（机械设计及理论专业论文）钢包复合结构体热机械应力的研究及其寿命预测.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第l 页 摘要 钢包是冶金工业的重要设备，其寿命的长短直接影响钢铁企业的经济效益。钢包热机 械应力的计算及其影响规律的分析对于钢包设计和使用具有重要的意义，而钢包寿命的预 测可以及时对钢包进行维修，延长其寿命。 本文以钢包复合结构体为研究对象，主要进行了以下的研究。 ( 1 ) 提出了钢包复合结构体的概念，并基于传热学理论，应用有限元软件建立了钢 包复合结构体的模型，计算了钢包复合体在烘烤和工作状态下各个工况的瞬态或稳态的温 度场和应力场，这有利于分析钢包壳和内衬应力分布及相互关系。 ( 2 ) 通过分析钢包复合结构体内衬膨胀缝对其应力场的影响得到：设置2 m m 膨胀缝 可以降低的接触应力为内衬耐压强度的1 6 1 5 。研究还表明：随着包壁工作层内衬厚度 减薄，包壳温度和应力均增大。 ( 3 ) 运用断裂和热震损伤理论提出了钢包壳和内衬寿命预测的模型，运用该模型计 算的寿命与实际寿命基本吻合。 本文研究工作对于了解钢包温度场和应力场分布、选择合适的内衬物性和膨胀缝和预 测钢包的寿命起到一定的参考作用。 关键词：钢包复合结构体；温度场；应力场；有限元法；膨胀缝 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t l a d l ei sa l li m p o r t a n c ee q u i p m e n to fm e t a l l u r g yi n d u s t r y ；i t sl i f ed i r e c t l yi n f l u e n c e st h e e c o n o m i ce 伍e i e n e yo fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s l a d l et h e r m o m c e h a n i c a ls t r e s sc a l c u l a t i o na n d i t si m p a c tr u l ea n a l y s i sh a v ei m p o r t a n tm e a n i n g sf o ri t sd e s i g na n du s e w h i l ep r e d i c t i n gl a d l e l i f ec a l lm a i n t a i ni ti nt i m ea n di m p r o v ei t sl i f e t h i sp a p e rm a i n l yd o e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c h e s w i t l lt h eo b j e c to fl a d l ec o m p o s i t e c o n s t n l c t i o nb o d y ( 1 ) t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to f l a d l ec o m p o s i t ec o n s t r u c t i o nb o d y , a n de s t a b l i s h s t h em o d e lo fl a d l ec o m p o s i t ec o n s t r u c t i o nb o d y 、撕t l lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eb a s e do nt h et h e o r y o f t r a n s f e r r i n gh e a t i n gs u b j e c t , a n dc a l c u l a t e si t st r a n s i e n ta n ds t a b l et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d o fe a c hc a s eu n d e rc a s e so fp r e h e a t i n ga n dw o r k i n gs t a t e s ，a si sa d v a n t a g e o u st oa n a l y z es t r e s s d i s t r i b u t i o no f l a d l es h e l la n dl i n i n g sa n dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m ( 2 ) t h i sp a p e ro b t a i n sb ya n a l y z i n gt h ei m p a c to l ls t r e s sf i e l do fl a d l el i n i n ge x p a n s i o n s e a m s ：s e t t i n g2m i l l i m e t e r se x p a n s i o ns e a n lc a nr e d u c et h ec e n m c ts t r e s sw h i c ht a k e su pf r o m 1 6t o1 5o fl i n i n gr e s i s t a n c ep r e s s u r ei n t e n s i t y n 忙r e s e a r c ha l s oi n d i c a t e s ：l a d l es h e l l t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sb o t li n c r e a s ew i 如t h i c k n e s sm i n i s h i n go f l a d l ew a l lw o r k i n gl i n i n g ( 3 ) t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h el i f ep r e d i c t i n gm o d e lo f l a d l es h e l la n dl i i n g sw i t ht h et h e o r y o ff r a c t u r ea n dh o ts h o c kd a m a g e ，c a l e u l a t i n gr e s u l t sb a s i c a l l yb e i n gc o n s i s t e n tw i t hi t sa c t u a l l i f ew i t ht h em o d e l 1 1 l er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e rp l a y sac e r t a i nr e f e r e n c er o l ef o ru n d e r s t a n d i n gl a d l e t e m p e r a t u r ea n ds t r e s s f i e l dd i s t r i b u t i o n , c h o o s i n gp r o p e rr e f r a c t o r ym a t e r i a l sa n de x p a n s i o n s e a m s a n dp r e d i c t i n g1 a d l el i f es p a n k e yw o r d s ：l a d l ec o m p o s i t ec o n s t r u c t i o nb o d y ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；e x p a n s i o ns e a m 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 课题研究意义 第一章绪论 钢包、铁包、渣罐、中间包、混铁车等装备都是直接存放铁水或钢水的高温容器，是 炼钢和炼铁工艺过程中的重要设备。因使用条件相当苛刻，这类设备服役状态的好坏和寿 命长短取决于其结构的优化设计、本身所用材质的合理选择、制造质量控制、使用管理和 维护、定期检验检测、合理修复与寿命监控等诸个环节。 在我国，这类装备由于受到很多因素的影响，特别是钢材质量、耐材质量和整体设计 配套、综合使用维护与管理、检验与修理等技术问题尚未完善，这类装备在使用过程中常 出现裂纹，导致依靠频繁焊接修理成为正常维护的必然环节和对策措施，因而维修成本居 高不下，且逐年攀升。目前武钢使用的钢水包和铁水包均为国内制造产品，使用过程中发 现设备故障不断出现，且发生失效的部位不固定，企业维护和修理工作处于被动状态。其 原因之一就是至今国际国内均没有一套完整的钢包技术标准，也较少有人研究如何主动对 设备运行状态及合理的使用寿命进行预测，以形成预测维修与寿命预测的综合管理模式。 钢包在生产周转过程中的热状态，特别是出钢前的热状态，是影响出钢过程和盛钢过 程中钢水温度变化的主要因素。在影响钢包热状态的因素中，钢包在热循环过程中各工序 的耗时为主要因素。而钢包在生产周转过程中各工序的耗时是变化的，钢包吊运环节较多 也较复杂，这一问题显得更为突出。 钢包热循环过程中，从上炉次浇铸结束算起，要经过空包阶段、烘烤阶段、出钢阶段、 盛钢阶段和浇铸阶段。空包阶段包括空包返回、修包等操作环节，盛钢阶段经过的工位和 操作工序最多，出钢结束后，要经过吹氩、吊运和运输、再吹氩，然后进行各种炉外处理 或炉外精炼，最后才输运到连铸工位进行浇铸。整个过程流程长，工序环节多，周转时间 长且变化大。 钢包在使用过程中，最常见的破坏是耐火材料内衬的破裂、蚀损，从而造成钢水的渗 透。耐火材料内衬的损坏原因包括化学侵蚀和热机械应力。其中热机械应力的损坏是造成 耐火材料内衬开裂破坏的直接原因。损坏的机理是由于钢包内衬材料受到急剧的温度变化 而产生热应力使得材料内部的微裂纹逐步扩展，导致内衬材料剥落和断裂。当钢包工作一 段时间产生了内衬破裂、蚀损等破坏现象，必须针对钢包的不同工作状况进行大修、中修、 小维等维修工作以保证钢包的正常运转。维修工作会耗费大量的人力和物力，降低企业的 生产效率。 本课题的研究对于了解钢包在各个工况下瞬态温度场和应力场、掌握工作层内衬物性 和厚度对钢包温度场和应力场的影响规律，这对于钢包的选材和结构设计起到一定的实际 指导作用。另外通过对铜包壳进行寿命预测，及时对钢包进行维护，延长钢包的维修周期， 从而提高钢包使用寿命。因此，本课题的研究有利于降低企业生产成本，提高企业经济效 益，其意义重大。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 2 国内外钢包内衬材料使用的现状与发展趋势 钢包是炼钢生产过程中不可缺少的设备，是炼钢和连铸之闯的中介容器。钢水从出炉 后至浇铸结束，都盛装在钢包内，因此钢包在生产周转过程中的传热，直接影响着出钢和 盛钢过程中钢水的温度变化，而钢水温度的变化对于炉外精炼过程和浇铸过程也将产生很 大影响，并会对最终产品的质量造成影响。要掌握钢包内温度的变化规律，获得稳定的浇 铸温度，就需要研究在各种参数和操作工况下的钢包传热现象和相应的热损失。由于影响 钢水温度的因素有许多，如不同容量、材料和结构的钢包，在不同使用次数、烘烤温度和 时间、出钢温度、出钢时间、盛钢量、吹氩搅拌强度和时间、渣层或保温粉层或包盖情况、 传运时间等等参数的相互影响下，其内的钢水温度波动有相当大的差异，致使浇铸温度不 稳定。而浇铸温度对凝固过程有极大的影响，v p a s c h k i 8 等人【m 】在2 0 世纪4 0 一5 0 年代就对 浇铸钢包内钢水的温降开展了研究工作。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，连铸技术和生产迅猛发展，炉夕 精炼技术广泛被采用。模铸 改为连铸后，加上炉外精炼技术的应用，钢包不再仅仅是运输和浇铸钢水的容器，同时也 是炉外精炼的精炼炉，这就必然延长钢水在钢包内的滞留时间，增加钢包周转过程中的操 作环节，钢水在包时间和浇铸时间都成倍地延长，要求更高的出钢温度。丽为了承受高温 钢水的侵蚀，提高钢水的清洁度和钢包使用寿命，在连铸钢包上逐渐采用了高铝、铝镁质 或铝镁碳质等高级耐火材料取代粘土砖做包衬。这类耐火材料的导热系数和密度都比较 大，增加了钢水的热损失。为补偿这部分热损失，还得提高出钢温度。过高的出钢温度不 仅增加了炼钢生产的难度及各种载能体的单耗，而且增加了钢水的氧化和铸坯中的夹杂 物，严重影响钢水质量。 连铸比模铸要求的浇铸温度更严格。这是因为，连铸时若浇铸温度偏高，不但容易引 起钢包水口失控，而且会使铸坯壳减薄和厚度不均，造成漏钢或被迫降低拉坯速度；同时 会加剧钢水的二次氧化及对包衬耐火材料的侵蚀，使铸坯中非金属夹杂物增多；还会助长 铸坯菱变、鼓肚、内裂、中心疏松与中心偏析等多种缺陷的产生，反之若浇铸温度偏低， 还将引起中间包水口凝结，迫使浇铸中断；同时也容易使结晶器内钢水液面处形成冷壳， 恶化铸坯的表面质量，并对钢的纯净度带来不良的影响。因此，不论从连铸的顺利生产还 是从铸坯质量来说，都必须将钢水浇铸温度控制在一个较窄的合适范围之内。 随着连铸技术的发展，对钢水温度的控制变得越来越重要。而钢包是常用的盛装钢水 的容器，其热工特性制约着出钢温度和浇铸温度。因此，研究钢包在不同操作状况和参数 条件下的传热过程和包内钢水温度变化规律，可以减少连铸过程中钢水温度下降。严格控 制连铸工艺中各工序的钢水温度，以稳定合适的钢水温度进行浇铸的前提是设计合理的新 钢包衬结构，选择钢包烘烤和钢水加热调温设备配制优化方案，也是制定合理的操作规程， 推行标准化作业，科学管理生产的依据。因此，有必要针对武钢的实际情况，进行钢包传 热过程的研究，确保连铸钢水温度的变化适应炉后精炼过程和浇铸过程的工艺需要提供理 论依据”。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 钢包使用寿命的长短不仅关系到耐火材料消耗的大小，而且直接影响到钢水浇铸的正 常进行，所以各国都在努力研究开发各种新型耐火材料，提高钢包的使用寿命，降低耐火 材料的单耗。目前，钢包技术的研究和发展主要集中在炉外精炼和钢包用耐火材料上。炉 外精炼技术是随着连铸技术的普及和不断的发展，为了进一步保证钢水质量稳定，提高钢 的质量，强化冶金反应过程，提高钢的清洁度，控制夹杂物形态而产生并不断发展的。 由于各种精炼方法对钢水的处理目的和操作条件不同，因而要求使用不同性能的耐火 材料与之相适应，以提高各精炼装置的使用寿命。所以，在很大程度上，钢包用耐火材料 技术的发展也是随着炉外精炼的发展而发展的。普通炼钢钢包用耐火材料大致可分为四种 类型。第一种材质为粘土砖、普通高铝砖系列。这种耐火材料适用于钢材外观和内在质量 要求不高，这种材质的耐火材料决定了钢包使用寿命非常低，一般只有1 0 2 0 次，耐火材 料消耗很高。 第二种材质是为克服粘土砖、普通高铝砖使用寿命短等问题而开发的以普通铝镁质浇 注料为代表的不定型耐火材料。镁质材料的引入，大大提高了钢包内衬的使用寿命，钢包 使用次数提高：至l j 4 0 次以上，维护得好，可提高n 7 0 次以上。这种材料也只能适用于钢水温 度不高，未采用炉外精炼时的模铸生产工艺过程。为适应钢包精炼的需要，对于有钢包精 炼的工艺流程，则采用镁铬质耐火材料作为钢包的内衬。 第三种材质，是随着钢水浇注方式由模注改为连铸后，并且各种炉后精炼措施的广泛 采用，大大延长了钢包盛钢时间和钢水温度损失，相应地大大提高了出钢温度，钢包采用 了以镁碳质( 铝镁碳质) 砖为代表的更能抗高温钢水和熔渣浸蚀剥落的耐火材料。这种材 料用于连铸钢包，使用寿命一般能达至l j 7 0 次以上。 第四种材质，是为适应超低碳钢、洁净钢冶炼技术的发展而开发的以高铝( 或刚玉) 一尖晶石浇注料为代表的碱性不定型耐火材料，来代替镁碳质耐火材料。这种材料有以下 作用：消除包衬材料中的c 和s i ，减少对钢液的“污染”进而“净化”钢液；降低了导热 系数，能减少钢液温降、实现低温出钢低温浇铸；进一步提高了钢包寿命，减少了耐材消 耗和钢包数量，降低生产成本，提高产量。 目前我国的小型钢包一般采用粘土砖内衬，使用寿命为1 0 2 0 次，耐火材料单耗为 l o 2 0 k g 吨钢；中型钢包采用高铝砖和镁铝质浇注料内衬，使用寿命一般为2 0 4 0 次； 大型钢包采用优质高铝砖、铝镁不烧砖、铝镁碳砖、铝尖晶石碳砖等，使用寿命己达8 0 次 以上。例如上海宝山钢铁公司2 5 0 3 0 0 吨连铸钢包使用铝镁碳砖，使用寿命一般为8 0 次， 最高为1 2 0 次；使用铝尖晶石碳砖，使用寿命达到1 5 0 次。 近十多年来，国外大型钢包己由使用耐火砖逐步改为用浇注料等不定型耐火材料，相 继开发使用了铝质、铝尖晶石质、镁铝质、铝镁质、镁碳质、镁蜡质、镁钙质、镁钙铝质 浇注料，取得了良好效果【4 】。例如，日本钢管公司福山厂第三炼钢车间3 2 0 t 钢包侧壁使用 铝尖晶石质浇注料，使用寿命达j i l j 2 7 6 次。日本川崎钢铁公司千叶厂第三炼钢车间2 5 5 t 钢 包和水岛厂第二炼钢车间钢包使用铝尖晶石质浇注料，使用寿命达至1 j 2 9 4 次和3 0 0 次以上。 新日本钢铁公司君津厂第二炼钢车间3 1 5 t 钢包以前使用铝尖晶石浇注料，使用寿命1 4 0 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 6 0 次，现在使用铝镁质浇注料，使用寿命为1 8 0 2 0 0 次。美国伯利恒钢铁公司雀点钢厂 2 5 0 3 0 0 吨钢包采用高铝砖内衬时，平均使用寿命为8 0 次以上；a 1 ：0 ，为9 0 的浇注料内衬时， 使用寿命为i 0 1 次。 为适应冶炼洁净钢技术的需要，近年来我国冶金工作者针对我国钢厂的实际情况，经 过联合攻关，研制出适用于大钢包用的高铝一尖晶石质及铝镁质浇注料和适用于中小钢包 用的高铝尖晶石质浇注料。消化吸收了宝钢引进的刚玉一尖晶石浇注料和铝镁浇注料， 创造性地开发出独具中国特色的微孔结构的刚玉一尖晶石和高纯铝一镁浇注料，使宝钢 2 5 0 3 0 0 吨钢平均包龄达2 5 0 次，是原来铝镁碳砖寿命的2 倍以上。目前我国大部分钢厂己 经采用或计划采用该技术。采用该技术的钢厂，钢包寿命普遍提高卜3 倍【5 羽。 纵观国内外，采用不定型浇注料作为钢包的内衬己成为目前的发展趋势。这不仅适应 冶炼洁净钢的需要，同时也适应各种钢包精炼深处理钢水，提高钢包内衬寿命的需要。 1 3 国内外对钢包温度和应力的研究 对钢包温度和应力的研究，是随着耐火材料的发展和炼钢工艺的进步而不断深入的。 早期的工作主要集中在钢包包衬的应力研究上，目的是为了解决生产中出现的包衬砖剥落 和蚀损。随着连铸工艺的广泛采用，钢包的使用条件恶化，耐火材料蚀损严重，钢包壳温 度过高，这些问题导致钢包散热量增加，钢包壳的抗蠕变性能下降，逐渐成为困扰正常炼 钢生产的主要问题。这一时期对钢包的温度和应力分布进行了大量的研究，主要目的是分 析导致钢包壳温度增高、耐火材料蚀损和结构失稳的原因并寻找解决措施。 c a s c h a c h t 7 - s l 利用有限单元法对钢包的典型断面进行了分析。研究结果表明与温度 相关的静态应力等材料数据在确定耐火材料性能方面比动态数据更全面。同时还指出，必 须把耐火泥接缝材料与静态压应力应变数据相结合，才能真正确定耐火内衬材料的弹塑性 特征。此外，为了得到真实的压应力数值，必须详细确定耐火材料的蠕变数据。 冲村利昭等人【9 1 研究了耐火内衬对钢水温降的影响，分别对降低包壁浇注料的热传导 系数、在包壁填充层使用隔热材料和降低渣线段m 9 0 一c 砖的热传导系数三种钢包模型进行 了计算机模拟，并与实测的温度值进行对照。在此基础上，提出了钢包内村的改进措施以 减小钢水的温降。 野村修 1 0 l 对不同耐火内衬的钢包进行了传热分析。运用有限单元法，以二维钢包截面 为分析模型，对三种不同耐火内衬钢包：基准包，保温包( 永久层采用隔热材料) 和低热 导热率包( 工作层采用低热导率) 在内衬温度梯度和温度分布，防止钢水温度下降，内衬 抗侵蚀能力等三个方面进行研究，其结果表明：保温包的内衬及热面温度比基准包高；而 保温包在受钢时的热量与基准包几乎相同。另外，保温包与低导热率包的保温机理是不一 致的。从整体分析上看，低导热率包的i i 景最为看好。另外值得提的是，从计算结果上 可以看出，无论哪种钢包，当经过3 次热循环以后，将达到一种“准稳态”。在这种状态下。 即使工作内衬热面温度发生变化，只会对热面附近很小的区域造成影响而对整个钢包的 温度场不会造成明显的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 野村修、内田茂树、中村良介i l ”描述钢包内衬热传导率对热应力分布的影响。对传 导率在0 1 1 6 5 8 2 范围内进行研究，提出高传导率内衬砖的热应力远小于低传导率引起 的热应力，在产生裂缝的几率方面，高传导率内衬砖低于低传导率内衬砖。 m i l l e tl 等人1 1 2 利用传热学的分析方法计算了五种包壁结构在新包衬和损蚀包衬两 种状态下的温度分布。为了进一步了解包壁的应力分布，他们采用简化的一层模型和简化 的两层模型( 即将所有耐火衬作为一层材料和两层材料处理，与钢包壳组成一个内衬一钢 包壳模型) ，利用简单的数学推导，得到耐火内衬和钢包壳由于热膨胀而产生的热应力计 算式。通过数值计算，总结出影响热应力的众多影响因素中主要的五大因素是：耐火材料 的弹性模量、耐火材料的热膨胀系数、等价膨胀缝、耐火砖升高的温度值以及工作衬的内 径。在此基础上，提出了钢包耐火内衬以及整个钢包的设计原则。该方法简单实用，特别 适用于现场工作人员对钢包作简单的应力计算，得到近似的结果。但该方法也存在较大的 缺点，它无法确定不同工况下的应力分布状态，假定整个耐火内衬处于同样的应力作用下， 这对于结构或使用条件复杂的钢包作精确的计算显然是不适用的。 a g a s t o n 等人【1 3 1 建立了高铝砖、白云石耐火砖，镁砖以及镁碳砖分别作为钢包工作层 的钢包热应力模型，分析了不同耐火工作层下钢包的温度分布以及热损失影响。计算结果 表明：钢包工作层采用镁砖和镁碳砖时，初始预热温度、是否加盖以及精炼和浇注时间对 钢包的温度控制影响较大。这是因为使用这两种耐火材料的热扩散比高铝砖、白云石耐火 砖高两到三倍。因此这种情况下建议使用隔热层，避免钢包壳温度过高。 r 0 r u s s e l 等人【“】对l t v 钢铁公司的长圆形钢包在预热和使用状态下进行了热性能研 究。利用有限元法计算了六种不同模型并结合现场试验，得出了对该长圆形钢包设计的四 条原则： ( 1 ) 钢包渣线平面部分使用坚硬的耐火材料 ( 2 ) 采用初期时缓慢加热钢包的方法减少工作层热面应力 ( 3 ) 使用垂直制约系统来确保水平缝的密闭 ( 4 ) 钢水注入钢包之前，保持工作衬热面温度高于1 0 3 8 c 以避免渗钢。 e s c h e n ”d 6 1 对钢包安全衬使用的致密高强度绝热板的热态及热力学性能进行了评 价。采用有限元分析方法，综合实际材料模型及损伤条件，模拟了具有绝热板和无绝热板 的钢包性能。根据这一研究结果，分析了钢包截面、热量损失、包衬及钢包壳的应力以及 包衬的稳定性，并对使用绝热板的效果进行了对比。结果表明，使用绝热板对降低钢包壳 温度、减少钢水热量损失，增加包衬的稳定性效果明显。 同时，e s c h e n ”】对b h p 钢包工作衬材料进行了热机械性能评价。分别对工作衬为 m g o - c 材料，a 1 ：0 。一m g o - c 材料和磷酸盐作为粘合剂的高铝材料的钢包进行了有限元分析， 分析结果表明，采用a 1 ：o ，- m g o - c 材料作为b h p 钢包工作衬，能够获得工作过程中在温度分 布，材料强度、蠕变行为以及内衬稳定性方面等综合的最佳效果。实际使用也证实了这一 点。 g s s a r m i e n t o 等人8 】开发了一套专用于钢包温度场和热应力场分析软件t e m p c u 。该 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 软件采用有限元法，建立钢包的二维模型，能够对钢包在预热、受钢、精炼和运输、浇注 以及冷却各阶段进行温度场和应力场分析。 与国外相比，国内在钢包温度和应力研究方面所做的工作很少。1 9 8 5 年我国才有了3 0 0 吨级的大型钢包，有关钢包壳温度和应力的计算研究起步很晚，方法和手段也都在不断的 探索总结之中 上海宝山钢铁公司的刘晓、顾文斌等人【1 9 ) 曾对钢包的吸热情况和温度分布进行过一些 分析。在对钢包的吸热情况和温度分布迸行分析时，作者认为影响钢包钢水温降的主要原 因是钢包的状态。不同的钢包状态及预热制度会影响出钢温度、钢水在精炼工位的升温和 降温速率、钢水在中间包中的温度变化等，丽这些影响均可归结为钢包包衬吸热行为的变 化。由于对钢包的现场实测往往无法全面把握钢包吸热和温度分布的规律，所以通过基于 导热方程的分析与数值计算获得系统的规律。作者采用有限差分法，对钢包在不同状态下 的吸热行为进行了数值分析，最后作者得出以下结论： ( 1 ) 包衬温度的数值计算表明，新钢包及热态钢包中温度分布有很大的差异，钢包 壳与安全层之间垫入一层绝热纤维板会起到很好的隔热效果，这不仅有利于包衬的保温， 也大大降低了钢包壳温度，从而保证了在钢包多次循环使用时钢包壳的机械强度。 ( 2 ) 不同的钢包状态会导致不同的出钢温降，因而有必要制定合理的出钢温度补正 制度。因耐材熔损导致的包衬厚度变化对出钢温降的影响不大，因而在制定温度补正制度 时可不予考虑。刘晓、顾文斌等人的分析方法相对而言较为简单，吸热和温度分布计算中 详细考虑了边界条件，但并未对包衬的材料特性进行深入分析，因此计算结果只是在一定 程度上反映了实际状况。 李顶宣【驯建立了等离子体钢包炉传热数学模型，为分析等离子体钢包炉的热行为、优 化其设计和操作参数提供了理论工具。同时还认为，尽量调大冲击区有利于提高加热的钢 水温度和减少耐火材料的熔损。 从立呀等人【2 1 1 利用有限元法对出口日本的3 0 0 吨钢包进行了仿真分析。对宝钢处于不 同状态下的应力进行了计算，优化了钢包壳结构。该分析中仅涉及力学方面的计算，并未 考虑钢包在高温状态下热应力的影响；而且，该研究仅局限于钢包壳的应力分布，并未考 虑耐火材料内衬的应力状态。 金从进等人【2 2 讲算了钢包壁在烘包状态下的温度分布，并研究了包壁工作层、永久层、 保温层的厚度对包壁温度场的影响。 孔建益等人【2 3 】研究了钢包工作层厚度及热传导系数对钢包温度场的影响。 蒋国璋等人1 2 4 1 研究了其钢包和中间包的温度和热应力分布规律，同时对其结构进行了 优化，有效地提高了其使用寿命。 蒋国璋等人【2 5 1 研究了受钢工况下耐火材料物性参数和不同的工作层厚度对包壁应力 场分布的影响，从而为钢包设计提供一些依据。 王志刚等人【冽计算了几种典型的钢包包底结构的应力分布。计算结果表明：整体浇注 式包底的应力水平比砌筑式包底的高；包底工作层增加中档预制件可有效降低包底应力水 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 平。在此基础上，提出了一种优化后的包底结构。计算结果和现场试验表明，优化后的包 底结构降低了包底的热应力，提高了包底工作层的使用寿命。 王志刚等人i ”】运用有限单元法，对钢包底的温度场和应力场进行了数值模拟。计算结 果表明，新包预热后仍处于吸热状态，经数次热循环后才达到“准稳态”；包底工作层 应力值在预热完成后，钢水注入瞬时达到最大；包底工作层热面靠近包壁处的应力比靠近 中心部位高，可在靠近包壁处增设保温装置降低该处应力。 综上所述，从国内外对钢包的研究可以看出，他们的研究主要集中在钢包温度的控制 和不同内衬材料对钢包温度控制以及应力分布的影响。在这些研究中，研究者更多的采用 了钢包的二维轴对称模型或是钢包结构的简化模型。实际上，钢包的二维轴对称模型或是 简化模型，都不能够完全反映钢包的实际情况。钢包作为复合结构体的温度场和应力场有 待深入研究。 1 4 本课题的研究内容 本课题对武钢2 5 0 3 0 0 吨钢包进行三维有限元模拟计算，首先通过对钢包复合结构体 的温度场和应力场分析研究，表明了本文所建立的简化模型和选取的边界条件的合理性， 其次研究了影响钢包温度场和应力场的主要因素，得出了各个主要因素对它们的影响规 律，最后对钢包壳进行了寿命预测，主要研究内容如下： ( 1 ) 钢包复合结构体在烤包阶段和工作状态中瞬态温度场和应力场的模拟； ( 2 ) 工作层内村的物性和厚度对钢包温度场和应力场的影响规律； ( 3 ) 内衬膨胀缝对钢包应力场的影响规律； ( 4 ) 钢包寿命的预测。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章钢包壳和内衬复合结构体的温度场和应力场 2 i 钢包壳和内村复合结构体 钢水温度大于1 5 6 0 决定了盛放、精炼和运输钢水的容器必须至少由两种材料组成， 高温性决定了钢包内衬必须用耐火材料来承受和保持钢水的温度，传输运送的结构稳定性 和强度要求决定了钢包外壳必须用金属。由耐火材料内衬和钢包外壳组成的钢包结构本文 称为钢包壳和内衬复合结构体。 钢包壳和内衬复合结构体模型如图2 1 所示。工作层耐火内衬热面为温度载荷承受对 象，其最高温度超过1 5 6 0 ，钢包壳与周围空气接触，安全层位于工作层耐火内衬和钢 包壳之间。由于工作层内衬温度高，钢包壳温度低，热量将会从工作层传递到安全层内村 和钢包壳上，其传热方式为传导。钢包壳通过对流和辐射向周围空气发散热量。增加安全 层内衬主要是为了降低钢包壳温度，防止铜包壳发生高温蠕变变形，随着使用时间的延长， 进而产生裂纹发生破坏，降低钢包的使用寿命。 耐火内衬包括浇注料、成型砖、砖缝( 填充或不填充耐火泥进行连接) ，各种耐火内 衬具有不同的物理性能，而且它们所处的环境都不一样：工作层直接与钢水、钢渣接触； 外层钢壳和工作层之间的耐火内衬称为“安全层或隔热层”，用来控制热损失和保证外壳 温度维持在许可范围之内。外层钢包壳是用来保持结构的稳定性和提供支撑以便于输送钢 水。耐火内衬在被加热的时候会产生较大的热膨胀。在给定的热边界和机械边界条件下， 耐火内衬主要承受温度梯度和热膨胀载荷，内衬的自由热膨胀收到外壳的限制而产生热应 力。大多数情况下，热应力比重力产生的应力大得多。 工作层和安全层耐火内衬温度很高，由于各个部位温度不同，导致其产生温度梯度应 力，同时由于各种耐火内衬热膨胀系数不一致和空间位置受到约束，将会导致各层耐火内 衬之间产生热膨胀应力。耐火内衬热膨胀对钢包壳会产生挤压应力，同时钢包壳各个部位 由于吸收和释放热量不一致，导致温度有明显不同，故也会产生温度梯度应力。大热应力 和变形将会大大降低钢包壳和内衬复合结构体的使用寿命。 永久层耐火内村 l工作层耐火内衬 工作层热面 圈2 1 钢包壳和内衬复合结构体模型 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 2 钢包复合结构体传热和温度应力 2 2 1 钢包的传热 热量传递是一种最为常见的物理现象，也是一种非常复杂的物理现象。研究复杂问题 的有效手段是将复杂问题按一定的原则分类，使其分解成多个简单的问题，在获得求解这 些简单问题的方法后，原来复杂问题的求解就变得很容易。 将传热进行分类的一个基本原则是按热量传递的不同机理，即热量以何种方式或何种 运动形式进行传递。经过大量归纳总结，人们发现按传热的不同机理，可将传热划分为三 种基本方式：热传导、热对流、热辐射。一个复杂的传热问题可以采用这三种基本传热方 式两两组合的形式传递热量，或者以三者同时都有的形式传递热量【2 吼。 ( 1 ) 熟传导。两个温度不同的物体或同一物体内部温度不同的各部分，依靠物质内 部微观粒子( 分子、原子、或电子) 的运动和碰撞来传递能量的方式为传导。参与导热 的物体一定是彼此相接触的，所以这种热量传递属于接触换热。 o = 从t j( 2 1 ) 其中，西为通过物体某一均匀平面的热流量，t 为物体两侧的温度差( k ) ， 五为导热率( w ( m k ) ) ，艿为板厚( m ) ，a 为板的面积( m 2 ) 。 ( 2 ) 热对流。对流是流体各部分因为内部的温度不同而引起的宏观相对运动，并通 过相对的运动引起热量的传递过程。工程中常常遇见的是流体通过一固体表面时发生的 流体和固壁之间的换热，这种换热过程为对流换热，可见对流换热也是接触换热。 = a 6 e t ( 2 2 ) 其中，为通过物体某一均匀平面的热流量，t 为物体两侧的温度差( k ) ， a 为对流换热的表面积( m 2 ) ，口为表面对流换热系数( w ( m 2 k ) ) 。 ( 3 ) 热辐射。通过电磁波来传递热量，所以这种传热方式为非接触换热。一般物体 发射能力的大小和物体表面的温度有关，温度越高，发射辐射能就越多，但并不是成正比 例关系。物体发射能力的大小还受到表面状况复杂的影响，温度相同而表面状况( 粗糙度、 金属的氧化情况等) 不同的物体，其辐射能力可能存在很大的区别。 在一般的三维无内热源问题中，瞬态温度场的场变量t ( x ，y ，z ，t ) 在直角坐标系 中应满足的微分方程为： 声詈= 昙( 联詈) + 丽0 ( k ，8 t + 昙( k 争 c 2 - 3 ) 其中，p 材料密度( k g m 3 ) ，c 为材料比热( j ( k g k ) ) ，t 为时间( s ) ， 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 矗，、“，、 z 分别为材料沿不同方向的热传导系数( w ( ”k ) ) 。 由此可见，温度分析计算时除了要确定钢包壳及各耐火内衬的导热系数、钢包壳与周 围环境的热对流系数，还要确定钢包壳及各耐火内衬的密度和比热。 ( 4 ) 钢包传热的数学模型。在钢包热循环的整个工艺过程中，钢包的温度变化幅度 不大，在某一瞬时整个钢包的温度分布可以看成是轴对称的：在浇注回转台上，可以认为 钢包的温度变化是趋于平衡状态的。基于以上这两个假设，采用轴对称的传热模型和单层 法，对钢包进行传热学的研究。 采用轴对称模型的传热计算方法 2 9 】是把整个钢包看成一个圆桶，钢包壳的传热主要是 以对流和热辐射进行的。在计算时，把工作层、安全层、钢壳这三层壁看作是一维稳态温 度场，钢包内衬热面的温度按钢水的温度计算，不考虑钢水在靠近工作层附近的热分层现 象。 周围环境 i r or l1 2r 3 钢水 钢包壳 永久屡 工作层 衅哿 ) 1 1 1 r = ! 三 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 r ：上 2 r c l + 趟+ 盟+ 二 k 2k 3 口 ( 2 6 ) 其中，k 1 为钢包壳的导热率，k 2 为永久层耐火材料的导热率， k 3 为工作层耐火材料的导热率，口为考虑钢包壳辐射和对流的综合换热系数。 求出单位长度上的热通量后，可以用式( 2 7 ) 计算各个交界面上和钢包壳表面的温 度值，式( 2 7 ) 为钢包壳的温度计算公式，对于包衬内交界面上的温度值，只要去掉不 相关韵热阻项即可算出相应的温度值。 t o = t - q 其中，q 为通过钢包侧壁的热流通量。 2 2 2 钢包的温度应力 ( 2 7 ) 钢包各部分由于温度的不同在钢包内产生温度应力，由于热膨胀系数不同和受到约 束导致钢包各部分之间产生膨胀压力。 钢包热应力t 3 0 1 计算的过程一般可以分成以下几个步骤：首先根据钢包的温度分布和 钢包各部分的热膨胀系数计算在特定约束条件下的变形( 钢包内各点的变形位移) ，然后 利用几何方程由变形位移计算钢包内各点的应变。最后根据钢包材料的物理方程( 应力 与应变的关系) 由应变计算钢包内各点的应力。 ( 1 ) 钢包应力场几何方程应变一位移关系 用矩阵的形式可表示为： u ( 2 8 ) o o a一瑟o a一砂at蔷 o a 一勿o a一舐a一昆o a一敏o o a一勿o a 一七 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 其中，占= & s 乞 7 为钢包内任一点的应变， l j = 【u vw 】7 ，u 、v 、w 分别表示沿x 、y 、z 方向的位移。 根据以上的应变由钢包的物理方程计算出钢包内各点的应力，且钢包所受力符合平衡 方程。 ( 2 ) 钢包应力场物理方程应变应力关系 用广义虎克定理表示为： 一 e ( 1 一u ) 舻而丽i 蔫历( 1 + u ) ( 1 + 2 u ) 1 l l00 l ul d l 1 l 00 1 一u1 一u 生生 100 ooo 旦o 2 ( 1 一u ) 。 。芝1 而- 2 0 o00 00 o ( 2 9 ) 其甲，e 为捍任俣莹，d 7 7 刑糍匕l o ( 3 ) 钢包平衡方程 对于三维问题，钢包内任一点沿坐标x ，y ， z 方向的平衡方程为 亟+ o c j c xq _ 亟+ ：0 础泖以 堡+ 堡十翌+ f ，：o 缸却 忽 堡+ 坠+ 堕+ f ：o ( 2 1 0 ) 融卯 6 z 其中，f x 、f y 、f z 为钢包单位体积的体积力在x 、y 、z 方向的分量。 ( 4 ) 钢包温度应力1 0 1 。 定量的估算热负荷引起的钢包壳与耐火衬应力的公式，各国的工程师们都进行过推 导，但是所用的方法要么过于复杂，不方便计算，要么推导过程中的假设和模拟方式太理 想化，因此，急需有一种简化方法，既能采用切合实际的假设进行模拟，又能快速确定出 耐火衬和钢包壳的应力值，从而帮助工程师们计算出不同类型耐火材料与厚度对应力产生 生 o o o o 乞一卜 ，一越 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 的影响、耐火砖的膨胀对钢部件应力的影响、以及对钢包使用寿命的影响。正是在这种情 况下，美国的学者m i l l e tl w e i 推导了单层法的计算公式，用于计算钢包的温度应力。 单层法的计算原理是把耐火材料看做单层的环，而把钢包壳看作是另一个环，同时这 种方法采用了一个经验参数一等效间隙，用等效问隙来表现耐火砖之间径向和周向上的 初始松动或缝隙以及耐火泥的收缩性，同时也用来校正建模过程中的简化方式和调整高温 条件下耐火砖性能不稳定的清况，图2 3 为单层法的计算简图。 图2 3 单层法的- e r 算简图 等效间隙参数被看作是砖衬与钢包壳交界面半径的函数，函数表达式中的系数是根据 过去的经验与分析研究工作而确定的。钢包预热期间，由于包衬的膨胀使钢包壳产生应力， 而且钢包壳的最大应力值也在这个期间出现，钢包壳的最大应力值由式( 2 1 1 ) 来计算： q = 粤 ( 2 1 1 ) 耐火砖衬的应力由式( 2 1 2 ) 来计算： 气= 磊 泣 相互作用压力由( 2 1 3 ) 来计算： p：jl(213) 其中： a = 苦( 舞一_ b = 专( 和 瞻瓦柄飞1 p 为衬砖和钢包壳之间相互作用力，q 、c r b 分别为钢包壳和衬砖膨胀引起的应力， 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 ，r 2 分别为包衬内外径，t s 为钢包壳厚度，吒、气分别为钢包壳和衬砖的热膨胀系， x r , 、t b 分别为钢包壳和衬砖的温度增量，e 。、e 。分别为钢包壳和衬砖的弹性模量， 坫、分别为钢包壳和衬砖的泊松比， g 为钢包壳上的经验等效间隙，取界面半径的o 0 7 5 。 2 3 钢包热循环系统 炼钢生产中，钢水从出炉后至浇铸结束再到下一炉出钢开始，称为一个热循环周期， 钢包在生产周转过程中的传热，直接影响着出钢和盛钢过程中钢水的温度变化，而钢水温 度的变化对于炉外精炼过程和浇铸过程也将产生很大影响，并会对最终产品的质量造成影 响。 2 3 1 钢包热循环过程 钢包从转炉出钢、装钢到下一次转炉出钢、装钢期间所经历的热循环过程，一般可以 分为如下几个主要阶段：( 1 ) 转炉出钢、钢包装钢：( 2 ) 静置传送；( 3 ) 钢包精炼处理( 如 吹氩搅拌、脱气、去夹杂和钢水调温等) ：( 4 ) 传运待浇；( 5 ) 浇铸；( 6 ) 翻包倒渣及钢 包修整( 水口滑板更换及包内检查修补等) ；( 7 ) 空包传运；( 8 ) 烘烤预热：( 9 ) 空包传 运藕等待转炉下次出钢。其中，从出钢开始至浇铸结束前，钢包内有钢水，浇铸结束后至 出钢开始前，钢包内无钢水口“。图2 4 给出了这一热循环过程的筒图。 圈2 4 钢包热循环过程示意圈 正常生产中的钢包，在每一个热循环过程中各个工序的耗时变化及钢水温度变化都很 大，为热模拟计算的方便，各工序耗时采用统计的平均结果。钢包加盖时间生产报表中不 作记录，无法从生产数据统计，而是通过跟踪试验观察雩导到。此外，盛钢过程中，钢包要 经过出钢、炉后欧氩、l f 吹氩、l f 电加热及r h 真空处理的操作。这些操作工序过程中， 影响钢水温度变化的因素很多也较复杂，难以进行数学模拟，所以本钢包热循环模拟计算 中只计算出钢包欢氩，其它工序钢水温度的变化采用相应工序过程钢水温度平均变化速度 计算，而后者由生产数据统计得到。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 2 3 2 钢包的烘烤制度与规范 在实际生产中烘烤过程又可分为三次烤包阶段【3 2 1 ： ( 1 ) 砌筑永久层后烤包阶段。目的去除永久层中的水分，时间为8 小时。烘烤时间 结束后钢包复合结构体的温度降到室温，并准备包底和包壁工作层耐火砖的砌筑。 ( 2 ) 砌筑工作层后烤包阶段。烤包去除工作层中的水分，烤包过程在2 4 小时后外界 施加给钢包内部的温度可以达到1 0 0 0 ，并为恒定的温度值。在这段时间内钢包处于吸热 状态，为钢水注入作好准备。 ( 3 ) 砌筑完毕后保温阶段。武钢现用钢包数量为2 2 个，钢包在进行前两次烤包阶段 后将运送到工作区等待，为防止钢包内衬的温度降低要对其进行保温烘烤。 对于新砌筑的钢包以上的三次烤包过程是必不可少的，而对于旧包则只需要后面两次 烤包阶段。而且，不论是新包还是旧包都必须严格按照烤包曲线进行烘烤，以缩小砖缝， 防止漏包事故，同时减轻受钢过程中钢水对包衬的热冲击。 根据现场测量，得到钢包烘烤曲线如图2 5 所示。 1 2 0 0 l o o o 一8 0 0 p j ， 遗6 0 0 赠4 0 0 。 2 0 0 o1 22 02 4 烘烤时问( h ) 图2 5 钢包烘烤曲线 烤包结束后钢包进入受钢阶段，钢水注满后钢包运送到连铸设