（机械设计及理论专业论文）混铁车罐体温降过程的有限元模拟.pdf

查! ! 垄鲎堡主璺焦堕查 一j 堕! l 混铁率罐俸滠酶过程的有限元模撅 摘要 鬣雷式潺铁攀楚胬炉铁永进入诵鼠进行炼钢的装载运输工具，上海奎l b 锾铰 公镯窍7 0 金鱼嚣式濯铁车农线运行，遮输鳖大，寤予进入铁承包离铁水滋嶷肖檄 ，j 、洚 蕊，就余造成炼锈能鹈的大耩发撼高。为了虢缓铁承在混铁车内降激邋黢， 国疮辨豹钢铁金业徽了大餐实验，璐农基零采熠增大缳溢粼黼入霆和在停放时两 较长辩船裰的礴施，值效粱不瑷憩。缀舞国外所采取的保激獾照熊效果和絮镪混 铁牵静安豁情况，采取在溃铁车肉衬添秀嚣傈湓鼷怒较为可彳亍静。健出于添加保溢 层籍，铁水激度的变化对内衬耐材可熊肖较大的影响，具体可娆体现在两个方蕊： 1 ) 造成稽鹩离温热膨胀魏大，砖鹃熬瘦力氇稽庞酌增大。 2 1 由于砖的热枫械皮力鹣域大，强对铁忒进行保湛黪月黠必须对砖缝擞楼应黪 调整，甭鬟| j 将会导致砖与砖之闯发警挤压，缩短了礴的使用寿命。如果礴缝留的 过大，劐会由予不紧凑丽适戏松动、脱落。幽予继秘改变褒燧体内部豢接测试霾 难，敝采需计算模撅酌方法逡行分析为改造设计提供依据。0 一一y 一 本文的工馋包摇以下几个帮分： 1 ) 综合考虑热分祈和结构分析，建立满铁车内衬的三维脊限元计算模型。 2 ) 计冀其内褪务器在滋降过獠审载浸凌分毒帮滠凄变纯髓嚣。 3 ) 计弊其肉衬备层在澄降过程中的应力场分布和威力变化情况。 4 ) 剥周大型鸯隈嚣分辑软传脒s ￥s ，礤究并并发了混铁车痰衬熬三维霄隈元 温度沥及热磁力场的计算程序，模拟计算了其温度场殿应力场的分布，并对计算 续袋避露了霹援让处疆。 厂通过对改造前后混铁车内衬的温度场和应力场分布的质处理结果可以看出， 结撼教造之震处予保滋缓以内鹃各簇熬滋度都较改造之前裔掰提高，耐楚于保温 朦之外的耐火材料的濑度较改造之前肖所降低；从成力场角度采分孝斥，改造之层 滋霄番屡熬斑力均较毅造之靛膏掰提篱。运与实际添龆傈溢簇之后砖与砖之间产 嫩挤隧导致砖的龟裂相符合。本课题计算数掇也为上海宝山钢铁集团调节砖缝提 镞了璎论参考e 、一， 关键溺；混铰攀，燕庭力汤，肖鞭元，耐火砖，数学模型 一、”一” 鞋 查苎查壁黧圭鐾燕堕查 一笪坚塑! ! ! ：l t 瓤ef 汛i t ee l e m e n ts i m u l a t i n g o f t e m p e r a t u r e f a l l i n g o f 铲l l e 或p 髓 a b s t r a c t t o r p e d ow 沁e li sat o o lw h i c h 1 0 舔st h em o l t e ni r o nf r o mb l a s tf u r n a c et os t e e l b u n d l e t h e r ea r e7 0w h e e l si n h s 毒i nb a o s h a ns t 托a g r o u po fs h a n g h a i ；t h e t e m p e r a t u r e o f t h em o l t e ni r o nf a l l sd u r i n gt r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hr e s u l t si ne n e r g yw a s t e i no r d e rt or e d u c et h er a t eo f t e m p e r a t u r ef a l t i n g 。m a n ys t e e le n t e r p r i s e sa l l o v e rt h e w o r l dm a k eag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t s n o wm o s to f t h e mi n c r e a s et h eq u a n t i t yo f h e a t p r e s e r v a t i o np h y s i c , o r a d dt h ec a p 敏t h em o u t h d u r i n g t h el o n gs t o p p i n g b u tt h e r ea r e n og o o de f f e 疏s 。t h e s em e t h o d sc a r l ts o l v et h ep r o b l e ma ta 1 1 a c c o r d i n gt ot h ee f f e c t s 龋孙a tp r e s e r v a t i o nm e t h o d sa b r o a da n dt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so fb a o s h m ui r o na n d s t e e lc o 。，l t d ，a d d i n gh e a tp r e s e r v a t i o nl a y e ri st h eb e s tm e t h o d i ti sn o tn e c e s s a r yt o c h a n g e m e c h a n i c a la n d t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t s i t d o e sn o ta l s oa f f e c tt h e p r e t r e a t m e n tp r o c e s s , a n dc a r l b ei m p l e m e n t e di nr o u t i n er e p a i r , b u ts i n c ec h a n g e d t e m p e r a t u r eo fm o l t e ni r o nm a y b ea f f e c t st h ef i r e b r i c k sl a r g e l ya f t e ra d d i n gt h eh e a t p r e s e r v a t i o n , d e s c r i b e d a sb e l o w ： 1 ) t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g o ft h ef i r e b r i c k sr e s u l t si nt h eh e a ts t r e s s i n 黜躺法g 勰s i n c e t h eh e a ts t r e s si si n c r e a s i n g , t h e nt h e g a p sb e t w e e n t h ef i r e b r i c k sm u s tb e a d j u s t e d ，o rt h ee x t r u s i o n w i l lb ep r o d u c e ds ot h a tt h e l i f e - s p a n o ft h e f i r e b r i c k si ss h o r t e n 。b u ti f t h eg a p si st o o l a r g e , t h e nt h ef i m b r i c 心m a y b e f a l l o f f b e c a u s eo f n o t t i g h m e s s t h ec o n t e n t so f t h i ss u b j e c ti n c l u d et h e f o l l o w i n g ： l e s t a b l i s h i n gt h e3 df i n i t e - e l e m e n tm o d e lg i v i n ga t t e n t i o n 静s t r u c t u r ea n d h e a t a n a l y s i s 2 ) c a l c u l a t i n gt h et e m p e r a r a r ed i s t r i b u t i n go fa l tl a y e r s 蕺a n yt i m ea n dt h e 地e n p f ec h a n g i n g c u r v e o f a n y n o d ew i t ht h ec h a n g eo f t h et i m e 3 c a l c u t a i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i n go fa t l a y e r s 采a n yt i m ea n dt h es t r e s s c h a n g i n gc u r v e o f a n y n o d e w i t h t h ec h a n g eo f t h e t i m e ， 搬 塞垄查登爨生鲎垒黧塞。垒曼i 罂燮 4 ) r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h e3 df i n i t e d e m e mc a l c u l a t i n gp r o g r a mo f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i n go f a l ll a y e r si nt h ew h e n ，s i m u l a t i n ga n d c a l c u l a t i n gt h e i rt e m p e r a t u r ea n d s t r e s sd i s t r i b u t i n g ，a n dv i s u a l i z i n gt h er e s u l t s b yl a r g ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s b yt h e r e s u l t so ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s s d i s t r i b u t i n g w ec a nf i n dt h a tt h e t e m p e r a t u r e o fa l ll a y e r so u t s i d et h eh e a tp r e s e r v a t i o nl a y e ra f t e rr e c o n s t r u o t i o nf a l lo f f , a n dt h et e m p e r a t u r ei n s i d et h eh e a tp r e s e r v a t i o ni s n c r e a s e d 。w i t hr e g a r dt ot h es t r e s s , t h es t r e s so fa l lt h e l a y e r s a f t e rr e c o n s t r u c t i o n 逸i n c r e a s e dt h a nt h es t r e s sb e f o r e r e c o n s t r u c t i o n t h e s er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ep r a c t i c e t h e s ed a t aa p p l yt h e o r y b a s i sf o rb a o s h a ni r o na n ds t e e lc o ，l t dt o a d j u s tt h eg a p sb e t w e e nt h ef i r e b r i c k s 。 k e y w o r d sw h e e l ，h e a ts t r e s s , f i n i t ed e m e n t , f i r e b r i c k , 3 df i n i t e - e l e m e n tm o d e l 辩 东北大学硕士学位论文 声明 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，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用 过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：蝴 日 期：卫3 弓5 查些查鲎堡圭鲎堡煎查一一墨二壁i ! ! 笙一 第一章绪论 1 1 项目背景 照露冀澳铁攀是蹇炉铁承进入镄毽进行蠛锻鲶糕裁运耱工其，上海宝国镄铁公 司蠢7 0 台鱼鬻式混铁率在线运行，运输量大。避入铁水包肉静铁永滋震有微小降低， 裁会遗戏炼钢能耗豹犬壤嶷撼窝。必了减缓铰农奁混铁车海降温逮痰，国癌步 熬镄 铁企簸散了大曩实验，发现在潼铁翠内衬添加傈滠朦怒筒革、可靠丽又十分有效的 搂膝。毽燕添怒保温联之菇各屡耐火糟糕的滚寝场以及瘦力场酶分布将发黛变亿， 逶避实验采测试缀灏蕊，为忿需要j i 尊箕模型进行有疆菇模拟计算，其中本文鬟点论 述滠发场懿鸯限元模羧计算。本渫怒就是塞镄浞铰车肉衬教遗颈葺韵一个夔螫组成 部分，也褥辩蕤结构敬造撬供理论依据。 1 2 国内外研究概况 懿蓄式游袄车楚离炉钦永进入转炉迸符嫁钢静装载运输工具。雀纰运送途中， 需经掰受铁、铁水颓熟理、扒漆、等待和倒铁等阶段，整个过程须花赞约2 0 0 3 0 0 分镑，在越嬲瀚，铁承有翡避的温簿过程，激酶的大小受铁承预处联的强度朝时闯、 受铁及俩铗的韬哼简溺黼、环境潞度以及耐材残脬等围紊的影响。如果溆降过快，则 进入铁索包的铁承涤震会大大降 氐，从丽造成炼钢过稷中能耗的大幅度上升。所以 对溜铁车融铁水的傈瀛就成为炼钢节熊的一个霪要的课题。 l 。_ 2 1 霉强研究概况 从国夕 西前情况来看，新溅傈灏材料和新缴傈漱措施在工业炉上运用已十分广 泛，但混铁车的铁水擎的铁水保温措施的确定和运用仪处于起步阶段。目前的资料 表嘲：铁水保灏的手段主要有兰种：( 1 ) 混铰率炉口加蟆；( 2 ) 内树添热保瀑层； ( 3 ) 瀹铁车内部扩容。在上述三种方法中，内衬添加鲍热层最为简便和有效，其中英 国静书尔顿公司在游铗率僳温技术上己处于比鞍戒熬艟黔段，蚀露3 遴过慰混铁攀农 村耐材结构上的改进，新增一层1 2 m m 厚的硅酸镁绝热扳，来对混铁军内的铁水进 行保温，并根攒傈溆后的内衬砌体结构的热威力分掇结擦优键熬个式挂戆结橡，收 到了效果：( 1 ) 减缓了混铁车内铁水的温降速率，提赢进入钢包的铁水濒度。( 2 ) 降 低混铁攀襄蕊铁巍温度，延妖了铁竞煦搜用意念。( 3 ) 霹避蟹铁拳长途遴稔。( 哇) 稳 查! ! 垄鲎堡主兰堡垒查苎二主丝一 长途运输。( 4 ) 稳定了砖衬的结构，减轻了砖缝初的熔损程度。另外台湾中钢公司、 美国b e t h l e 睫m 公司、德国m e i t i n g e n 公司的数家大型钢铁公司都开始在混 铁车上添加了保温层，其中台湾中钢公司在添加保温层后，其在减薄5 0 m m 厚的 耐材，钢壳表面温度下降1 0 ( 2 ，散热损失降低7 ，由于减薄了耐材，同时还起到 了扩容的作用。 1 2 2 国内研究概况 国内使用混铁车的时间并不长，目前，除对在运行中等待时间过长的混铁车 的炉e l 进行加帽和添加保温剂外，无其他保温措施。由于本课题是以宝钢混铁车 为对象，故将宝钢有关技术现状作如下介绍。 1 2 2 1 宝钢混铁车内铁水温降现状 宝钢目前有7 0 台鱼雷式混铁车在线运行。1 5 4 0 的铁水自高炉出铁口流出， 经铁沟内脱硅后，进入混铁车，称之为受铁，此时铁水温度约为1 4 5 0 ，随后在 混铁车内进行铁水预处理，最后将铁水倒入铁水包中。混铁车运行包括受铁、前 扒渣、脱硫和脱磷、后扒渣、倒铁等过程，时间为3 0 0 分钟左右，最后铁水包内 铁承温度为1 3 5 0 c 左右。从1 9 9 8 年以来的铁水温降记录显示，铁水包内的铁水温 度有明显的下降趋势( 见图卜1 ，表1 1 ) 。在9 8 年以前铁水温度基本保持在1 3 5 0 以上，但从9 8 年至2 0 0 0 年2 月，平均温度只有1 3 2 6 6 ，两者有约2 4 的温 差，但铁水进入混铁车的温度却没有变化。这就说明混铁车内铁水温降速度有明 显加快的趋势，从而无疑会造成炼钢能耗的增加，同时又有铁水在铁水包内冻结 的危险( 当铁水温度低于1 2 0 0 c 时，铁水有冻结的危险) ，导致炼钢过程无法继续进 行。 表l - l 铁水包内铁水温度对比 t a b l ei - 1 t t m t p e a a t u r eo f h - o ni nt h eb u n d l e j年份1 9 9 6 矩1 9 9 7 焦1 9 9 8 焦1 9 9 9 笠2 0 0 0 矩 l 温度 1 3 5 9 9 51 3 5 1 3 1 3 1 951 3 3 0 31 3 3 00 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 孢 坩6 0 1 3 5 0 1 3 1 3 3 0 1 3 2 d 1 3 l o l 3 。0 1 3 5 9 9 5 + 激l 。、1 3 5 l 3 、1 3 3 0 31 3 3 0 0 一 7 1 3 1 9 5 9 6 9 79 89 9 2 0 0 1 锻- 2 h 图卜i 铁摧掣岿湘琵斡f 姻 f i g l - 1t e m p e r a t u r eo f i r o n i n t h eb u n d l e 1 2 2 2 温降的原因分析 根据对混铁车内衬结构和温降数据的分析，混铁车内铁水温降过快的原因主要 是以下几点： ( 1 ) 二炼钢“三脱”新工艺 根据测温结果显示，在整个降温过程中，温降最快的是铁水的预处理过程，而 二炼钢比一炼钢增加了脱磷工艺，并采用斜插式工艺，与一炼钢的直插式相比，其 预处理时间多一倍，强度也大大超出，且混铁车内装载的铁水量少，所以热量损失 很大。二炼钢采用脱硫和脱磷时的温降为0 2 8 c 分( 见图卜2 ，表卜2 、) ，不脱磷 时的2 倍左右，这样在经过脱磷和脱硫后，铁水温度在1 2 0 0 。c 左右( 见表卜3 ) ，低 于只脱硫铁水温度1 0 0 c 以上( 见表卜4 ) ，这样就存在铁水在铁水包内冻结的危险， 虽然现在二炼钢的脱磷比率只有5 - 1 0 ，但己造成二炼钢铁水平均温度要比一炼钢 低2 0 多度，而二炼钢的脱磷比率在2 0 0 0 年将提高至3 5 ，这样二炼钢的铁水温度 就可能急剧下降。 查! ! 查兰塑圭鲎竺垒墨一堑二主! 坠 f i g1 - 2t e m p e r a t u r eo f i r o n i nt h ew h e e lo f m es e c o n df a c t o r y 表1 - 2 = 炼铜t p c 铁水处理过程降温数据表( 9 8 4 - 8 ) t a b l e1 - 2t e m p e r a t u r eo f i r o ni nt p ch a n d l ep r o c e s so f t h es e c o n df a c t o r y 二炼钢 工序名称 时间( 分)铁水温度( ) 高炉出铁测温 1 5 0 5 出铁沟脱硫 3 01 4 2 0 等待和运输 5 41 3 9 06 前扒渣 2 01 3 7 6 9 等待和运输 2 l 脱硫和脱磷 5 41 2 4 5 3 后扒渣 2 0 等待和运输 7 7 受铁 3 0 铁水包测温 1 1 9 83 小计3 4 1 4 查! ! 垄堂堡主堂壁垒查苎= 主丝一 表1 - 3 二炼钢混铁车内铁水温降对比图 t a b l e1 - 3 t e m p e r a t u r e o f i r o n i n t h e w h e e l o f t h es e c o n d f a c t o r y 高炉处理前处理后 铁水包 测温脱硫脱硫脱硫 脱硫 时间脱硫 和 脱硫 和脱硫和脱硫和 脱磷脱磷脱磷脱磷 1 9 9 8 1 5 0 5 41 5 0 561 4 0 431 4 0 271 3 6 681 2 7 541 3 2 031 2 5 18 l o 一1 2 1 9 9 9 1 5 0 3 81 5 0 2 21 4 0 321 3 9 881 3 6 181 2 6 021 3 2 431 2 4 65 1 - 1 2 2 0 0 0 1 5 0 331 5 0 2 81 4 0 301 3 9 771 3 6 l6 1 2 6 1 2 1 3 2 431 2 4 77 l 也 总平均1 5 0 4 21 5 0 371 4 0 391 3 9 9 71 3 6 341 2 6 581 3 2 3 o1 2 4 8 7 表l 4 二炼钢预处理过程混铁车内铁水温降对比图 t a b l e1 - 4 t o m p c r a m r eo f i r o n i nw h e e lo f b e f o r e h a n d p r o c e s so f t h es e c o n df a o t o r y 处理过程处理过程中的铁水温度 高炉处理前处理后铁水包 处理方法 脱硫1 5 0 4 21 4 0 3 71 3 6 3 41 3 2 3 0 脱磷+ 脱硫 1 5 0 371 3 9 9 7 1 2 6 581 2 4 87 ( 2 ) 内衬耐火材料 宝钢混铁车内衬耐火材料为三层( 如图1 - 3 ) ，紧靠铁皮的是一层致密粘土砖： 工作层砖是高导热性的高铝碳化硅砖，其与铁水直接接触；在致密粘土砖和高铝 碳化硅砖之间还有一层浇注料，无绝热层。从整个材料的结构及导热性能来说， 属于高导热性材料，绝热性能差，所以整个混铁车的散热损失较大。 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 环 境 外 钢粘浇 ： 铁 壳土注 l o 水 砖料 砖 图卜3 混铁车内衬结构示意图 f i g1 - 3s k e t c hm a p o f w h c e lw a l l 内 1 2 2 3 宝钢现有保温技术 宝钢混铁车由于无绝热层，所以散热损失大、铁水温降快。因此，现在基本采 用增大保温剂加入董和在停放时间较长时进行加帽的措旖，但效果不理想，不能从 根本上解决问题。 1 2 3 讨论 根据以上分析可以看出，二炼钢的“三脱”新工艺的采用使混铁车内的铁水温 降有明显的加大，且现在宝钢的脱硫、脱磷比率还将大幅度的上升，医此温降还有 加大的趋势，所以研究混铁车内铁水保温技术对宝钢混铁车有重大意义。 1 3 本课题的主要任务及研究方法 1 3 1 主要任务 混铁车内铁水保温一直都是炼钢节能的重要课题。研究表明，在混铁车内衬添 家保温层，是减缓铁水温降速率的简单而有效的手段。但在添加保温层后，铁水温 度升高将引起内衬砖的热应力增加，从而可能导致砖缝熔损的加剧，甚至工作层砖 的龟裂和剥落。 基于以上情况，要使得内衬砌体能够适应添加保温层后的耐材热应力变化，就 要分析混铁车内衬的动态热应力分布。但混铁车的实际运行工况十分复杂，要精确 求得这类复杂模型的铁水温度分布几乎是不可能的。 本文在对此传热问题深入分析的基础上建立了三维简化模型，并引用了资料 2 4 】的相关实验数据进行分析和计算。由此数值求解实际工况下的铁水温度变化， 6 垒些查竺塑主堂堡垒查一墨= 翌二! 坚竺_ 并以此为基础计算混铁车内衬热应力分布。 1 3 2 研究内容 本课题属于整个研究项目的一个重要组成部分，主要研究混铁车铁水温降及满 罐状态下内衬温度的分布。最终为混铁车砌体结构改进方案提供设计依据。其内容 主要包括以下几个方面： l 、根据改造前混铁车内铁水在运输过程中的铁水温降，建立相应的传热模型； 2 、分别对结构改造前后进行三维模型的建立，计算出其内衬各层在任一时刻 的温度分布以及任一点随时问的温度变化曲线； 3 、计算出其内衬各层在任一时刻的应力场分布以及任一点随时间的应力变化 曲线； 4 、运用大型有限元分析软件a n s y s ，并编制程序。分析和对比改造前后的温度 场及应力场分布情况。 1 3 3 技术路线 1 ) 首先根据铁水的初始温度、外界温度以及各种耐材的材料特性常数确定各层 耐材的温度分布。 该过程属于热学的稳态分析过程，计算结果将是热应力分析与瞬态分析的基 础。 2 ) 利用步骤l 计算出的温度分布以及铁水湿润耐材表层的非线性边界条件，对 各种耐材进行时间历程分析一一热学的瞬态分析。从而可以确定铁水在混铁 车内整个过程中的温度分布情况。 该过程属于热学的瞬态分析部分。其中步骤l 计算出的温度分布是该步骤的 初始条件。 3 ) 根据以上计算出的温度分布情况可以计算出任意时刻各种耐材的热应力分布 情况。 该过程属于有限元的结构分析部分。需要的初始条件是温度、热膨胀系数和 泊松比。 4 ) 对计算结果进行后处理并进行计算和比较。 7 查! ! 叁堂塑茎垡垒圭 整三主墼堂搓型盟蕉圭 第二章数学模型的建立 2 1 数学模型的建立 研究一个复杂的工程实践问题的基本思想是把复杂的问题进行合理的抽象， 即建立该问题的数学模型。这是解决整个问题的核心内容。本章主要内容是根据 对现场实践情况的了解以及对实际问题的合理抽象建立起混铁车输送过程的传热 数学模型。为下一步混铁车内衬温度场的求解奠定基础。 2 1 1 混铁车结构示意简图 混铁车结构平面示意简图如图2 - 1 所示。其外壳是由各种不同材质的耐火材 料构成，结构改造之前示意简图如图2 2 所示，结构改造之后示意简图如图2 - 3 所示。 环 境 外 图2 - 1 混铁车构造平面示意简图 f i g 2 - 1t h es e c t i o n a ld r a w i n go f t h ew h e e l 图2 - 2 结构改造之前外壁的结构示意简图 f i g 2 - 2s t r u c t u r a ld r a w i n go f t h ew a l lb e f o r er c c o n s l r u c t i o n 内 壅韭叁堂塑兰垡焦圭j 生兰已墼芏竖型! ! 垄兰 环 境 外 内 图2 - 3 结构改造之后外壁的结构示意简图 f i g2 - 3s t z u c t m - a ld r a 埘n go f t h ew a l la f t e rr e c o n s t r u c t i o n 2 1 2 混铁车输送过程的传热描述 鱼雷式混铁车是高炉铁水进入转炉炼钢的装载运输工具。在宝钢，混铁车在 线运行的整个过程要经历受铁( 7 - 0 阶段) ，满罐输送( 0 l 阶段) ，前扒渣( 卜2 阶段) ，满罐输送( 2 - 3 阶段) ，脱磷、脱硫及后扒渣( 3 - 4 阶段) ，满罐输送( 4 - 5 阶段) ，倒铁( 5 - 6 阶段) 及空罐输送( 6 - 7 阶段) 共8 个阶段，历时约6 0 0 分钟， 它的整个输送过程如图2 4 所示。 图2 - 4 混铁车输送过程流程图 f i g2 - 4 f l o wc h a r t o f c o n v e yp r o c o s sw i t ht h ew h 积 其中，标号0 、l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 表示个过程开始或结束时点时刻的状 态，o l 阶段、卜2 阶段、2 - 3 阶段、3 4 阶段、4 - 5 阶段、5 - 6 阶段、6 7 阶段、 7 - 0 阶段分别表示一个时间段的过程。 通过对混铁车运输工艺及其构造( 如图2 - 4 所示) 的了解和分析，可以看出： ( 1 ) 铁水在受铁过程中( 7 0 阶段) ，铁水的内能一部分通过对流和辐射的方式传递给 r兰 爿 一 ! 查些垄堂塑主茎焦鱼查 一羔三主蹩兰垡型堕墼 周围的环境；另一部分以对流和辐射的方式传入混铁车内壁，并通过混铁车的内 衬向外导热，此热量的一部分成为混铁车内衬耐火材料的蓄热，另一方面通过混 铁车外壁，以对流和辐射的方式传给周围的环境。同理，在倒铁阶段( 5 - ：6 阶段) ， 是混铁车内衬积蓄的内能向外释放能量的过程。实际上，受铁和倒铁过程有着极 为复杂的传热过程，它对混铁车内衬温度分布和铁水温降的影响可以通过合理的 假设加以简化。( 2 ) 当受铁结束后，混铁车内的铁水要经过满罐输送等待过程( o 一1 、 2 - 3 、4 - 5 阶段) 。在这一过程中，混铁车内铁水内能一方面也以对流和辐射的方式 从混铁车内壁，通过混铁车的内衬向外导热；另一方面铁水通过和它直接接触的 渣层向外传递热量：渣层和未被渣层覆盖的铁水一部分通过辐射将热量传递给混 铁车内壁，另一部分以辐射和对流的方式传递给渣层上空的气体，通过混铁车口 部耗散于环境，在此，把这两部分的热量共同定义在q 。一。一* ，- ”，这一项中。根据 以上对混铁车运行过程以及传热分析，可得出其传热学描述为； q t 承= q 内衰- 热+ q 口_ ( 对 、射) q 内囊鼻热= q 内村- 蔫+ qj , 1 k t l l ( 糟射、对 ) 其中： ( 2 1 ) ( 2 2 ) q 徘铁水向外散失的热量( j ) q 一* m ；热混铁车内层内表面通过导热向外传递的热量( j ) q 。* 。一，。h ，混铁车口部通过对流、辐射向外散失的热量( j ) q 堰c * ，一漶，混铁车通过最外层壁面向周围环境通过对流和辐射散失 的热量( j ) q 自* t 碧混铁车内衬蓄积的热量 以此对整个运输过程中的混铁车的传热情况进行分析计算，并在此基础上进 行应力的计算和分析。 2 1 3 基本假设 以往盼研究中，对混铁车内衬的几何形状简化较多，多数是假设：铁水热量 通过混铁车内衬向外传热是一维问题，以此建立一维非稳态传热模型，研究混铁 车内衬的温度分布和铁壳表面温度变化。由于这样的假设与实际形状相差较多， 造成计算结果和实际偏差大。采用有限元法则基本不必对其形状进行简化。基于 对热分析与结构分析的综合考虑，取整个模型的l 2 来建立模型( 沿轴向在垂直 面上切割) ，进行分析和计算。并做以下假设：研究时假设混铁车内衬各层的物性 均匀，是连续的材料；各层耐火材料是各向同性的均质体；运输过程中内衬各层 1 0 的热效应是均匀的。 2 1 4 控制方程 数学模型是原型某种性质抽象的定量描述，是根据过程的内在联系而建立起 来的各变量之间的数学关系。数学模型的基本方程、初始条件和边界条件构成了 控制方程。混铁车内衬各层热传导和弹性问题满足下列基本方程和定解条件： 一l i o u , - 叫) 亟+ 蚊+ 丝：p 婆1 = a e 矗毛+ 2 白一卢丁磊i 蝎l i + 甜q ，州。，叫j ( 23 ) ( 2 3 ) 式为控制方程组，其中第1 式称为热传导方程，第2 式称为热弹性运 动方程，第3 式称为本构方程，第4 式称为几何方程。第l 式及其以后各式中的， 为温度，o c ： 口为应力张量，n m 3 ；为应变张量；村为位移变量，m ；x , y , z 为 空间变，m ；t 为时间变量，s ；后为导热系数，w m k ；c ，为平均热容，j k g k ；卢 为换热系数，w m k ；五和为拉梅系数；q 为空间区域。 7 毪o ) = t o , ，o ) _ z 弛，0 ) _ 0、 u i ( x , o ) 2 i o l( 2 4 ) 锄，( x ，o )l 午5 j ( 2 4 ) 式为初始条件，其中p 为速度。 一 、 ，= t x , y , z e & l u t 2 “| x ，m z s m7 t e o ，) j ( 2 5 ) 式为本构边界条件。其中s 为空间区域的边界条件。 ( 2 5 ) 东北大学硕士学位论文第二章数学模型的建立 一k o r ：百 啪 一席娶：善( r 一7 ) 0 ” o | | j n | 2p | ( 2 6 ) 式为自然边界条件 对流系数，p 为面力集度。 础。s、 础z s f卜 x , y , z es ， 一 胛为空间区域边界的法线方向， 2 2 温度场与应力场的有限元分析与求解 2 2 1 有限元方程 ( 26 ) q 为热流密度，善为 将空间区域q 离散为有限单元体，在典型单元内温度t $ n 位移蜥近似地用节 点温度严和位移“产插值得到： m 。m 。 r = r ，”，= “， k = lk = l 其中插值函数只是空间位置的函数，t ，2 是时间的函数。 由热传导和热弹性运动方程所对应的泛函变分为零，可以得到对应的有限元 方程： ( 1 ) 热传导有限元过程： c 塑+ k t ：p ( 2 7 ) 蹦 式中c 是热容矩阵，k 是热传导矩阵，c 和k 都是对称正定矩阵。p 是载 荷列阵，丁是节点温度列阵。矩阵c 一般用集总热容，即简单地将单元内的热容 均匀地分配给每个节点，矩阵c , k 和p 的元素由单元相应的矩阵元素集成。 c 0 = c e a f l ) b = 世0 + h 印 t 只= p 。+ p 。 单元的矩阵元素由下列各式给出： c 帮- - f , c n 。9 d ， c 0 是单元对热容矩阵的贡献。 垄些墨堂塑主堂垡垒查生三主竖丝竖些坚 码= l k 筹筹规 w 印是单元对热传导矩阵的贡献 印= l 。毒4 9 嬲 ， 日妒是单元对流换热边界对热传导矩阵的 p “，= l ，a s 修正。 p 。是单元给定热流边界的温差载荷。 p 。= t i - 8 毒播 ， p m 是单元对流换热边界的温差载荷。 至此，已将时间域和空间域的偏微分方程问题在空间域内离散为节点温度7 1 ， 的常微分方程的初值问题。对于给定温度值的边界昌上的n r 个节点，方程组( 2 7 ) 中相应的式子应以z = f 取代，式中，是s t 上d t 个节点的编号。 ( 2 ) 热弹性运动有限元方程： m 嬖+ d u ：q ( 2 8 ) 铘 式中m 是质量矩阵，d 是刚度矩阵，q 是载荷列阵，“是节点位移列阵。矩 阵m 、d 和q 的元素由单元相应的矩阵元素集成。 m 。b = m 印 = d 印 q = f 。q ，+ p 。 单元矩阵元素由下列各式给出 ( 2 9 ) 白5 j 盯p n 。n 4 砸1 ，是单兀对质量矩阵的贡献。 = l 卜篆等伽等等卜是单元对刚度矩阵的 贡献 f 。= l 譬 筹，+ 等4 卜是单元的温差载荷乘子o p 。= l 。雨4 窗 ，是单元给定面力的载荷。 、；，0，l 查毡叁鲎堑蠹囊焦垒墨釜量蔓二墼型逸竖塑l 薹皇 至鼗，舀将醛阉域秘空凌域豹债微分方瑕闯题在窆阕域内裹教为节点位移 的常微分方程幸刀德闯燧。辩予给窝位移篷黪遮界蕊上豹魂个节点，方程缀( 2 名) 中相缆鹃式予痤以# ，= 乏取代，式审，是& 上瑰个节点豹编号。 2 2 2 有限元方程的求解 由于方程( 2 。7 ) 和( 2 8 ) 给出的裔限元方耩怒关予辩离静微分方耩缀，联 以其体计箨时用蓑分纯为代数方稔缝。 将时间求解城多长矗f 分割，给定初始条件起步后，对每一辩黼步长兔求解 热传挣方程 c t + 4 = f c 一t k ) t 。+ p 再求解热弹馁运动方程 。+ 古 胁“”趔“+ m 古“古警一；擎 1 | 等李“一，古警+ 警 泣， l 螳。丝+ 姒一d 2 u t + u | 一2 一+ 舣r l d ld |d f j 然后加步长循环计算。方程( 2 7 ) 为前差分格式，它是条件稳定的。方程( 2 1 0 ) 为n e v 嘞a r k 方法，它是无条件稳定的。 1 4 查! ! 垄堂塑圭鲎垡焦盎 蔓三主墨丛主堡堡墨堡塾堡垒盐盘丝些! i 型盎 第三章鱼雷车罐体温降过程和材料物性的 测试 3 1 测温方案【2 4 l 因混铁车运输过程中铁水保温技术与实施课题的需要，对混铁车运输过程 中不同时间铁水温度和内衬温度进行测量。这些温度是混铁车铁水温降数学模型标 定所必需的数据，是混铁车保温方案实施的基础。以下对其测试内容及方案进行说 明。 3 1 1 烘炉过程的温度测量 烘炉过程的温度测量方法和测量时间间隔见表3 - l 。 表3 - i 烘炉过程温度测量方案 t a b l e3 - 1t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt o a s tp r o c e s so f w h e e l 测量项目测量方法测量时间间隔记录项目 根据安装在烧嘴处 混铁车炉内温度每隔3 0 分钟测次测量时间、 的热电偶测出 炉内温度、 根据预埋在内衬 内衬温度与上同步测量内衬温度、 根热电偶测出 环境温度。 环境温度根据环境温度计测出与上同步测量 注：1 时间间隔可根据实际降温情况适当调整。 2 测量地点在混铁车干燥场。 3 1 2 运输过程中温度的测量 3 1 ，2 + 1 运输过程中的铁水温度测量 混铁车运输过程中的测温示意图和测温次数以及时间见图3 一l 及表3 2 。 垄韭叁堂塑主堂垡焦查 蔓三主墨丛生堡堡墨竖! 查堡垒塑型型坐塑! ! 盟丛 3 1 2 2 内衬温度与环境温度的测量 内衬温度和环境温度每隔3 0 分钟测一次，测试方法同烘炉时的测温方法。 温度( ) 1 6 0 0 l5 0 0 1 4 0 0 13 0 0 1 2 0 0 l l0 0 1 0 0 0 高妒m 接 、耄竺兰踅前扒洼鐾佶 掣理 竺芝 1 l013 01 8 02 0 02 6 0 时间( m i n ) 图3 - 1 混铁车铁水测温示意图 f i g3 - 1t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n to f i r o ni nt h ew h e e l 表3 - 2 运输过程中铁水温度测量方案 t a b l e3 - 2t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to f i r o ni n 缸a n s p o r tp r o c e s s 序号铁水运输阶段测温点测温次数( 次)间隔时间 l 受铁高炉出铁口 1 2 运输等待二炼钢前扒精确测温点 31 5 2 0 分钟 3 前扒渣二炼钢前扒精确测温点 1 4 等待二炼钢前扒精确测温点 1 5预处理二炼钢前扒精确测温点1 6 后扒渣二炼钢前扒精确测温点 1 2 0 3 0 分钟 7运输等待二炼钢前扒精确测温点3 8 倒铁铁水包测温 1 注：时间间隔可根据实际运行情况做适当调整，但钡8 温次数必须保证。 1 6 盔! ! 查芏塑主堂焦笙奎 苎三主墨堡主堡堡里竖堇堡查丛盐塑丝盟! 坠堕 3 2 仪表的选择【2 4 1 3 2 1 测温仪器的选择 在各种测温仪表中，由于热电偶的使用温度范围符合测量的需要，同时其价格 便宜，制造容易，结构简单，热惰性小，响应快，且测量精度满足要求，所以选用 热电偶做为测温元件。 3 2 2 热电偶的选择 标准型热电偶是指生产工艺成熟、成批生产、性能优良并已列入工业标准文件 中的热电偶。 表3 - 3 标准k 型热电偶的温度范围及误差限 t a b l e3 - 3 t e m p e r a t u r er a n ga n d e i t o fo f kt h e r m a l c o u p l e 热电偶名称温度范围( )误差限( ) 4 0 0士3o 镍铬一镍硅 4 0 007 5 f 表3 - 4k 型热电偶的稳定性 t l b l e3 - 4 s t e a d y o f kt h e r m a lc o u p l e 占= i e e 。】相当于 偶丝直径咖实验温度 j v 0 38 0 0 1 02 4 66 o o o 59 0 0 1 02 7 06 7 5 o 81 o1 0 0 01 02 9 27 5 0 1 21 51 1 0 0 1 03 1 2 8 2 5 l2 0 2 5i 2 0 0 i 03 2 90 0 0 3 2 1 3 0 0 1 03 4 09 7 5 1 7 查! ! 盔堂塑圭芏垡焦塞 釜兰主墨丛生堡堡星隆鎏堡垒盐盘堑丝盟型丛 表3 - 5k 型热电偶的使用温度 t a b l e3 - 5u s ot c m p c r a t u r eo f k t h e r m a lc o u p l e 热电偶丝直径最高使用温度保护管直径 名称 n l n l 长期短期 n l i n o 58 0 01 0 0 0 1 09 0 01 0 0 08 镍铬一 1 51 0 0 01 1 0 01 2 镍硅 2 01 3 0 01 3 0 0 1 6 3 21 3 0 01 3 0 0 2 0 3 2 3 热电偶保护管 为使热电极不直接与被测介质接触，通常都采用保护管，它不仅可以延长热 电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极，增加其强度的作用。因此，热 电偶保护管选择得是否合适，将直接影响热电偶的使用寿命和测量的准确度。 由于所测量的是高温固体，因而选用陶瓷材料的保护管。它耐高温、抗腐蚀， 但是很脆，使用时要多加小心。 3 2 4 补偿导线 补偿导线是传递热电偶与仪表之间信息的元件。它的作用是将热电偶的参考 端延伸到温度恒定的场所，以便同显示仪表相连接。 3 2 5 测温线路 由于测量条件的限制，选用室温式基准接点方式接线。室温式基准接点的显 著特点是无基准接点装置。它是将仪表的输入端子作为基准