鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力的仿真研究

劉 勇

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力的仿真研究

劉 勇

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

鋼包是鋼鐵冶金工業(yè)中重要的高溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，為了了解鋼包工作時(shí)應(yīng)力分布及組成情況，采用有限元方法對(duì)115 t鋼包進(jìn)行了仿真分析。溫度場和熱機(jī)械綜合應(yīng)力分析表明熱應(yīng)力是鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力的主要組成部分，并且應(yīng)力大值多出現(xiàn)在包體焊縫處。因此，鋼包設(shè)計(jì)制作過程中，要盡量選用熱膨脹系數(shù)小的內(nèi)襯材料，盡可能減小包體剛度梯度，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，以保證鋼包安全可靠運(yùn)行。

鋼包；有限元仿真；溫度場；熱機(jī)械綜合應(yīng)力

0 前言

鋼包是鋼鐵冶金工業(yè)中重要的高溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，在轉(zhuǎn)爐和電爐煉鋼、鋼水精煉及連鑄過程中有著廣泛的應(yīng)用。工作時(shí)，鋼包既要承受自重、鋼水重力等機(jī)械載荷的作用，又要承受鋼水高溫?zé)彷d荷的影響，負(fù)載狀況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣[1-3]。因此，研究鋼包在復(fù)雜工況下的應(yīng)力情況對(duì)鋼包的設(shè)計(jì)制造及安全可靠運(yùn)行具有重要意義。本文采用有限元仿真，對(duì)115 t鋼包的熱機(jī)械綜合應(yīng)力及其分布和組成情況進(jìn)行了分析研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

鋼包由包體、內(nèi)襯和附件組成，包體一般包括包壁、包底、包沿、加強(qiáng)箍、耳軸箱、耳軸等部件，內(nèi)襯通常由永久層和工作層組成，鋼包附件包括滑動(dòng)水口、包腿、傾翻機(jī)構(gòu)、透氣磚等。耳軸箱由耳軸座和加強(qiáng)筋組成，并與外殼和加強(qiáng)箍焊接在一起，耳軸通過耳軸座焊接在耳軸箱上。

鋼包結(jié)構(gòu)和負(fù)載狀況均較復(fù)雜，建模時(shí)忽略鋼包附件、倒角、焊縫等的影響。圖1為鋼包三維模型，可見該模型為面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算資源取鋼包四分之一為有限元分析對(duì)象。劃分網(wǎng)格時(shí)，內(nèi)襯采用較粗網(wǎng)格，包體采用較細(xì)網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示，圖中耳軸處增加了一輔助塊，用以模擬耳軸吊具或支撐件。

圖1 鋼包三維模型

圖2 鋼包有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料屬性的設(shè)定

鋼包包體為鋼制焊接件，內(nèi)襯由耐火材料砌筑，其中永久層為微膨脹高鋁質(zhì)，工作層為鋁鎂碳質(zhì)。除導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容外，其他材料屬性均忽略溫度的影響，材料屬性見表1、表2、表3[4-7]。

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù) W/m·℃

表2 材料比熱容 J/kg·℃

表3 材料其他屬性

2 溫度場的分析

2.1 熱邊界條件的確定

將鋼包工作時(shí)的傳熱過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，工作層內(nèi)壁中下部與熾熱的鋼水接觸，溫度載荷取1600℃，上部與高溫?zé)煔饨佑|，溫度載荷取1500℃。鋼包直接跟空氣接觸的外表面與環(huán)境的熱交換方式有對(duì)流和輻射兩種，通常將二者疊加轉(zhuǎn)化為一綜合對(duì)流換熱系數(shù)，鋼包外表面各部位的綜合對(duì)流換熱系數(shù)如表4所示[8-15]。

表4 鋼包外表面綜合對(duì)流換熱系數(shù)

2.2 溫度場分析結(jié)果

將熱邊界條件施加于模型，經(jīng)仿真計(jì)算可得鋼包溫度場。圖3為鋼包包體溫度場分布云圖，可見包沿處溫度最高，達(dá)350℃，這是高溫?zé)煔鉀_擊所致；最低溫度出現(xiàn)在耳軸、耳軸箱處，約125℃～150℃，因?yàn)榇颂幧崦娣e較大、距離高溫鋼水較遠(yuǎn)；另外包壁溫度出現(xiàn)上、中、下三個(gè)高溫區(qū)，溫度均在280℃左右。

圖3 鋼包包體溫度場分布云圖

3 熱機(jī)械綜合應(yīng)力仿真分析

3.1 熱應(yīng)力分析結(jié)果

將鋼包溫度場分析結(jié)果施加于模型并在輔助塊處施加固定約束，經(jīng)仿真可得鋼包熱應(yīng)力。圖4為鋼包包體熱應(yīng)力分布云圖，可見熱應(yīng)力最大值近300 MPa，出現(xiàn)在耳軸箱加強(qiáng)筋處，因?yàn)榇颂幗Y(jié)構(gòu)剛度大，包體變形產(chǎn)生壓應(yīng)力；耳軸熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在耳軸下部耳軸座與輔助塊之間，約170 MPa；由于內(nèi)襯沿鋼包軸向膨脹量較大，包沿處熱應(yīng)力高達(dá)245 MPa；包壁靠近包底處熱應(yīng)力約190 MPa，這是包底處內(nèi)襯膨脹擠壓所致。

圖4 鋼包包體熱應(yīng)力分布云圖

3.2 機(jī)械應(yīng)力仿真結(jié)果

鋼包工作時(shí)所受機(jī)械載荷包括鋼包自身的重力和鋼水的重力，鋼包自重通過施加重力加速度實(shí)現(xiàn)，鋼水重力是通過在工作層與鋼水接觸的內(nèi)表面上施加靜水壓力實(shí)現(xiàn)的。重力加速度取9.8 m/s2，鋼水密度取6 900 kg/m3，在輔助塊處施加固定約束，經(jīng)仿真計(jì)算可得鋼包機(jī)械應(yīng)力。圖5為鋼包包體機(jī)械應(yīng)力分布云圖，可見機(jī)械應(yīng)力主要出現(xiàn)在耳軸箱附近，耳軸箱下部的加強(qiáng)筋處機(jī)械應(yīng)力最大且為拉應(yīng)力，約為64 MPa；耳軸需要承擔(dān)所有的機(jī)械載荷，其最大應(yīng)力為55 MPa，出現(xiàn)在耳軸下部與輔助塊接觸處。

圖5 鋼包包體機(jī)械應(yīng)力分布云圖

3.3 熱機(jī)械綜合應(yīng)力仿真結(jié)果

將熱應(yīng)力仿真和機(jī)械應(yīng)力仿真時(shí)的載荷和約束均施加于模型，經(jīng)仿真計(jì)算可得鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力。圖6為鋼包包體熱機(jī)械綜合應(yīng)力分布云圖，可見包體最大應(yīng)力約274 MPa，出現(xiàn)在耳軸箱加強(qiáng)筋處；耳軸下部耳軸座和輔助塊處應(yīng)力較大，為150～185 MPa，包沿處熱應(yīng)力高達(dá)240 MPa左右，包壁靠近包底處熱應(yīng)力約195 MPa。

圖6 鋼包包體熱機(jī)械綜合應(yīng)力分布云圖

3.4 耳軸箱處子模型分析

鋼包耳軸箱處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了得到可靠的結(jié)果，取耳軸箱處一部分包體模型進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格以進(jìn)行綜合應(yīng)力子模型分析，所得熱機(jī)械綜合應(yīng)力分布云圖如圖7所示?？梢娂訌?qiáng)筋和耳軸座連接處應(yīng)力最大值約為273 MPa，耳軸下部與耳軸座和吊具連接處的應(yīng)力為160～190 MPa，與圖6中的應(yīng)力值十分接近，因此可以認(rèn)為該仿真分析已經(jīng)收斂，分析結(jié)果有較大可靠性。

圖7 耳軸箱處熱機(jī)械綜合應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

(1) 鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力主要由熱應(yīng)力組成，機(jī)械應(yīng)力僅在耳軸箱處占有可觀的比例，故應(yīng)采用熱膨脹系數(shù)低的耐火材料砌筑內(nèi)襯，并盡可能減小鋼包包體結(jié)構(gòu)的剛度梯度。

(2) 鋼包熱機(jī)械綜合應(yīng)力大值多出現(xiàn)在包體焊縫處，因此在鋼包的設(shè)計(jì)制作過程中，要盡量減少焊縫，焊條材料的強(qiáng)度和韌性要與包體材料匹配，嚴(yán)控焊接和探傷過程，確保焊接質(zhì)量。

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Simulation on thermal-mechanical integrated stress of ladle

LIU Yong

(Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)

The ladle is a kind of important storage and transportation equipment under high temperature condition in the ferrous metallurgical industry. In order to investigate the ladle’s stress distribution and composition, a simulation analysis of the 115 t ladle was made using the finite element method. The results showed that the thermal stress was the main part of the ladle’s integrated stress, and that most of the stress’s large values appeared near the ladle body’s welding seams. Therefore, in order to ensure the safe and reliable operation of the ladle, in the design and manufacture, the thermal expansion coefficient of the lining should be lower, the stiffness gradient of the ladle body should be lower, and welding quality should be higher.

ladle;finite element simulation;temperature field;thermal mechanical integrated stress

TP391.9

A

1001-196X(2017)05-0031-04

2016-11-09；

2016-12-12

劉勇(1987-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)。