钢包复合结构体工作层参数对其温度场的影响研究.pdf
基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究【含有限元】【说明书+CAD+PROE】
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基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究【含有限元】【说明书+CAD+PROE】,含有限元,基于,ANSYS,喷雾器,喷嘴,仿真,研究,有限元,说明书,CAD,PROE
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? 制造技术 /工艺装备现代制造工程 2010年第 12期钢包复合结构体工作层参数对其温度场的影响研究*蒋国璋1, 郭志清1, 李公法1, 孔建益1, 郭国红2, 陶晓林3, 何婷婷1, 陈世杰1( 1武汉科技大学机械自动化学院, 武汉 430081 ; 2武汉钢铁集团公司四炼钢厂, 武汉 430082 ;3武汉钢铁集团公司三炼钢厂, 武汉 430082)摘要: 钢包是冶金工业的重要设备, 其内衬的温度分布对内衬热机械应力分布乃至寿命都有至关重要的影响, 其寿命的长短直接影响钢铁企业的经济效益。建立了基于有限元法的钢包二维模型, 并研究了工作层材料的导热率及其厚度对钢包温度场的影响。分析结果表明: 随着钢包内衬工作层材料导热率的增大和厚度的减小, 钢包壳温度升高加快。关键词: 钢包复合结构体; 工作层; 物理性能参数; 厚度; 温度场; 有限元法中图分类号: TF769?2? 文献标识码: A? 文章编号: 1671?3133( 2010) 12? 0077?04Influence of working lining parameters on te mperature fieldof ladle co mposite construction bodyJI ANG Guo?zhang1, GUO Zhi?qing1, LI Gong?fa1, KONG Jian?yi1,GUO Guo?hong2, TAO Xiao?lin3, HE T ing?ting1, CHEN Shi?jie1( 1 College ofM achinery andAutomation , WuhanUniversity of Science and Technology,Wuhan 430081 , China ; 2 No . 4 Steel Plant ofW ISCO, Wuhan 430082 , China ;3 No. 3 Steel Plant ofW ISCO, W uhan 430082 , China)Abstract : Ladle is an i mportant equipment of themetallurgical industry , distribution of temperature in linings has essential influ?ence on distribution of ther mo mechanical stress and its life , and the size of its life ?span influences the econo m ic benefits of the i?ron and steel enterprise directly. Two?di mensionalmodelof ladle based on law of finite elementmethod is built , the influence offro m ther mal conductivity and thickness ofwork lining on ladle te mperature field are discussed. The calculation results indicatethat stress increasesw ith the increase of ther mal conductivity and decrease of thickness .K ey words : ladle composite construction body ; work lining ; para meter ; thickness; te mperature field ; finite elementmethod? 钢包是冶金工业的重要容器件, 起着储存、 转运钢水的作用, 其寿命的长短直接影响企业的正常生产和生产成本。在钢包使用过程中, 其内衬的温度分布对内衬热机械应力分布乃至寿命都有至关重要的影响, 因此, 有必要了解钢包温度分布状况。1? 钢包复合结构体温度场影响因素的分析由于钢包底局部材料 (比如透气砖、 水口砖、 冲击块 )所占的几何比例很小, 它们只是对其周围临近区域温度场和应力场产生影响, 对整个钢包温度场影响很小, 故可以忽略不计。这样整个钢包将包括四种材料, 即包底和包壁工作层的铝镁碳材料、 永久层的高铝砖材料、 包壁上渣线砖的镁碳材料和钢包壳金属材料。由于每种材料对整个钢包温度场和应力场产生影响的物理性能达数种, 而且每种物理性能变化会对其他物理性能产生影响。因此, 要逐一弄清楚是不现实的。在计算钢包内衬温度、 应力分布时, 可以假设其他物理性能不变, 只考虑钢包内衬的材料热传导系数、 热膨胀系数和弹性模量的变化对温度场的影响。77*教育部科学技术研究项目 ( 03088);湖北省自然科学基金项目 ( 2002AB070); 湖北省武汉市科学技术局科技攻关项目 ( 20061002052); 湖北省耐火材料与高温陶瓷重点实验室? 省部共建国家重点实验室培育基地开放基金资助项目 ( G201007)? 现代制造工程 2010年第 12期制造技术 /工艺装备一般而言, 材料的热传导系数、 热膨胀系数和弹性模量对温度场影响较大, 并遵循以下规律: 1)导热率越高, 穿过工作层的温度梯度越小, 相应的永久层和钢包壳的温度越高。此时, 由于温度梯度而产生的应力较小, 但同时由于材料所处的温度较高而降低了其强度。2)热膨胀系数越大, 工作层热面附近产生的应力越大。 3)弹性模量越大, 工作层热面附近产生的应力越大。然而高的弹性模量和热膨胀系数往往使材料具有较高的强度, 因此要在高应力和高强度之间找到一个平衡点, 使工作层热面附近产生的应力在材料强度允许的范围之内。此外, 钢包结构对温度场也产生较大的影响, 比如工作层厚度、 内衬膨胀缝、 是否有隔热层、 外壳形状和附属结构 (如耳轴、 钢包底座、 车座、 配重板 )等等,本课题只考虑工作层物理性能参数和厚度对温度、 应力分布的影响, 内衬膨胀缝对温度、 应力分布的影响详见文献 5。本文选取钢包任一回转截面为研究对象, 限于篇幅仅分析工作层材料的导热率和工作层厚度对钢包温度场和应力场的影响, 利用相同的边界条件计算钢包浇钢工况下的温度场和应力场。2? 钢包的二维模型由于钢包结构和所承受的载荷都是关于钢包轴对称的, 因此选取钢包的任一回转截面为有限元分析对象。在不影响钢包复合结构体温度场和应力场结果的情况下, 将模型进行简化, 图 1为钢包回转截面示意图。钢包由耐火材料内衬和钢包外壳组成, 其中,耐火材料内衬又分为工作层、 永久层。图 1中, r为钢包内径, h1为包底工作层以上的包壁 (钢包壁 )高度,h2为钢包内衬渣线层高度。其中渣线层采用镁碳砖, 其余包壁工作层、 包底工作层采用铝镁碳砖; 包壁和包底第一、 第二永久层均采用高铝砖。镁碳砖、 铝镁碳砖、 高铝砖和钢壳的物理性能详见文献 6。用有限元法进行分析时, 边界条件通常按两种方式处理: 一种是指定钢包内衬内表面温度为 1650? ;另一种是由实验得到钢包壳外表面换热条件, 按文献 6中的公式计算, 然后再根据钢包壳外表面的温度实测结果对换热条件进行必要的修正, 使得到的分析模型能真实地反映实际工作工况。根据以上的模型、 物理性能参数和边界条件, 计算出钢包的温度分布, 再将温度以体载荷的形式加到图 1? 钢包回转截面示意图模型上, 进行热应力计算。为了得到钢包底沿轴向和包壁沿半径方向上的温度和应力分布规律, 取图 1所示的两条典型路径, 利用 ANSYS软件路径映射功能,将温度和等效应力映射到这些路径上。3? 工作层物理性能参数对温度场的影响3?1导热率对钢包温度场的影响在保证钢包壳温度不达到 420? 情况下, 将钢包内衬工作层材料导热率由原来的 1?15 W? (m? K)- 1分别改为 0?5 W ? ( m? K)- 1、 2 W ? (m? K)- 1、 3W?( m? K)- 1时, 通过分析计算得到映射路径 1( h1/2处 )的温度变化曲线如图 2所示, 映射路径 2( r /2处 )的温度变化曲线如图 3所示。从图 2和图 3可以看出, 在其他条件不变的情况下, 仅改变钢包内衬工作层材料导热率, 其值从 0?5W? (m? K)- 1增大到 3 W ? (m? K)- 1时, 映射路径 1图 2? 不同热导率下映射路径 1的温度变化曲线78? 制造技术 /工艺装备现代制造工程 2010年第 12期图 3? 不同热导率下映射路径 2的温度变化曲线和路径 2的温度变化情况基本上一致, 随着导热率的增大, 映射路径上同一点的温度也随之升高, 映射路径 1的最低温度从 176?8? 导热率为 0?5 W ? ( m? K)- 1上升到 299?4? 导热率为 3 W? (m? K)- 1, 映射路径2的最低温度从 241?8? 导热率为 0?5 W? (m? K)- 1上升到 409?8? 导热率为 3 W? (m? K)- 1。可见在其他条件不变的情况下, 随着钢包内衬工作层材料导热率增大, 钢包同一位置 (除了工作层热面 )的温度升高。3?2? 工作层导热率物理性能参数的实用范围根据本文前述的工作层物理性能参数对钢包温度场的影响规律, 以及由考察所知, 钢包外壳使用16MnR合金钢, 工作层内衬使用铝镁碳质材料的情况, 以钢包外壳最高温度不超过 16MnR合金钢的蠕变温度 400? 和铝镁碳砖耐压强度 56?2MPa为限制条件, 来讨论铝镁碳质工作层内衬导热率的实用范围。图 4所示为工作层铝镁碳砖内衬导热率从 0?5 W?(m? K)- 1增大到 5 W? ( m? K)- 1时, 钢包外壳最高温度变化曲线, 要使钢包外壳最高温度不超过 16 MnR合金钢的蠕变温度 400? , 铝镁碳砖内衬导热率不能大于2?5 W? (m? K)- 1。图 4? 钢包外壳最高温度变化曲线4? 工作层厚度对温度场的影响工作层厚度直接影响钢包的温度场分布。当钢包被使用时, 工作层由于受到钢液、 钢渣以及高温环境对它的侵蚀而减薄, 钢包内衬和外壳的温度会升高, 从而导致钢包应力发生变化。为了研究工作层厚度对受钢过程中钢包温度场的影响, 这里在原钢包壁工作层厚度为 170mm、 钢包底工作层厚度为 230mm的基础上, 分别减薄 0mm、 10mm和 20mm, 永久层和钢包壳厚度不变。通过分析计算分别得到工作层减薄0mm、 10mm和 20mm的温度云图如图 5 图 7所示。从图 5 图 7可以看出, 在其他条件不变的情况下, 仅减小钢包内衬工作层材料的厚度, 其减小量为0mm、 10mm、 20mm, 温度分布规律基本上一致, 工作层热面温度都是 1650? , 外壳最低温度分别为 183?7? 、188? 和 192?4? , 其他位置的温度均升高。为了更加清楚地了解钢包温度场随着工作层厚度的连续变化, 本文在原来工作层厚度基础上, 将钢图 5? 工作层减薄 0mm(即不变 )温度云图图 6? 工作层减薄 10mm温度云图79? 现代制造工程 2010年第 12期制造技术 /工艺装备图 7? 工作层减薄 20mm温度云图包壁和 底的工作层分别 减少 60mm, 减小 间隔是10mm, 以钢包壳底上某一点为例, 其温度随着工作层厚度的变化曲线如图 8所示。图 8? 钢包壳底上某一点温度随工作层厚度变化的曲线从图 8可以看出, 钢包壳底上某一点的温度随着工作层厚度的减小而均匀增大。这说明增加工作层厚度有利于降低钢包壳温度, 但是这也会增加钢包的成本; 同样为了保持钢包壳温度在许可范围之内, 工作层厚度也不能减小得太多, 应找到一个平衡点, 这在钢包设计上非常重要。综上所述, 随着钢包使用炉次的增加, 内衬受侵蚀程度越来越严重, 导致钢包的温度增高, 降低了钢包使用寿命, 所以应该使用一段时间之后, 对钢包各个受损部分进行小修、 中修和大修, 尽量延长钢包使用寿命, 降低企业生产成本, 提高企业经济效益。5? 结语影响钢包温度场的因素很多, 本文仅分析了工作层材料的导热率及其厚度这两个因素。分析结果表明: 随着钢包内衬工作层材料导热率的增大和厚度的减小, 钢包壳温度升高加快。参 考 文 献: 1? 蒋国璋, 孔建益, 李公法, 等. 钢包内衬结构的优化研究 J. 冶金能源, 2006, 25( 4): 41- 43. 2? 蒋国璋, 陈世杰, 孔建益, 等. 受钢工况钢包壁应力场的模拟与分析 J. 冶金设备, 2006( 5): 10- 12. 3? 蒋国璋, 孔建益, 李公法, 等. 钢包温度分布模型及其测试实验研究 J. 中国冶金, 2006 , 16(11): 30- 32 . 4 ?Chen Shijie , Jiang guozhang , Kong Jiany.i Opti mizingthe structure of ladle bottom based on finite ele mentmethod C. Proceedings of the InternationalW orkshoponM odern Science and Technology in 2006, 2006( IS?BN 7- 5046- 4333- 5): 492- 495. 5? 蒋国璋, 孔建益, 李公法, 等. 钢包内衬膨胀缝对热
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