冶金耐火构件热应力场数值模拟课件

1、武汉科技大学智能设计与制造研究所2013.10武汉科技大学智能设计与制造研究所智能及受控机构研究冶金工业自动化检测受控五杆机构运动学及动力学研究金属与耐火材料复合结构设计冶金重大装备系统设计面向设备的状态监测及故障诊断冶金装备设计面向产品的表面质量检测技术武汉科技大学智能设计与制造研究所2新型双蓄热式烧嘴耐火构件的温度场、新型双蓄热式烧嘴耐火构件的温度场、应力场数值模拟研究应力场数值模拟研究CSP水冷炉辊温度场和热应力场数值水冷炉辊温度场和热应力场数值模拟及结构优化研究模拟及结构优化研究1长寿钢包底吹透气砖的热机械设计长寿钢包底吹透气砖的热机械设计与制造应用与制造应用 23耐火材料高温抗热震性

2、测试装置耐火材料高温抗热震性测试装置4武汉科技大学智能设计与制造研究所 武汉科技大学智能设计与制造研究所针对目前钢包透气砖使用过程中存在的问题，对以下问题进行研究：1、底吹透气砖系统的温度场和应力场计算；2、钢包底吹透气砖系统的热机械应力、流体行为和材质之间相互作用的研究；3、优化透气砖的结构及制备工艺和砌筑方案。武汉科技大学智能设计与制造研究所 钢包三维几何图 透气砖计算点A/B/C/D/E 武汉科技大学智能设计与制造研究所钢包透气砖温度场云图钢包透气砖应力场云图武汉科技大学智能设计与制造研究所项目项目透气芯透气芯/Mpa座砖座砖/Mpa座砖预留缝座砖预留缝/Mpa工工序序烘烤烘烤3.53.

3、93.0装钢装钢8.39.24.2吹氩吹氩29.832.36.1武汉科技大学智能设计与制造研究所结构简图 网格划分 钢包浇注完毕和翻包倒渣后要对透气高温陶瓷进行吹氧清扫，扫去工作面上的残渣，清除透气芯狭缝中的残留物，保证工作面的清洁和气体通道的畅通。但烧氧时超高温（2000以上）和强氧化对透气高温陶瓷有很大的破坏力，不仅容易在近工作面部位产生裂纹和剥落，而且由于透气高温陶瓷属于多次使用的耐火材料，周期性急冷急热严重时直接导致其横断损毁。武汉科技大学智能设计与制造研究所 (a) 0.12mm (b) 0.15mm (c) 0.18mm (d) 0.21mm不同缝宽透气砖在烧氧过程中的轴向热应力分

4、布武汉科技大学智能设计与制造研究所 依据计算结果和钢包实际生产使用情况，在以下几个方面进行了优化：1 改进透气砖的清烧方式；2 改进透气砖材质，提高抗热震性、强度、高温体积稳定性、抗渣熔损性和渗透性；3 改进钢包底吹氩管道气包；4 设备运行的优化和规程指导； 5 钢包砌筑方式等。武汉科技大学智能设计与制造研究所烤包阶段钢包透气砖温度场云图烤包阶段钢包透气砖应力云图装钢阶段钢包透气砖温度场云图装钢阶段钢包透气砖应力云图武汉科技大学智能设计与制造研究所透气砖应力水平透气砖应力水平烤包阶段烤包阶段(MPa)装钢阶段装钢阶段(MPa)优化前优化前38516优化后优化后25410武汉科技大学智能设计与制

5、造研究所罐号罐号透气透气厂家厂家停罐停罐日期日期上透气残厚上透气残厚（mm）下透气残厚下透气残厚（mm）安全残厚安全残厚（mm）透气使透气使用次数用次数最大侵蚀速率最大侵蚀速率（mm/次）次）推算使推算使用次数用次数28上虞上虞5.21701501302610.3827.9323上虞上虞5.71701601302610.0029.0017上虞上虞5.91801501302610.3827.9310上虞上虞5.111401801302610.7726.9333上虞上虞5.191701301302611.1526.00武汉科技大学智能设计与制造研究所 本项目于2011年11月完成。 经优化设计的钢

6、包底吹透气砖在实际生产中达到了26次的使用寿命，最高理论计算可达29次。 2011年提高钢包寿命后降低的耐材费用达540万元。武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大学智能设计与制造研究所 蓄热式烧嘴为蓄热释热蓄热的循环工作模式，一般可把空气、煤气预热到8001100，排烟温度为150左右。 而烧嘴砖的工作温度一般在14001500。蓄热式烧嘴工作中温度高且呈周期性变化，因此极易破损。 根据资料报道与现场跟踪记录，蓄热式烧嘴的破损形式主要有烧嘴砖变形、开裂、剥落，炉墙串气冒火，炉衬开裂、剥落，蓄热体破损、变形、堵塞等。武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大

7、学智能设计与制造研究所 三维CAE模型与网格划分武汉科技大学智能设计与制造研究所燃烧阶段烧嘴的温度场及应力场云图排烟阶段烧嘴的温度场及应力场云图武汉科技大学智能设计与制造研究所 ABCD中线E武汉科技大学智能设计与制造研究所区域区域ABCDE燃烧工况应力值燃烧工况应力值/（MPa）3.39.66.43.328.6排烟工况应力值排烟工况应力值/（MPa）26.531.826.537.05.4绝对应力变化幅值绝对应力变化幅值/（MPa）23.222.220.133.723.2武汉科技大学智能设计与制造研究所空气喷口孔型截面 煤气喷口孔型截面 武汉科技大学智能设计与制造研究所 武汉科技大学智能设计与

8、制造研究所孔型组合孔型组合最大应力最大应力 (MPa)结对最大应力幅结对最大应力幅 (MPa)燃烧阶段燃烧阶段排烟阶段排烟阶段原始原始28.447.533.7A-D16.13317.9A-E20.13318.5A-F20.23620B-D263321.6B-E22.130.424B-F21.83522C-D23.33323C-E23.24023C-F213822武汉科技大学智能设计与制造研究所本项目于2012年6月完成。实际工业应用表明： 采用原始孔型的烧嘴一般在3-4个月后开始破损，出现炉皮串火现象，开始需要进行灌浆修补。 采用优化孔型的烧嘴已经连续使用12个月以上，到目前未发现破损情况产生

9、。 按照两年减少一次中修计算，每年将减少维护费用750万元。武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大学智能设计与制造研究所进口炉辊破损情况加热板坯下表面情况耐热辊环烧损、结瘤和粘接氧化铁皮武汉科技大学智能设计与制造研究所常规单水冷炉辊型高温炉辊型高温炉辊型高温炉辊常规双水冷炉辊武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大学智能设计与制造研究所第一类边界条件第三类边界条件结构约束结构约束热边界条件热边界条件结构边界条件结构边界条件接触第二类边界条件第二类边界条件武汉科技大学智能设计与制造研究所荷载应力，热应力，接触应力，结构应力，交变载荷荷载应力，热应力，接触应力，结构应力，交变载荷武汉科技大学

10、智能设计与制造研究所固体传热，流固传热，热固体传热，流固传热，热-结构，非线性隐式计算结构，非线性隐式计算武汉科技大学智能设计与制造研究所炉辊三维模型（1个辊环）武汉科技大学智能设计与制造研究所网格划分武汉科技大学智能设计与制造研究所各种参数定义武汉科技大学智能设计与制造研究所总体温度计算云图水的换热系数云图水的压力云图 中心截面温度云图 武汉科技大学智能设计与制造研究所横截面温度云图 水速流线图武汉科技大学智能设计与制造研究所武汉科技大学智能设计与制造研究所 目前，对耐火材料的热震稳定性评估主要有两种方式：一种是水急冷法；一种是空气急冷法，但以水急冷为主。这两种方法都是将试件加热到一定温度，然后急冷后检查试件（耐火砖）表面破损面积是否超过50%，如果没有继续重复上述过程直到破坏。测试过程中，要求精确的把握各阶段的时间间隔，准确的测量出试件的破损面积。现有测试设备武汉科技大学智能设计与制造研究所现有设备存在如下问题：1 炉门开启时，炉内热量向外辐射，导致操作人员工作环境恶劣。2 人工操作不易把握测试时间，且由于循环次数多时间长，操作人员易疲劳，难以准确完成测量记录工作。3 在测量破损面积时，由于试件仍有300度左右的余温，且用计数形式测量面积，导致测量结果不够准确。武汉科技大学智能设计与制造研究所1 采用自动化机械完成测试工作。能够连续长时