中間包結(jié)構(gòu)有限元分析

#中間包結(jié)構(gòu)有限元分析摘要介紹了某鋼廠中間包結(jié)構(gòu)存在的問題，簡要論述了中間包產(chǎn)生變形和裂紋的機(jī)理。利用數(shù)值模擬的方法對中間包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析，通過計(jì)算所得的中間包溫度場和應(yīng)力場，顯示中間包結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)和強(qiáng)度的薄弱位置，提出改進(jìn)方案。此外還改變中間包的耐火材料層的厚度和綜合導(dǎo)熱系數(shù)，分析這些因素對中間包溫度場和應(yīng)力場的影響，為中間包結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論支持。關(guān)鍵詞中間包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度有限元分析FiniteElementAnalysisoftheTundishStructureNISai-zhen,LIFu-shuai,TAOJin-ming（MetallurgicaltechnologyresearchinstituteofBeijinginCCTEC,Beijing100028,China）AbstractInthispaper,weintroducedtheproblemsofthetundishstructureinasteelworkatfirst,andbrieflydiscussedthemechanismfortheoccurringofthetundishdeformationandcrack.Usingthefiniteelementmethodtoanalyzestrengthandstiffnessforthetundishstructure,accordingtothetemperatureandstressfield,wecanfindhotpointandhighstressregion.Theeffectsofthefireproofmaterialthicknessandthetotalconductivecoefficientonthetemperatureandstressfieldarealsostudied.Keywordstundishstructurestrengthstiffnessfiniteelementanalysis1前言一直以來對中間包的研究都側(cè)重于中間包內(nèi)流場的分析，有關(guān)中間包流場研究的文章很多［1-，5］而對于中間包包體本身結(jié)構(gòu)分析，研究者卻很少關(guān)注，在這方面的文獻(xiàn)也較少。中間包的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于澆注的順利進(jìn)行以及保證鑄坯質(zhì)量方面同樣起到很重要的作用。在熱應(yīng)力以及外載荷作用下中間包會產(chǎn)生變形，改變水口間的相對位置。如果變形過大的話，會影響到水口對中操作。包體的變形還可能使其產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重破壞包體結(jié)構(gòu)從而發(fā)生事故，不利于安全生產(chǎn)的進(jìn)行。某鋼廠中間包為七機(jī)七流，鑄機(jī)斷面尺寸為150mmX150mm，流間距為1250mm，澆注周期約為36min,主要生產(chǎn)碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45#，低合金結(jié)構(gòu)鋼25MnSiV、Q345B等鋼種，該中間包為T形結(jié)構(gòu)，容量為40噸。中間包內(nèi)襯耐火材料由外向內(nèi)依次為工作層、永久層、保溫層。該中間包存在以下問題：（1）現(xiàn)場反應(yīng)變形比較嚴(yán)重，而相應(yīng)結(jié)構(gòu)的六機(jī)六流的中間包變形問題不明顯；（2）新的中間包在開始澆鑄時(shí)，靠四個耳軸支撐，中間底部與中間罐車橫梁不接觸，但隨著澆鑄時(shí)間的不斷增加，中間就會慢慢凹陷，澆鑄大約5-6小時(shí)后，中間底部就會與橫梁接觸；（3）舊中間包或多或少都存在中間凹陷的永久變形，有些變形較大，在澆鑄前中間底部就已經(jīng)與橫梁接觸；（4）出現(xiàn)過包殼發(fā)紅的現(xiàn)象，這說明現(xiàn)場出現(xiàn)包殼溫度過高的狀況，對澆注不利。文獻(xiàn)［6］中提到中間包耳軸產(chǎn)生裂紋的力學(xué)原因是由于局部溫度梯度較大，產(chǎn)生熱應(yīng)力集中。中間包在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生了扭曲變形，使得水口相對位置發(fā)生改變。文獻(xiàn)［7］同樣認(rèn)為中間包產(chǎn)生裂紋的主要原因是由熱應(yīng)力引起的，重力的影響較小。文獻(xiàn)［8］指出中間包起吊和工作時(shí)，最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在吊耳和平板上，其中需要重點(diǎn)關(guān)注起吊狀態(tài)下的吊耳處。2有限元模型幾何模型的建立利用商業(yè)軟件ANSYS根據(jù)幾何平面圖建立三維立體幾何模型，考慮到中間包幾何模型的對稱性，建立1/2實(shí)體模型圖。有限元模型的建立中間包的耐火材料分成3層，緊靠鋼結(jié)構(gòu)的一層約為10mm,為保溫層，導(dǎo)熱系數(shù)為0.37W/m?K；接下來是永久層，側(cè)邊厚度為135mm，底面厚度為175mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.4W/m?K；靠近鋼水的一層為工作層，厚度為35mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.7W/m?K。為了模型計(jì)算方便，將它們綜合為一層，側(cè)邊厚度為180mm，底面厚度為220mm，綜合導(dǎo)熱系數(shù)為W/m?K。中間包大部分材料為Q235，采用SOLID70單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的總單元數(shù)為80125，節(jié)點(diǎn)數(shù)21535，劃分后的網(wǎng)格圖如圖1所示。1ELEMENT31ELEMENT3ANUCT28￡U1U13:20:13圖1中間包單元網(wǎng)格圖根據(jù)中間包的實(shí)際工作狀況，本文采用熱-結(jié)構(gòu)分步耦合計(jì)算，即先根據(jù)熱邊界條件計(jì)算出溫度場，然后將其結(jié)果作為熱載荷施加到結(jié)構(gòu)計(jì)算中去。2.2.1溫度場計(jì)算載荷與邊界條件根據(jù)中間包的載荷描述，中間包工作液面800mm，溢流高度為900mm，最大承載鋼水42噸。因此模型內(nèi)襯面與鋼水接觸位置節(jié)點(diǎn)施加固定溫度載荷，本模型中選擇高溫1560°C。中間包外表面施加對流換熱系數(shù)為10W/m2K,環(huán)境溫度30C。中間包初始溫度30Co計(jì)算澆鑄24小時(shí)后中間包溫度場的分布。結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷與邊界條件因?yàn)橹虚g包是對稱模型，在對稱面上施加對稱位移邊界條件；考慮到內(nèi)襯在鋪設(shè)時(shí)存在間隙，因此在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)去掉內(nèi)襯模型；選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)腔表面0-900mm的面單元，根據(jù)不同高度施加鐵水靜壓力，即P=pgh其中h為單元中心距離底面高度，g為重力加速度，p為鐵水密度，取7000kg/m3o分別在耳軸位置的軸面上施加Z向位移約束,并約束其中一個耳軸的橫向，即Y向位移。其中Z向豎直向上，Y向?yàn)橹虚g包寬度方向，X向?yàn)橹虚g包長度方向，如圖［2］所示：1ELEMEIITSZ向位移約束U甬匚ELPPZ3-N0PM側(cè)面施加鐵水壓力ANUCT23Eulu13:24:US對稱邊界條件1ELEMEIITSZ向位移約束U甬匚ELPPZ3-N0PM側(cè)面施加鐵水壓力ANUCT23Eulu13:24:US對稱邊界條件￥向位霧約束3SS.499718514004Z764341Z8ZS49Z1Z0824344624810161740圖2結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷與邊界條件示意圖3有限元分析結(jié)果3.1溫度場分布圖3整個中間包溫度場的分布圖4中間罐鋼結(jié)構(gòu)溫度場的分布3.1溫度場分布圖3整個中間包溫度場的分布圖4中間罐鋼結(jié)構(gòu)溫度場的分布如圖3所示，為經(jīng)過24小時(shí)后整個中間包溫度場的分布，可以看出，由于耐火材料具有良好的隔熱效果，熱擴(kuò)散速度比較慢，大的溫度梯度主要在耐火材料層內(nèi)部。圖4為經(jīng)過24小時(shí)后中間包鋼結(jié)構(gòu)溫度場的分布，可以看出，最高溫度位于靠近耐火材料一側(cè)，中間包的側(cè)面，拐角位置，其最高溫度為461.1°C，其它位置溫度如云圖所示。需要指出的是，該溫度是在24小時(shí)后的溫度場分布，隨著澆鑄時(shí)間的延長，鋼結(jié)構(gòu)的溫度

會逐漸升高，最后會達(dá)到一個熱平衡溫度場，此時(shí)中間包鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度為597°C。澆注狀態(tài)下應(yīng)力分布澆鑄狀態(tài)下，承載耳軸為左右兩側(cè)，即圖2中所示位置約束。中間包鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布云圖如圖5所示。中間包最大應(yīng)力為478MPa,位于最高溫度對應(yīng)位置，大于Q235的屈服極限。圖6為大于250MPa應(yīng)力的單元顯示，可以看出大于材料屈服極限的區(qū)域較大面積的出現(xiàn)，主要位于溢流高度的鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)面位置，分析其原因主要是該位置溫度高，溫度梯度大。因此可以認(rèn)為如果中間包一次性長期工作達(dá)到24小時(shí)以上，中間包鋼結(jié)構(gòu)本體可能會發(fā)生塑性變形，即便冷卻后也不能完全恢復(fù)。圖5中間包鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布圖6中間鋼結(jié)構(gòu)大應(yīng)力單元顯示圖凈載荷狀態(tài)下應(yīng)力分布如果不考慮熱應(yīng)力的影響，只考慮重力載荷，此時(shí)中間包最大應(yīng)力為llOMPa,位于頂板拐角處，小于Q235的屈服極限。由于頂板不構(gòu)成中間包整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞，因此如果去掉頂板，中間包最大應(yīng)力為64.2MPa,位于耳軸的根部，遠(yuǎn)小于Q235的屈服極限。因此可以說中間包凈載荷強(qiáng)度滿足夠，滿足工程要求。位移場分布中間包鋼結(jié)構(gòu)Z向位移場分布如圖7所示，可以看出，由于鋼水對其向下的壓力作用，尤其是鋼結(jié)構(gòu)受熱后引起的溫度不均勻分布，中間包鋼結(jié)構(gòu)中部會向下凹沉，對于澆鑄狀態(tài)，最大向下位移為3l.35mm。中間包鋼結(jié)構(gòu)X向位移場分布如圖8所示，可以看出，由于鋼結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間，溫度逐漸升高，熱膨脹的作用使得中間包鋼結(jié)構(gòu)沿X向延展，邊部最大延展為20.0mm。而對于水口位置，各水口（從中心到外側(cè)的順序）與冷態(tài)相比，分別向外延展1mm,7.45mm，13.9mm，20mm。設(shè)計(jì)者可以將此計(jì)算作為參考，合理布置水口位置，以便使其澆鑄過程中偏流情況最小。圖7中間包鋼結(jié)構(gòu)Z向位移場分布圖8中間包鋼結(jié)構(gòu)X向位移場分布中間包耐火材料增厚溫度場及應(yīng)力場分析考慮到鋼結(jié)構(gòu)在長時(shí)間使用時(shí)出現(xiàn)的熱變形問題，假設(shè)將長時(shí)間使用的中間罐耐火材料增加厚度，側(cè)面厚度為250mm，底面厚度為270mm，綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W.m/k,計(jì)算其溫度場及應(yīng)力場分布情況。澆鑄狀態(tài)下，經(jīng)過24小時(shí)后，中間包鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度仍然位于靠近耐火材料一側(cè)，中間包的側(cè)面，拐角位置，最高溫度為305.4°C，比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)溫度降低了155°C。經(jīng)過無限長時(shí)間后，最高溫度為473.5C，也低于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的597.4C。連續(xù)工作24小時(shí)后中間包最大應(yīng)力為291MPa,遠(yuǎn)小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的478MPa,位于最高溫度對應(yīng)位置，雖然也大于Q235的屈服極限，但是通過大250MPa應(yīng)力的單元顯示，發(fā)現(xiàn)：大于材料屈服極限的區(qū)域很小，只是以點(diǎn)狀零星分布在溢流高度位置，及個別拐點(diǎn)位置。因此可以認(rèn)為耐火材料增厚的中間包一次性長期工作達(dá)到24小時(shí)以上，中間包鋼結(jié)構(gòu)本體雖然也可能會發(fā)生局部塑性變形，但變形量較小。耐材增厚后中間包鋼結(jié)構(gòu)中部向下凹沉20.3mm，小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的31.4mm。對于相應(yīng)的X向位移場分布：由于鋼結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間，溫度逐漸升高，熱膨脹的作用使得中間包鋼結(jié)構(gòu)沿X向延展，邊部最大延展為13.6mm。而對于水口位置，各水口（從中心到外側(cè)的順序）與冷態(tài)相比，分別向外延展0.64mm，4.9mm，9.01mm，12.8mm。中間罐耐火材料增厚并改變導(dǎo)熱系數(shù)溫度場及應(yīng)力場分析如果在上述增厚的基礎(chǔ)上，改變耐火材料的導(dǎo)熱性能，取綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1W/mK，計(jì)算其溫度場及應(yīng)力場分布情況。澆鑄狀態(tài)下，經(jīng)過24小時(shí)后，中間包鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度也是位于靠近耐火材料一側(cè)，中間罐的側(cè)面，拐角位置，最高溫度為253.8°C,比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)溫度降低了207Co經(jīng)過無限長時(shí)間后，最高溫度為416.7C，也低于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的597.4C。連續(xù)工作24小時(shí)中間包最大應(yīng)力為248MPa，遠(yuǎn)小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的478MPa，位于最高溫度對應(yīng)位置，雖然也大于Q235的屈服極限，但是通過大于250MPa應(yīng)力的單元顯示，發(fā)現(xiàn)：大于材料屈服極限的區(qū)域很小，存在于個別拐點(diǎn)位置，并少于導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W/mK的結(jié)構(gòu)。改變綜合導(dǎo)熱系數(shù)后中間包鋼結(jié)構(gòu)中部向下凹沉18.1mm,小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的31.4mm。對于相應(yīng)的X向位移場分布：由于鋼結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間，溫度逐漸升高，熱膨脹的作用使得中間罐車鋼結(jié)構(gòu)沿X向延展，邊部最大延展為11.45mm。而對于水口位置，各水口（從中心到外側(cè)的順序）與冷態(tài)相比，分別向外延展0.54mm，4.12mm，7.43mm，10.51mm。通過以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用阻熱效果好的保溫材料，能有效地減少熱量向中間包鋼結(jié)構(gòu)傳遞，從而減小鋼結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，保證鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。由于本文中的中間包變形過大，建議增加中間包耐