（机械设计及理论专业论文）钢包透气砖热应力分析研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 为了提高钢包二次精炼效率，通常在钢包底部设置底吹氩透气砖，通过氩气的搅拌作 用对钢水温度和成分进行有效均化，并使非金属夹杂物顺利上浮。透气砖是炉外精炼工艺 能否顺利实施的关键功能元件，其使用寿命的长短直接影响钢包的正常周转和生产成本。 钢包透气砖在使用过程中，最常见的破坏是其工作热面耐火材料的蚀损、破裂，造成 钢水的渗透。耐火材料的损毁主要原因包括化学侵蚀、机械磨损和热应力。其中热应力的 损毁是造成耐火材料开裂破坏的直接原因。因此，模拟分析透气砖在各个状态下的温度场 分布以及由此而产生的应力分布对提高透气砖耐火材料的使用寿命具有指导的意义。 本文以某钢厂2 1 0 吨钢包为研究对象，主要研究了以下内容： ( 1 ) 建立钢包透气砖结构体的三维有限元模型，基于传热学理论，应用a n s y s 有限 元软件分析了钢包透气砖结构体在各个状态阶段的温度场和应力场分布，这有利于分析钢 包透气砖结构体温度场、应力场及其分布规律； ( 2 ) 模拟计算了钢包透气砖结构体导热系数、热膨胀系数和弹性模量对钢包透气砖 结构体温度场、应力场的影响，计算研究表明，耐火材料的导热系数越高，钢包透气砖结 构体温度梯度越小，由于温度梯度而产生的应力较小。耐火材料的热膨胀系数和弹性模量 越大，透气砖耐火材料工作热面附近产生的应力越大。 ( 3 ) 计算分析了钢包透气砖之间的透气砖座砖预留缝以及透气砖与钢包透气砖座砖 预留缝的接触，计算透气芯和座砖温度分布以及由此而产生的应力分布，为钢厂透气砖座 砖预留缝的钢包的砌筑提供理论依据。 本文通过模拟计算钢包透气砖结构体温度场和应力场分布，在一定程度上，对钢包透 气砖结构体的砌筑和制作工艺具有指导意义。 关键词：透气砖；温度场：应力场；有限元法；接触分析 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt 0i m p r 0 v et h ee m c i e n c yo fs e c o n d a r yr e 矗n i n gl a d l e ，u s u a l l ys e ta tm eb o 怕mo f t h el a d l eb o t t o mb l o w i n ga r g o np u 蝤n gp l u 岛t h r o u 曲m er 0 1 eo fa r g o ns t i r r i n gm o l t e ns t e e l t e m p m 鹏a n dc o m p o s i t i o no fe f f e c t i v eh o m o g e n i z i n a i l dn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n 廿l e s m o o m s u r f a c e p u r 西n gp l u gi st h es e c o n d a 拶r e 6 n i n gp r o c e s so nm es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no f t h ek e ym n c t i o n so fc o m p o n e n t s ，t h el e i l g mo fi t sl i f el a d l ead i r e c ti m p a c to nm en o 肌a l t i n o v e ra n dp r o d u c t i o nc o s t s l a d l ep 嘶n gp l u gi nt h eu s eo ft h ep r o c e s so fv e n t i l a t i o n ，t h em o s tc o m m o nd 锄a g ei st h e w o r ko fm eh o ts i d er e 行a c t o r ye r o s i o n ，m p 彻e ，r e s u l t i n gi nt h ei n f i l 仃a t i o no fm o l t e i ls t e e l t h e m a i nr e 弱o no fd 锄a g et 0r e e a c t o r ym a t e r i a l s ，i n c l u d i n gc h e m i c a le r o s i o n ，m e c h a n i c a la b r a s i o n 趾dm 锄a ls 仃e s s t h e 咖a ls 仃e s sw h i c hi sc a u s e db yd a m a g et 0n l er e 舳c t o r yc r a c k i n gt l l e d i r c c tc a u s eo fd 锄a g e t h e r e f o r c ，m es i m u l a t i o na 1 1 a l y s i so fp u r i n gp l u g si nv a r i o u ss t a t eo ft h e t 锄p e r a t l l r ed i s t r i b u t i o na 1 1 dt 1 1 er e s u l t i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o no fr e 疔a c t o r ym a t 嘶a l st 0e n h a i l c e t h el i f eo fp u r g i n gp l u gg u i d i n gs i g n i f i c a n c e i l lt 1 1 i sp a p e r ，2lom e t r i ct o n so fs t e e las t e e lp a c k a g ef o rt l l es t u d y t h ef o l l o w i n gm a i n e l c l n e n t s ： ( 1 ) t h ee s t a b l i s h r n 即to fl 硼ep u r i n gp l u gs t m c 眦eb r e a t h a b l e 缸e e - d i m e i l s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e l ，b a s e do nt h eh e a t 舰n s f 打t h e o r y ，t h ea p p l i c a t i o no f1 e i n i t ee l 锄e n ts 0 f t w a r e a n s y sa 1 1 a l y s i so fl a d l ep u r i n gp l u gs t m c n 】r ep e n n e a b i l i t ys ta _ t ei nv 撕o u ss t a g e so fn l e t 锄p c r a 臼聆f i e l da n ds t r e s sf i e l dd i s m u t i o n ，w h i c hi sc o n d u c i v et 0 缸a l y s i so fl a d l ep 谢n g p l u gs 缸u c t u r eo ft 锄p e r a n l r ef i e l d ，s t r e s sf i e l da 1 1 di t sd i s t r i b u t i o n ； ( 2 ) s i m u l a t i o no ft h el a d l ep 谢n gp l u gs 缸u c t u r eb r e a t h a b l em e n i l a lc o n d u c t i v i 饥t l l e 吼a l e x p a n s i o nc o e 施c i e n ta n de l a s t i cm o d u l u so fl a d l ep u r i n gp l u gs 虮l c t u r et e m p e r a t u r ej e i e l d ，s t r e s s 6 e l d ，c o m p u t i n gs n l d i e sh a v es h o 、v nt h a tm eh i g h c rm et h e 肌a lc o n d u c t i v i t yo fr e f h c t o r ) ， m a t e r i a l s ，v e n t i l a t i o nl a d l ep u r i n gp l u gt h es m a l l e rt h et 锄p e r a t u r e 孕a 击e n t ，t e m p e r a t l l r e 伊a d i e n ta sar e s u l to fs 骶s sc a u s e db y 也es m a l l 既c o e f j e i c i e n to ft h e n n a le x p a n s i o no f r e 疳a c t o r i e s 锄dt h e 伊e a t e rt h em o d u l u so fe l a s t i c i 吼a i rp e h n e a b i l i t yr e 纳c t o 巧p u 矗n gp l u g w o r kn e a rt h eh o ts i d eh a v ea 孕e a t e rs t r e s s ( 3 ) c a l c u l a t i o na i l da n a l y s i so fl a d l ep u r i n gp l u gb r e a t h a b l ea i rb e t w e e nt l l ep u r i n gp l u g j o i n t s ，舔w e l la sr e s e e ds e a tp u d n gp l u gb r e a t h a b l ea i rl a d l ep u r i n gp l u gw i t hp u r i n gp l u g p 证n gp l u gr e s e r v e ds e a te n g a g 锄e n ts e 锄t oc a l c u l a t em e c o r ep e 衄e a b i l i t ya j l dt e i 】1 p e r a l m r e d i s 硒b u t i o no fp u r i n gp l u gb l o c k sa n dm er e s u l t i n gs t r e s sd i s 埘b u t i o nf o rb l o c kp u r i n gp l u g p u r i n gp l u gm i l lv e n t i l a t i o ns l i tr e s e r v e dl a d l eo f t h em a s o m ya l l dp r o v i d ea m e o r e t i c a lb a s i s i l lt h i sp a p e r ，s i m u l a t i o nl a d l ep u 曲gp l u gt e m p e r 锨l r ej c i e l da n ds t r e s sf i e l dd i s t f i b u t i o n ，t 0 ac e n a i ne x t e n t ，t h ep e m l e a b i l i t yo fl a d l ep 耐n gp l u gm a s o n r ys t r u c t u r ea i l dt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：p u r i n gp l u g ；t e r i l 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 锄e n tn l e t h o d ；c o n t a c t a 1 1 a l y s i s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 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品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果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。本人完全了解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 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名 指导教师签名 日期 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 课题的研究意义 随着冶炼技术的不断发展，炉外精炼技术已成为炉后生产不可缺少的工艺环节。在众 多的炉外精炼技术中，钢包底吹氩是投资最少、操作简便的炉外精炼技术。透气砖工艺技 术的推行是当前钢铁行业高效生产的先进技术之一，该技术通过热装热换的方式能够有效 提高钢包周转率、降低炼钢成本。 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。 钢包透气砖结构体在使用过程中，最常见的破坏是其工作热面耐火材料的破裂、蚀损， 从而造成钢水的渗透。耐火材料的损毁主要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开裂破坏的直接原因。损毁的机理是由于钢包透气砖结构体耐一 火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，导致耐火材料 剥落和断裂。当钢包透气砖结构体工作一段时间产生了耐火材料破裂、蚀损等破坏现象， 必须针对钢包透气砖结构体进行更换维修工作才可以保证钢包的正常运转，更换工作会耗 费大量的人力和物力，降低企业的生产效率。 钢包采用内装式透气砖的底吹氩技术，但是存在包底冷修次数多，钢包的周转率低， 同时由于冷修急冷急热造成的耐火材料剥落严重，透气砖耐火材料寿命低等问题。因使用 条件相当苛刻，这类设备服役状态的好坏和使用效果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。因此，提高钢包热周转率，减少钢包下线冷修次数对提高钢包系统的保障能 力具有重要意义。 本课题的研究从计算钢包透气砖结构体在各个工况阶段下温度场和应力场出发，分析 耐火材料物性参数对钢包透气砖结构体温度场和应力场的影响规律，力争对于钢包透气砖 结构体的选材和结构设计起到一定的实际指导作用，从而提高钢包透气砖使用寿命。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。 1 2 炼钢底吹氩技术的国内外现状 近年来，用户对钢材的质量提出了越来越高的要求。从技术上看，钢材质量高主要表 现在其纯洁度高、各向异性小、合金成分偏差范围小等方面。按传统方法在大气中冶炼， 即使精心操作，也就是基本满足质量要求，此方法也会造成生产率低、成本上升的不良后 果。因此必须增加采用炉外精炼技术，炉外精炼既能满足各种各样的质量要求，又为提高 生产率、降低生产成本提供了保障【。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 钢包作为炼钢工序和连铸工序之间的中间容器，是炼钢过程中不可缺少的工艺设备。 它不仅是运输和浇注钢水的容器，同时也是炉外精炼的精炼炉。当转炉出钢的钢水进入温 度较低的钢包时，立刻被钢包吸收部分热量，加上钢包外表不断散热，会出现钢包底部、 中部和上部钢水温差较大的现象。大型钢包的钢水温差可达到3 0 7 0 。钢水温度的不 均匀性将给接下来的连铸工艺及铸坏质量带来一系列严重的问题。当出钢温度较高时，高 温浇注易造成某些元素较严重偏析，以致产生铸坏裂纹等缺陷，有时还会造成漏钢事故， 降低连铸作业率。即使在合适的出钢温度条件下，由于钢水温度不均，装钢时钢包底部流 出的钢水温度较低，钢液流经中间包放热进一步降温，就会造成装钢中期温度偏高，而后 期温度偏低。因此，钢水因各炉温度变化，浇注速度也要随着变化，这便造成了工艺操作 的复杂性和不稳定性。钢包底吹氩技术对于改善钢水的温度不均匀性起着至关重要的作用 【i 】 o 氩气是一种惰性气体，和钢液不发生作用，也不溶于钢。吹氩形式通常有两种：顶吹， 即用喷枪插入钢包内的钢液中，在接近包底处将氩气吹入钢液中；底吹，即通过安装在钢 包底部一定位置的透气砖( 或其它形式的喷口) ，将氩气吹入钢液。氩气形成大量小气泡， 对钢液中有害气体 h 】、 n 】、脱氧产物c o 来说，相当于无数个小真空室，可逐渐将这些气 体带走，原理与真空脱气一样，而且从动力学条件来看更为优越。因氩气泡上浮时引起钢 水搅动，提供了气相形核和央杂颗粒碰撞聚集的机会，故有利于气体、夹杂物的上浮及排 除【2 1 。 当前在冶金企业中，顶吹氩( 浸入式喷枪吹氩) 与底吹氩两种方式均在生产中应用，底 吹氩的搅拌效果明显强于顶吹氩，由于底吹氩是从钢包底部进入熔池，所以气泡在上浮过 程中的距离比顶吹氩长，气泡对钢水的搅拌作用增强，其所做的搅拌功远大于顶吹氩，且 底吹氩由于是从底部喷嘴中喷出，容易形成小气泡的核心，对气泡的形核有利。底吹氩在 钢水搅拌过程中不会像顶吹氩那样有喷吹死区，对钢水的搅拌是全方位进行，底吹氩的膨 胀上浮比顶吹氩明显强烈，钢包底部的死区是顶吹氩的缺陷，在底吹氩可避免。底吹氩， 在吹氩站停留时间缩短，氩气利用率提高，用量减少，精炼效果提高，满足转炉和连铸的 生产匹配，可减少走l f 炉路线的炉数，提高产量增加效益。从实际应用效果来看，底吹氩 要优于顶吹氩。 s z e k e l y 3 】采用数学模拟方法研究了氩气喷吹钢包内钢液的流动行为，使用时均n s 方 程和k - e 双方程湍流模型计算流场。s z e k e l y 提出气体与钢液之间是气一液问的摩擦作用促使 钢液向上运动而引起循环流动，并假定气径的柱形简内，两相中气泡为球形，气泡从底部 喷嘴不断向上运动，其左右相当连续向上的圆棒托动熔池流动进入循环，首次将流体力学 的研究方法引入研究钢过程中。 s e o n h v o 硒m 【4 】采用一种传输的百里酚，在一定相似比例的钢包模别模拟熔渣和钢水， 试验了两种不溶的液体之问的传质。百旱酚在油和水之间衡百分比，与硫在渣和金属之间 传输相类似。把测定的传质速度作为用于钢包冶金通常遇到的的系统参数。传质与气体流 量的关系表现出有三个性质不同的气体流量范围各自表现出有不同的函数关系。并发现在 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 第一与第二气体流量范围边界上的临界量是气体喷嘴位置、渣一金属体积比、两相的比重 和界面张力的函数。 j o h a n s 肌【5 】利用数学模拟的方法，将钢包简化为圆简型，利用p h o e n i c s 软件，计算二 维条件下钢包中心喷吹时的流场。同时用水模型进行验证，对比轴向不同位置绝对沿径向 的变化，计算值和实测值基本吻合，该模型结果接近实际情况。 s z e k e l ，6 1 等用数学模拟和物理模拟方法对吹氩钢包内的流动现象进行了研究们假设了 气液两相区为圆柱形，认为位于气液两相区与周围液体的切应力为驱使液动的动力，而完 全没有考虑气泡的作用，因此，所得出的结果并不能真正反映出吹包内的流动特征，而只 能是一个定性的描述。 颜慧成【7 】等对江阴兴澄钢铁有限公司1 0 0 吨钢包弱搅拌进行水模拟实验研究，比了吹氩 方式和喷吹气体流量对钢水均混时间、夹杂物上浮和流场分御三方面的影响。果表明：双 孔喷吹比单孔喷吹效果好：在相互垂直的1 2 r 上采用双孔喷吹较合理；在一定的时间内周 期轮流喷吹搅拌有益。 张胤【8 】等应用已开发的三维柱坐标系流体流动计算模拟软件，研究了首都钢铁公司第 二炼钢厂钢包吹氩过程中钢液的循环流动过程。结果表明，在中心吹氩条件下，钢液的循 环流动呈现二维流动的显著特征，回流中心大致位于距底部4 5 h ，距中心2 3 r 处。 幸伟p j 以1 3 0 吨钢包为原型构建了几何相似比为l ：4 的水力学模拟，同时建立数学模 型，使用p h o e n i c s 软件进行流场计算。结果表明，底吹气搅拌时，混匀时间会随着气流 量增大面缩短，但存在一个临界喷吹量，超过临界喷吹量液面剧烈翻滚，引起卷渣。对比 单喷嘴喷吹与双喷嘴喷吹模式，在相同的吹气量下，双喷嘴喷吹搅拌效果好，混匀时间短。 同时发现在一定范围内增大两喷嘴问距，有利于缩短混匀时间，减少漩涡卷渣发生的机率。 但喷嘴不宜太靠近包壁，避免发生剪切卷渣。通过实验分析，距中心距离为0 6 i o _ 0 6 5 r 为最佳喷吹位置，实际生产中吹氩量不宜超过5 0 m 3 。 任三兵【l o 】等以3 0 0 吨双孔喷吹钢包为原型建立数学模型，模拟了同一吹气量条件下， 钢包双孔不同位置布置时流场流动情况。对比说明了双孔不同位置布置时对流场的影响和 对钢包底部流动情况的改善：统计了6 种双孔布置方式下，钢包中钢液的死区比率，提出 在钢包设计和实际生产中，采用双孔4 5 0 ，距中心l 2 r 处布置为宜。 潘贻芳j 等以天津钢铁有限公司1 0 0 t 偏心底吹氩钢包为原型，通过建立数研究了偏心 底吹氩钢包内钢液流场，并分析了该流场的主要特点。结果表明，在偏心底吹氩钢包中， 钢液形成一个三维流动体系，纵向形成了以沿气液相区钢液表面包壁包底为轨迹的大循环 流场，横向形成了以喷嘴所在直径为轴的一个对称循环流场。在吹气量一定的情况下，底 吹喷嘴位蜀对流场有较大影响。 李碧霞【1 2 】等采用水力学模型试验方法研究了不同示踪剂加入位置、不同透气砖布置方 式以及不同送气量对钢液混匀时间的影响。结果表明，示踪剂偏向中心位置加入时，混匀 时间较短；对于同样的底部送气量，双喷嘴送气混匀时间较短，搅拌效果较好。两喷嘴垂 直分布时，送入气体搅拌效果不如两喷嘴对称分布在同一直径上的好：混匀时间随气体流 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 量增大而减少，两喷嘴对称分布时气体流量与混匀时间呈幂函数关系，得到的经验关系式 如下：f = 4 2 8 7 7 d 0 2 4 3 5 。 朱苗勇【1 3 】等通过对多孔喷吹钢包内流动和混合过程的数学模拟和物理模拟，考察了六 种不同喷吹方式下钢包内的流动及混合特征。提出了能获得以软吹为目的的喷嘴布置及喷 嘴个数对混合时间影响的关系式。实验结果表明，喷嘴布置方式对钢包内的流动和混合影 响很大，不对称的喷吹布置有助于增加角向动量，严格的对称布置在包内几乎无角向运动。 单孔偏心底吹布置，包内均混时间最短。示踪剂加入位置尤其是在喷嘴严格对称布置条件 下对包内混合影响较大。采用多孔喷吹完全有可能达到软吹且快速混合的效果，喷嘴相对 布置在离中心1 2 r 处较为合理。 1 3 透气砖的国内外研究现状 炼钢工作者从6 0 年代中期就开始开发应用钢包吹氩处理钢液的技术。钢包吹氩是一 种最基础且较为简单的钢液炉外精炼处理技术，世界各地普遍推广应用。它既可单独应用， 也可辅助其它炉外精炼装置来加强精炼功能。此技术经过近3 0 年的发展，从顶部喷吹搅 拌到罐底供气搅拌，在不断总结经验的基础上，对不同供气搅拌方式的特性和冶金效果进 行了大量的试验研究，现在以其设备简单、使用性强、可靠性高、操作简便灵活、成本低 廉而广受炼钢工作者的青睐。 钢包吹氩开始采用吹氩枪，顶吹氩。后来逐步发展为透气砖，底吹氩。钢包底吹氩与 顶吹氩比较，有如下优点【2 】： ( 1 ) 成本低。采用底吹氩，透气砖寿命与钢包同步，一般吨钢只需0 2 5 元，而项吹喷 枪一般寿命3 4 次，吨钢成本1 5 元。 ( 2 ) 操作简单方便。底吹氩透气砖与钢包寿命同步，只需在砌造时将透气砖砌入包底， 吹氩时用快速接头连接软管一插即可；而顶吹氩要经常更换吹氩枪，一般3 4 次换一只， 装枪烘烤费工费时。 ( 3 ) 安全性高。底吹氩透气砖结构合理，可确保不漏钢，排除顶吹氩，吹氩枪断到钢水 里降低钢水质量的问题。 综上所述，目前世界上大多数国家己全部采用底吹氩工艺，而淘汰顶吹氩，我国也是 如此。 1 3 1 透气砖的发展 透气砖是钢包底吹氩最重要的元件，透气砖的好坏直接影响底吹氩的效果。透气砖的 发展经历了一个曲折的过程。上世纪5 0 年代初期，e s p i r e 【1 4 】首先开始在全规模生产上用 氩气通过多孔介质，来搅拌钢水，直到上世纪6 0 年代中期，出现了较好的透气净化材料， 能使钢水充分均匀化和脱气，才得以推广。透气砖的发展，主要经历了三代。 第一代粘土质弥散型透气砖由于气孔的不确定性，气流速率难以控制，不耐冲刷侵蚀 其使用寿命低。采用环缝和组合，搅拌起来引导气体而不必固定通道，会出现大气泡的相 互融合，在许多方面对钢水处理有不利影响。气泡融合在一起不可能均匀透过钢水熔池， 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 它仅对凝结和钢熔池的隔离区有影响。由于这些大的融合气泡消耗了大部分气体，因而不 可能使合金元素均匀化。有时也出现难以控制的熔池运动，这是由于气泡群拥挤造成的。 尤其对钢液和渣层间的过渡区产生不利影响。因为大气泡会使这里存在的来自渣层的杂质 重新返回钢熔池中，反而降低了钢的洁净度。由于脱离透气砖表面的大融合气泡速度明显 降低，从而抵消了所有的效果，形成了所谓的“反冲击作用 。这样就会因对透气塞和周 围区域( 水口和座砖) 的冲蚀而产生额外的损毁。严重的冲蚀会使透气陶瓷出现凹面的蚀 损形式，残留钢液和渣在炉次间隙固化，导致透气性能不良。 第二代刚玉质直通型透气砖又因重复开吹率低而影响吹氩效果；它使惰性气流通过定 径通道进入钢熔池，最初微气泡能够喷射进入钢液中。保持一定的通道间距以避免大气泡 形成，然而这会限制冶金作业的机动性。由于这种通道技术不能提供足够可靠的透气性， 进一步变化水口和座砖乃是必要的。外来颗粒反复堵塞通道，透气作业过程中在砖体内部 无法实施吹氩工艺和陶瓷砖与砌面之间的气体间断会降低通道内的压力，导致钢水回吸进 入通道中，结果造成透气效果恶化，最终彻底堵塞。 第三代刚玉质狭缝式透气砖弥补了上述缺陷，具有通气量大、搅拌效果好，重复开吹 率高、抗冲刷耐侵蚀、高温性能好等特点。提高钢包底吹效果必须综合考虑提高透气砖的 抗热震性、抗冲刷和抗渗透性。在静态钢液中，透气砖只受到钢水的熔蚀、热震剥落和化 学侵蚀，对于高熔点、化学稳定性强的材质，熔蚀是很小的。因透气砖位于钢包底部，钢 包周转温度波动较小，对透气砖抗热震性要求不高。在吹氩过程中，氩气从透气砖夹缝中 逸出，在夹缝出口处受到周围钢液的剪切、钢液静压力的挤压至形成完整的气泡，透气砖 受到钢液的冲刷损毁以及夹缝内外一千度以上的温差对透气砖的抗热震性是一严重的考 验。从实际使用观察，材质较差的透气砖在非精炼情况下使用2 0 3 0 次时，残余厚度已 严重低于包底厚度，根本无法与钢包同寿命，在精炼长时间吹氩的工况下厂寿命更低。目 前制作透气砖较为普遍使用的材质为镁质、镁铬质、刚玉质及铬刚玉质。其抗侵蚀冲刷性 能有了较大提高，但仍然高于包底的侵蚀速度。透气砖的抗渗透性取决于其夹缝的宽度、 夹缝的几何形状、透气芯材质对钢水的润湿性。夹缝宽度受制作工艺条件的限制，其宽度 在o 2 m m o 4 n l l n 是比较合理的。有些透气砖生产厂家将夹缝做成弧形，会有益于抗渗透性。 钢水透气芯材质不润湿，钢水就不会产生毛细渗透，钢水对含碳耐材润湿性差，如在中性 或还原性气氛、钢水的含氧量不高、再配入适量的抗氧化剂的镁碳质透气砖，其综合使用 性能会较好。当透气砖侵蚀量低于包底5 0 h u n 时，可在透气砖上部加入钢包热补料，同时 以一定的压力从透气砖中吹入压缩空气，这样在热补料中吹出弥散型气隙，氧气又有助于 热补料的烧结速度和强度，这就延长了透气砖的使用寿命，提高了底吹率。 1 3 2 透气砖的种类 透气砖的种类主要有弥散型透气砖、定向气孔透气砖、狭缝型透气砖、迷宫型透气砖 笙【1 5 】 寸 o 1 ) 弥散型透气砖 弥散型透气砖的气孔率是由调整耐火混合料的颗粒尺寸分布来控制的，减少处于大颗 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 粒之间的小颗粒的比例以获得高气孔率。在实际生产中，气孔率的控制通常是用向耐火混 台物中加入含碳化合物这样的烧烬材料的方法实现的【”l 。弥散型透气砖足由于气孔率高使 透气砖具有透气性能的。图1 1 为弥散型透气砖的结构。 国 图1 1 弥散型透气砖 由于弥散型透气砖有很多无规律分布的气孔结构，因此其特点是在低气压下能相当好 的产生单气泡群。当受人压力气体作用时( 实际使用时，大部分情况就是如此) ，在靠近表 面处会形成许多大气泡。“ 于强烈的反向冲击，会热蚀加重，使蚀损加快。弥散型透气砖 会因孔隙而出现渗透作用，因此也就产生了致密的部位，在盛钢桶处于白j 歇状态( 维修期 问1 或当重新开始吹气时，透气砖的表面部位容易不断地受到周期性的热侵损( 由于气流通 过和反冲击) 、渗透作用f 由于钢液) 、蒯化作用而发生剥落。拆下经过使用的弥散型透气 砖，一般均有厚为2 0 至3 0 m m 的钢渣渗透层。在吹气处理过程中，制渣渗透区会因喷 吹压力而产生剥落，从而大大加速砖的蚀损。巴登钢j 【l ”在可比较的使用条件下，使用了 具有不定向气孔的高铝和镁质透气砖及带定向气孔的砖。不定向气孔的透气砖寿命为1 0 炉次，而定向气孔的为2 0 炉且砖残余厚度比前者厚得多”】。 2 ) 定向气孔透气砖 在致密耐火砖中设置小直径的通道，称为“定向气孔”。在定向气孔透气砖中气体通 过一定数量的定径孔道畋进铜水。图12 为定向气孔透气砖的结构。 罐 图l2 定向气孔透气砖 同弥散型透气砖相比，定向气孔透气砖岬锰耐火材料1 = i | ：佩不漏气。它的显著特点是可 、 一游一 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 以用与炉衬砖相同密度的耐火材料来制造，甚至可用更致密的材料制造，这就增大了透气 塞的高温抗压强度，较大的抗侵蚀性和抗金属渗透性，延长了使用寿命。定向气孔的气流 量可以通过毛细孔的数量和大小来控制。在考虑节省投资的前提下，使用较低的气体压力 进行喷吹是很有效的。用定向气孔透气塞还可以把粉状添加物喷入到盛钢桶中，并依然保 持细小气泡扩散的优点。定向气孔透气砖能产生大量直径小的气泡群。从而可以改善冶炼 反应：由于使用致密陶瓷，具有耐蚀损性强的特点。上述结论已为实践所证明。目前，钢厂 对钢水进行长时间处理或特殊处理时，主要使用定向气孔透气砖。在某些情况下，由于透 气砖型和耐火材料种类的关系，定向气孔砖的寿命可以是弥散型砖的两倍或三倍。由此， 提高钢包包底的寿命，避免透气砖更换这一目标在很多情况下己经实现【2 0 j 。 然而，定向气孔透气砖也有缺点【2 1 1 ，在致密烧结体中排列毛细孔而又不明显降低其强 度是困难的。定向气孔塞的体积密度大于衬砖，这对提高耐压强度是必要的，但对传统的 透气塞来说，耐压强度要高一倍才能达到炉衬砖的寿命水平。尽管金属液的渗透不会马上 在毛细管孔塞的致密体上发生，但金属液在压力损失时通过毛细孔渗透也会让人感到不 安。因此，对定向气孔砖生产来讲，材料的选择比生产弥散型透气砖更严格，其中必须加 入锆化合物来减小透气砖的湿润性。 3 ) 其它类型的透气砖 狭缝型透气砖【2 5 ，7 ，1 0 1 是在致密砖内留有细缝，例如在致密陶瓷锥体和周围套衬之间， 或者将砖分成多个组件，再在这些组件间夹入铁皮，以提高缝隙大小和数量。气体通过铁 皮和陶瓷片之间的不规则缝隙吹入钢水，狭缝透气砖会同弥散透气砖一样向钢水吹入体积 较大的气泡。在狭缝或透气砖材料中，随着透气砖的逐渐蚀损，吹气处理结束后，钢水有 浸入缝隙中的危险。 迷宫型透气塞综合了所谓多孔塞的操作安全性和致密耐火材料塞寿命长的优点。迷宫 型透气塞的毛细孔网由大量相互连接而位置交叉的主毛细管组成，任何毛细管被渗入钢水 阻塞时，气体很容易绕过，所以大大地降低了气体在塞内的损失。此外，由于没有直通的 缝隙、缝及开孔，崩落危险也大大减小。 1 4 有限元技术在钢包耐火材料应用 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。 冲村利昭等人【2 2 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 g o 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，提出了钢包内衬的改进措施以 减小钢水的温降。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 野村修【2 3 】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，低导热率包的前景最为看好。另外值得一提的是，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。 c a s c h a c h t 【2 4 】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。 王志刚等人【2 5 】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 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【2 6 】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。 蒋国璋等人【2 7 】研究了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 8 】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。 李顶宜【2 9 】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。 金从进等人【3 0 】计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。 从立明等人【3 l 】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。对钢包处于不 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。 孔建益等人【3 2 】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。 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 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 和不同耐火材料对钢包温度控制以及应力场分布的影响。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体的数学简化模型。实际上，钢包的二维轴对称 模型或是数学简化模型，都不能够完全反映钢包的实际情况。钢包透气砖结构体的温度场 和应力场有待于进一步深入研究。 1 5 本课题研究内容 本课题研究的关键问题在于透气砖、钢包透气砖结构体，并分析钢包同透气砖之间的 温度场和应力场分布规律以及透气砖预留缝对钢包透气砖结构体的应力场影响。为完成该 项工作，本文将重点研究以下内容： ( 1 ) 建立钢包透气砖结构体三维有限元模型。根据钢包透气砖结构体实际使用过程 中涉及热传导、热对流和热辐射三种热量传递方式的特点，借鉴以往钢包透气砖结构体热 分析方法，使模型能更好的表征不同工况下的钢包透气砖结构体的热应力变化。 ( 2 ) 钢包透气砖温度场和应力场的分析研究。采用有限单元法，模拟计算钢包透气 砖结构体在各个状态下的温度、应力水平及分布，对比分析结果，验证钢包透气砖结构体 的保温性能和力学性能，为钢包透气砖结构体的研制提供理论依据；对比分析不同材料材 质钢包透气砖结构体的计算结果，为其结构体设计给出一定参考；探讨材料物性参数对钢 包结构体透气砖温度场和应力场分布的影响。 ( 3 ) 基于a n s y s 有限元软件计算了两种不同结构形状透气砖的热应力场，对计算结 果进行了分析，确定了较优的结构形状，为透气砖的生产制作提供理论参考。 ( 4 ) 进一步计算研究分析了透气砖座砖预留缝对钢包透气砖结构体的应力场分布的 影响，在一定程度上对钢包透气砖结构体的砌筑和制作工艺具有指导意义。 第1 0 页武汉科技大学硕土学位沦文 第2 章钢包透气砖结构体温度场和应力场分析 21 钢包透气砖结构体模型 钢包分为钢包壳和由耐火材料砌筑或浇注而成的包衬两个部分，图2l 为某钢厂锅包 结构图。钢包壳本体又可分为包底、包壁及耳轴、支座等，另外还有安装于其上的滑动水 口及其驱动装置、钢包倾翻机构等。钢包底部安装有透气砖和滑动水口口”。 目前某钢厂钢包耐火材料中，渣线工作层主要采用镁碳质砖，包底、包壁工作层主要 采用无碳预制块，包底、包壁永久层主要采用高铝质砖，透气砖主要采用刚玉一尖晶石材料 浇筑，如图2 l 和图22 所示。 鲭墼 嘏乳 增g 飞酽 料1 冈 图2 l2 1 0 吨铜包剖面结构圉图 图222 i o 吨钢包底结构图 钢水温度人于1 6 5 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， 高温性决定了锢包内衬必须用耐火材料柬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会属。底部吹氲装置手要有有座砖和透气芯两大部分组 武汉科技大学硕士学位论文 第l l 页 成，由耐火材料内衬、钢包外壳和透气砖组成的钢包结构本文称为钢包透气砖结构体。 钢包透气砖结构体底部二维剖面图如图2 3 所示。工作层热面为温度载荷承受对象， 其最高温度超过1 6 5 0 ，钢包壳和透气砖与周围空气接触，永久层位于工作层耐火材料和 钢包壳之间。由于工作层耐火材料温度高，钢包壳温度低，热量将会从工作层传递到永久 层耐火材料和钢包壳上，其传热方式为热传导。钢包壳通过对流和辐射向周围空气发散热 量。透气砖的工作热面承受钢水1 6 5 0 高温，透气砖外侧通过对流和辐射向周围空气发散 热量，透气砖工作热面温度高，透气砖外侧温度低，热量将会从透气砖工作热面传递到透 气砖外侧，其传热方式为热传导。增加永久层耐火材料主要是为了降低钢包壳温度，防止 钢包壳发生高温变形，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。透气砖预留缝是透气砖座砖与钢包之间的缝隙( 一般是填充刚玉自流浇注料进行连 接) ，如图2 3 所示。 工作层耐火材料 预 座透座 预 工作层耐火材料 留 砖气砖 留 芯 缝 永久层耐火材料永久层耐火材料缝 j 钢包壳 钢包壳 图2 3 钢包透气砖结构体二维模型 耐火材料3 3 。7 】包括浇注料、成型砖、砖缝( 填充耐火泥进行连接) ，各种耐火材料具 有不同的物理性能，而且它们所处的环境都不一样：工作层及透气砖直接与钢水、钢渣接 触；外层钢壳和工作层之间的耐火材料称为“永久层或隔热层 ，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。耐火材料在被加热的时候会产生较大的热膨胀。钢包透气砖将具有一定压力的氩 气通过喷枪或透气砖传送到钢液中，形成气泡。气泡上浮过程中又因浮力作用，将钢水抽 引并使之在气液内产生由下向上的流动，当气泡到达项部时就转入水平方向，之后在包壁 附近向下回流，再次在钢包中部、下部被抽引至气液区内，如此循环流动形成环流。在环 流过程中，大颗粒央杂、脱氧产物在流经顶渣下部区域时传递进入顶渣，同时钢包吹入氩 气后，钢水中所形成的氩气泡相对于钢中的氧、氮、氢而言，属真空条件，氧、氮、氢就 会向氩气泡中扩散，钢中的央杂物粘附在气泡上，并随氩气泡的上浮而带出。氩气的上浮 带动钢水沸腾，氩气泡内c o 分压力为零，促使钢水中的碳与氧化亚铁发生反应，从而起到 脱氧作用。吹氩形成的气泡在钢液中形成相对真空，起到了对钢中气体的捕集和排除作用。 在给定的热边界和机械边界条件下，工作层及透气砖主要承受温度梯度和热膨胀载荷，工 作层及透气砖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