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2864 基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究 基于 ANSYS 喷雾器 喷嘴 仿真 研究

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3 湖北省自然科学基金项目资助(2002AB070)、武汉科技大学校基金项目资助收稿日期: 2003 - 12 - 22王志刚(1973 ) ,副教授/博士生;430081湖北省武汉市。钢包底温度场和应力场数值模拟3王志刚 李 楠 孔建益 李友荣(武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室,高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室)何平显 陈荣荣(宝山钢铁集团公司技术中心)摘 要 钢包是连铸生产线上的重要设备,其内衬的热应力是影响钢包寿命的主要因素。本文运用有限单元法,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。关键词 钢包 热应力 有限元 数值模拟Numerical simulation of temperature and stress fieldof ladle lining on the bottomWang ZhigangKong JianyiLi YourongLi Nan(Wuhan University of Science and Technology)He PingxianChen Rongrong(Technique Center , Bao steel Co1)AbstractLadle is a sort of important component in continuous casting production line.Thermome2chanical stress of its lining is a major impact that affects its life period.In this paper , temperatureand stress field on the bottom had been simulated using finite element method. Calculation results in2dicate: the new ladle still is in the state of decalescence after pre2heating and will reach the quasi2sta2ble state through several heat circles; the stress of working layer on the bottom is maximum whensteel tapped to the ladle; stress of the botton lining near the ladle wall is higher than near the centerand the high stress can be decreased by extension insulation device.Key wordsladlethermomechanical stressfinite elementnumerical simulation 钢包是冶金工业的重要容器件,起着储存、转运钢水的作用。随着现代冶金企业技术进步,连铸比不断提高,钢包的作用日益突出。同时,人们对钢水的质量要求逐渐提高,钢包的作用因此起了重要变化,从原来单纯的储存、转运钢水的钢包逐渐成为进行二次炉外精炼的精炼炉。由此可见,钢包在钢铁企业的地位是非常重要的。因此,其寿命的长短直接影响企业的正常生产和生产成本。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,造成钢水的渗透。耐火材61冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYVol123No14July12004料内衬的损坏原因包括化学侵蚀、机械磨损和热应力。其中热应力的损坏是造成耐火材料内衬开裂破坏的直接原因。因此,了解钢包在不同运转状况下的温度分布以及由此而产生的应力分布对提高钢包耐火材料内衬的使用寿命具有指导的意义。1 分析模型的选取为了分析钢包在各种状况下的温度场和应力场分布,可以作如下假设: 钢包包壁的倾斜度很小,可以近似为圆柱体。 包底的透气砖和水口砖尺寸相对于钢包底的总体尺寸而言较小,可以忽略透气砖和水口砖的影响,近似为与包底各层材料一致。这样,钢包就简化成由多层不同材料组成的圆柱体。由于钢包的结构和所受的载荷都与钢包轴对称,因此可以选取钢包的任一回转截面作为有限元分析的对象。图1为钢包的回转截面图。2 材料物理性能的选取钢包壳的材质为SM41CN (日本钢号) ,内衬工作层为含80 %氧化铝的高铝砖,永久层为含80 %氧化铝的高铝砖。其物理性能参数随温度而变化,具体值参见文献 1 。3 边界条件的确定从钢包的运转情况来看,钢包主要经历以下几个过程:钢包预热(烘包)、出钢等待、钢水注入 、 钢水储运及炉外二次精炼 、 浇注 、 等待图1 钢包的回转截面图(冷却)。为了统一起见,在包底工作层和包壁工作层的外表面(与钢水接触的面)施加温度载荷,以后称这一施加温度载荷的面为热面。图2为热面的温度随时间的变化曲线,从0小时开始到62小时为新包的烘包曲线,最高烘包温度为1000; 6263小时为钢包等待钢水注入阶段,热面温度下降到800; 6365小时为钢包钢水注入后温度恒定及浇注状态, 63小时处热面温度从800 突然升高到1600,用来模拟钢水注入钢包瞬时的热冲击; 6566小时表示钢包浇注完结后在等待下一次热循环时钢包冷却状态。钢包的外壳处于空气中,与周围的环境进行热交换。热交换的方式有两种:一种是包壳与空气的自然对流换热,另一种是包壳与周围的辐射换热。通常,辐射换热出现在温度较高的时候。当包壳的温度低于300。辐射换热现象不明显;而当包壳的温度高于300 时,辐射换热的影响会明显加强。由于辐射换热为高度非线性计算,需要花费大量的机时。为简化起见,通常将辐射换热转化成对流换热的形式,用一个等价的对流换热系数来代替辐射换热。一般,空气与包壳的自然对流系数为510W/(m2K) ,更精确的计算式为2:h= 11826TsTs-T1/3式中 h 对流换热系数Ts 包壳的温度T 周围空气的温度包壳与周围的辐射换热转化为对流换热时的等价对流换热系数可用下式表示2:hr=B( T2s+T2)( Ts-T)式中 hr 等价的对流换热系数Ts 包壳的温度T 周围空气的温度B Boltzmann常数 黑度(或辐射率)4 包底温度场分布根据以上确定的计算模型和边界条件,计算了钢包的温度分布。下面,分三处对钢包底部温度场随时间的变化规律进行分析(如图3所示)。71Vol123No14July12004冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY图2 热面的温度随时间的变化曲线图3 钢包的轴对称截面图3为钢包的轴对称截面。图中对钢包各层的不同部位进行了编号,包底工作层热面为1号,工作层与第一永久层交界处为2号,第一永久层与第二永久层交界处为3号,包壳外壁为4号。以上各层分别取轴线处、半径为r/ 2处和半径为r处1、2、3、4的温度随时间的变化规律。图4为轴线处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律。图5为半径为r/ 2处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律。图6为半径为r处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律。从这三个图中可以发现一个共同的规律,钢包在烘包完成后,仍处于吸热状态,表现在2、3、4点的温度在整个烘包过程中持续上升;待经过8次热循环后, 2、3、4点的温度变化逐渐趋于平稳,可以认为钢包已经达到一种“准稳态”过程。这与相关文献报导36的结论略有出入。相关文献报导钢包经过烘包预热和头34次热循环后即可达到“准稳态”,而我们计算的结果是要经过8次。其主要原因是烘包制度不同引起的。文献介绍的烘包曲线是在很短时间(相对现有的烘包曲线)上升到烘包最高温度,而且达到的最高烘包温度在1300 左右。这种烘包制度能够使钢包在烘包过程中就达到热稳态,因此,整个钢包的热状态在经过34次热循环后即可达到“准稳态” 。本课题研究钢包的包底采用整体浇注,浇注料施工完后含有6 %7 %的水分。由于迅速加热产生的内部蒸汽压力容易使浇注料爆裂,为避免爆裂,烘干应缓慢进行。因此,为适应浇注料的性能采用了现有的烘包曲线。图4 轴线处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律图5 半径为r/ 2处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律图6 半径为r处1、2、3、4点的温度随时间的变化规律81冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYVol123No14July120045 包底应力场分布根据以上计算的钢包温度分布,将温度以体载荷的形式加到模型上,考虑钢包平放在地面的状态,进行热应力计算。由于钢包为典型的圆柱体,主要研究钢包沿环向和径向的应力分布。因此,可以在柱坐标系下分析钢包的环向应力和径向应力。同样,分三个截面分析包底热面、工作层与第一永久层交界处、第一永久层与第二永久层交界处以及包壳外表面的环向应力和径向应力。各点的位置如图3所示。图7为轴线处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律。图8为半径为r/ 2处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律。图9为半径为r处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律。图10为轴线处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律。图11为半径为r/ 2处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律。图12为半径为r处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律。图7 轴线处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律图8 半径为r/ 2处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律图9 半径为r处1、2、3、4点的环向应力随时间的变化规律图10 轴线处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律图11 半径为r/ 2处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律图12 半径为r处1、2、3、4点的径向应力随时间的变化规律(下转第25页)91Vol123No14July12004冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY参考文献1 温良英 1 平展流燃烧过程及其供热炉内的传输特性研究 博士学位论文,重庆:重庆大学, 19982 温良英,刘成全 1 平展流燃烧湍流场的数值模拟 1 重庆大学学报, 2000 , 23 (3) : 1491513Hirt C W , Amsden A A1An Arbitrary Lagrangian - Eu2lerian Computing Method For All Flow Speeds. JournalOf Computational Physics , 1997 , 135 ; 2034 周力行著,陈文芳,林文漪译 1 湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟 1 北京:科学出版社, 19945 高家锐 1 动量、热量、质量传输原理 1 重庆:重庆大学出版社, 1987 , 104106张长保 编辑(上接第19页)从图7图12可以看出:(1)包底热面(1号)的环向应力和径向应力随时间的变化规律基本上类似,只是在数值上略有差别。(2)包底热面的环向应力和径向应力的最大值发生在预热完成后,钢水注入的瞬时,应力值为- 40MPa左右(压应力) ,因不同部位略有差异。(3)包底热面在半径为r处的应力普遍比靠近中心的部分大。这是因为靠近包壁处的热散失比靠近中心的部分大,造成该处的温度梯度比靠近中心的部分大,因而产生较大的热应力。因此,可以在这附近增加保温措施以降低该处的应力值。(4)包底工作层与第1永久层的交界处(2号)的环向应力和径向应力随时间的变化规律基本上类似,在整个过程中处于受拉状态,但所受应力值很小,对其不会造成破坏。(5)包底第1永久层与第2永久层的交界处(3号)与2号的情况类似,受到拉应力,只是应力值比2号大得多。最大应力值不超过20MPa。(6)包壳(4号)变化规律在包底各处也是相近的。除了环向应力在靠近包壁处受拉以外,环向应力和径向应力在包底各处皆受压。受拉和受压的最大应力值都在100MPa左右。(7)从以上6个图中还可以发现,除了靠近包壁处的包壳应力以外,只有包底热面(1号)受热循环的影响较大。每次热循环都会在包底热面产生较大的应力变化,而热循环产生的应力周期性变化很容易造成工作层的热疲劳损坏。6 结论运用有限单元法,对钢包底在工作状态下的温度场和应力场进行了数值模拟,发现:(1)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” 。达到“准稳态”的时间与烘包制度有关。(2)钢包在预热完成后,钢水注入瞬时包底工作层应力值达到最大。(3)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。参考文献1Schacht , C1A1, Refractory linings: Thermomechanicaldesign and applications , Edited by Marcel Dekker Inc1,New York (1995)2Chen , E1S1, Thermomechanical analysis of a 2252tonBOF vessel ,I &S enginee