板的改进途径。 有些科研工作者研究了滑板紧固方法与龟裂关系【3 0 1 ，其分析用的模型形状是：从滑板 滑动方向的中心线一分为二，其中一半进行2 维平面应力分析。因而不考虑作用于滑板上 下面的压力和上下面之间的热传导。假定滑板的初始温度为2 0 0 ，气氛温度为7 0 ，钢 水的温度为1 6 0 0 ，从水口内孔部位接触到钢水温度时开始到3 小时后这段时间进行了分 析。开孔度假定为1 0 0 ，滑板铸孔内为钢水温度作为温度载荷，滑板四周不考虑用钢箍 紧固。还有的利用有限元法研究了损毁滑板后，指出对现在的滑板材质，要防止产生龟裂 是困难的【3 1 1 。因此实际上为了防止对滑板寿命不产生恶劣影响，正在尝试控制龟裂的扩展 和其方向性。为了使滑板产生的龟裂不发生在滑动方向上，需要考虑滑板的紧固方法【3 2 1 。 吴松根等【3 3 】采用有限元法进行了5 0 1 滑板的热应力分析，指出滑动方向上的拉应力， 是导致滑板使用中出现纵向裂纹，并推动裂纹扩大的主要因素。吉野良一等瞰】通过对不同 滑板的应力计算，指出较大的压应力能有效地阻止裂纹的形成和扩展。结果表明新型滑板 工作面的压应力区域比较宽广，因此能有效减少裂纹的形成和扩展，滑板寿命提高了3 0 4 0 。闰祖甫等【3 5 】研究了两种不同材质滑板的热应力，得出降低滑板的弹性模量和热膨胀 系数，可以降低其在浇注过程中的热应力。 张渝、谭键【3 6 】对钢包下水口进行了断裂分析，指出下水口内的热应力是导致下水口断 裂的主要因素，下水口所受的外力是导致下水口断裂的重要因素。 1 5 课题的研究意义及研究内容 1 5 1 研究意义 钢包滑动水口机构是钢包系统的重要组成部分，是将钢包内的钢水安全、稳定、可靠 的注人中间包的关键设备，它的运行好坏直接关系到连铸浇钢能否顺利进行。作为炼钢厂 用于直接控制钢水流量，使浇铸易于实现自动化的重要设备，其使用寿命的高低、使用效 果的好坏，对吨钢成本、钢包周转、生产调度、连铸以及工人劳动强度等都有重要影响。 钢包滑动水口机构由底座、支架、滑动小车、弹簧组件及驱动组件等组成。机构以上、 下滑板为界面分开，底座、支架是固定部分，滑动小车是活动部分。上水口砖、上滑板砖 第8 页 武汉科技大董 士学位论文 匕1 生支架内往复 基组件驱动滑动 l 因此在使用过 本课题利用系统c a e 仿真分析可以对钢包滑动水口机构进行性能与耋i 可靠性分析， 及早发现设计缺陷，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发质1 1 ) 根据二维图纸，利用三维软件s o l i d w o r k s 建立钢包滑动水1 3 机榭i 2 ) 利用有限元前后处理软件h y p e r m e s h 划分网格并确定边界条件，蘑 建立钢包滑动水口机构有限元分析模型； l 3 ) 利用通用商业软件a n s y s 求解钢包滑动水口机构浇铸前的初嬗 程中的瞬态温度场； l 4 ) 进而计算出钢包滑动水口机构的在浇铸前的热应力分布和浇铸迎 奄 嫁 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章热分析基础理论 2 1 传热学与工程热力学的关系 传热学3 刀就是研究由温差引起的热能传递规律的科学。传热学与工程热力学有着密切 的关系：分析任何的热量传递过程都要用到热力学第一定律，即能量守恒定律。热力学第 一定律的表达式可以对封闭系统写出，也可以对开口系统写出。对于每种系统又分为稳态 和瞬态两种情形。 1 ) 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q 一形= a u + a k e + a p e ( 2 1 ) 上式中：q 外界对系统传递的热量； 形系统对外界做功： u 系统内能的增量； 必e 系统动能的增量； 肚e 系统势能的增量。 2 ) 对于一般工程上的热分析问题：a k e = a p e = o ； 一般考虑系统没有对外界做功：即形= o ，贝i j q = a u ； 那么对于稳态情形：q = a u = o ，即外界对系统传递的热量等于系统内能的增量；而对 于瞬态的情形：g ：_ d u ，即外界对系统传递的热量速率q 等于系统内能的变化。 a t 2 2 热能传递的三种基本方式 2 2 1 热传导 物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的物体把热量 传递给与之接触的温度较低的另一物体。这种热能传递的现象称为热传导，简称导热。一 维导热问题可以用公式表示为： 虻一后罢 ( 2 2 ) 上式所表达的就是著名的傅里叶定律，又称导热基本定律。式中酊是x 方向传递的热 流密度，单位为w m 2 。它表示单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 方向上的温度变化率。k 是导热系数，单位为w ( m k ) ，它是表征材料导热性能的物性参 数，k 越大，导热性能越好。 2 2 2 热对流 热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体 相互掺混所导致的热量传递过程【3 8 】。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时流体 域表面物体间的热量传递过程，并称之为对流传热。对流传热可区分为自然对流与强制对 流两大类。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的，如热空气向上流动； 如果流体的流动是由于水泵或其他压差作用所造成的，则称为强制对流。对流传热的基本 公式是牛顿冷却公式： q q = j i l ( 五一乃) ( 2 3 ) 2 ，1 1 1 s 一口j l z j ， 式中：矿是对流传热的热流密度( w m 2 ) ，它与固体表面的温度五和周围流体的温度毛 之差成正比；比例系数h ( w ( m 2 k ) ) 称作表面传热系数( 或对流换热系数) 。 2 2 3 热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因 热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。辐射与吸收过程的综合效果就造成了以辐射方 式进行的物体间的热量传递辐射传热，也称辐射换热。导热、对流这两种热量传递方 式只有在物质存在的条件下进行，而热辐射可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传 递最有效。 一般在工程中考虑多个表面系统的辐射传热，系统中一个表面的净辐射换热能是与其 余各表面分别换热的换热能之和。它们之间的净辐射换热可以用斯忒藩一波耳兹曼定律来 揭示： q = e o - 4 x , 2 ( 彳一z ) ( 2 4 ) 式中：g 为热流量；占为实际物体的发射率，习惯上称为黑度，它的数值在0 - , 1 之间； o r 为斯忒藩一波耳兹曼常量，其值为5 6 7 x1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) ；4 为辐射表面l 的面积；五： 称为由表面1 对表面2 的角系数；互为表面1 的热力学温度；互为表面2 的热力学温度。 从上式可以看出，含有辐射换热的热分析问题是高度非线性的。 工程上为计算方便起见，通常将辐射换热折算成对流换热进行计算。 h y - - 1 日o ( i t l 4 - _ t 2 4 ) ( 2 5 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 3 边界条件与初始条件 2 3 1 三类边界条件 1 ) 第一类边界条件 物体边界上的温度函数为已知，用公式表示为： r l r = t o ；t i r = ( 五y ，z ，t ) ( 2 6 ) 式中：f 为物体边界；r o 为已知温度；f ( x , y ，z ，f ) 为已知温度函数。 2 ) 第二类边界条件 物体边界上的热流密度为已知，用公式表示为： 一后瓢邓一七缸= g ( 硼列) ( 2 7 ) 式中：g 为热流密度( 常数) ；g ( 五y ，z ，f ) 为热流密度函数。