新型鋼包的應力場及其影響因素模擬分析

李公法，李　喆，孔建益，蔣國璋，常文俊，李　貝，李　輝

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081 ；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項目部，湖北 黃石，435001)

新型鋼包的應力場及其影響因素模擬分析

李公法1，李喆1，孔建益1，蔣國璋1，常文俊1，李貝1，李輝2

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081 ；2.湖北新冶鋼有限公司中棒線項目部，湖北 黃石，435001)

摘要：以具有納米絕熱材料內襯的新型鋼包為研究對象，通過建立三維有限元模型，運用ANSYS軟件分析該種新型鋼包與傳統鋼包在盛鋼工況下的應力分布，并研究納米絕熱材料的導熱系數、彈性模量、熱膨脹系數對新型鋼包應力場的影響。結果表明，盛鋼工況下新型鋼包的應力分布明顯優于傳統鋼包，新型鋼包包殼的最大應力比傳統鋼包包殼的最大應力減小22 MPa；在一定范圍內，新型鋼包包殼的應力隨納米絕熱材料導熱系數和熱膨脹系數的降低以及彈性模量的增大而逐漸減小。

關鍵詞：鋼包；納米絕熱材料；應力場；導熱系數；彈性模量；熱膨脹系數；數值模擬

為了提高鋼包的保溫性能和延長鋼包的使用壽命，近年來，很多研究者對新結構鋼包進行研究，取得了一定的研究成果[1-3]。筆者對新型鋼包的溫度場進行分析得到，新型鋼包的溫度分布優于傳統鋼包,新型鋼包的保溫隔熱性能比傳統鋼包更加優良[4]。李貴順[5]將新型納米材料作為鋼包隔熱層用于生產試驗，發現由于該材料具備較低的導熱系數和良好的保溫性能，大大減少了鋼包的散熱和包殼的熱應力，有利于提高包殼的強度和抗蠕變性能。同時，在煉鋼生產實際中發現，鋼包的溫度和應力過高會導致鋼包材料出現裂紋、襯壁焊縫開裂，出現漏鋼、滲鋼等現象，給鋼鐵企業的生產造成不良后果。為此，本文采用有限元方法，對具有納米絕熱材料內襯的新型鋼包在盛鋼工況下進行應力場分析，并研究納米絕熱材料的導熱系數、彈性模量、熱膨脹系數對新型鋼包應力場的影響，以期為優化新型鋼包的內襯結構、延長鋼包的使用壽命提供參考。

1新型鋼包有限元模型的建立

1.1新型鋼包的內襯結構

本研究新型鋼包的主要尺寸：外高5.210 m、內腔高4.285 m、外徑為3.956 m、內徑為3.294 m，其內襯結構如圖1所示。傳統鋼包的內襯主要分為工作層、永久層和包殼三部分。新型鋼包在傳統鋼包的永久層和包殼之間加入了襯壁和納米絕熱材料層，其中襯壁由Q345B鋼板焊接而成，納米絕熱材料層采用的是由氣相氧化硅和硅酸鈣制備而成的納米微孔材料，這種納米材料具有優異的絕熱性能、良好的力學性能以及火焰阻斷性能，它可實現耐1000 ℃的使用溫度。新型鋼包各內襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度如表1所示。

1—工作層；2—永久層；3—襯壁；

表1新型鋼包各內襯層所用材料及其在桶身和包底處的厚度

Table 1 Material and thickness of each lining layer in barrel body and ladle bottom of the new type ladle

內襯層材料占包底厚度/mm占桶身厚度/mm工作層鋁鎂碳質240170永久層高鋁質155105襯壁Q345B55納米絕熱材料層氣相氧化硅和硅酸鈣2020包殼Q345B3232

1.2有限元模型的建立和網格劃分

運用ANSYS軟件對鋼包進行建模，選定建模尺寸(單位:m)，設定建模比例為1∶1，建立的新型鋼包三維模型如圖2所示。采用自由劃分的方式對所建模型進行網格劃分，單元尺寸設定為0.1，選用ANSYS中的SOLID70單元進行網格劃分，得到112 683個網格和23 943個節點。新型鋼包的網格圖如圖3所示。

Fig.2 3D model of the new type ladle

圖2　新型鋼包的三維模型

Fig.3 Grid graph of the new type ladle

1.3邊界條件和材料參數

將盛鋼工況下鋼包內襯工作層的內表面溫度設定為1600 ℃，環境溫度設定為30 ℃。鋼包的綜合對流換熱系數為12.702 W/(m2·K)[6-8],鋼包各內襯層材料的物性參數如表2所示[6]，不同溫度下新型鋼包各內襯層材料的導熱率如表3所示。

圖3　新型鋼包的網格圖

Table 2 Material physical property parameters of each lining layer of ladle

表2　鋼包各內襯層材料的物性參數

表3不同溫度下新型鋼包各內襯層材料的導熱率(單位：W·(m·K)-1)

Table 3 Thermal conductivity of each lining layer of the new type ladle at different temperatures

內襯層溫度/℃204008001200工作層1.151.31.511.6永久層0.50.630.750.9襯壁54423131納米絕熱材料層0.0230.0280.0340.038包殼54423131

2盛鋼工況下新型鋼包應力場的數值模擬

在相同的模型網格單元類型和邊界條件加載下，在盛鋼工況下對新型鋼包和傳統鋼包的應力場進行仿真分析。

盛鋼工況下新型鋼包和傳統鋼包工作層、永久層、包殼的應力分布分別如圖4～圖6所示。從圖4中可以看出，新型鋼包和傳統鋼包工作層的最大應力分別為46.6、52.6 MPa。從圖5中可以看出，新型鋼包和傳統鋼包永久層的最大應力分別為35.9、38.5 MPa。從圖6中可以看出，新型鋼包和傳統鋼包包殼的最大應力分別為281、303 MPa。由此表明，傳統鋼包與新型鋼包在工作層和永久層的應力水平差別不大，但新型鋼包包殼的最大應力較傳統鋼包減小22 MPa。

(a)新型鋼包

(b)傳統鋼包

圖4盛鋼工況下新型鋼包和傳統鋼包的工作層應力分布

Fig.4 Stress distribution in working layer of the new type and traditional ladles during steel holding

(a)新型鋼包

(b)傳統鋼包

圖5盛鋼工況下新型鋼包和傳統鋼包的永久層應力分布

Fig.5 Stress distribution in the permanent layer of the new type and traditional ladles during steel holding

(a)新型鋼包

(b)傳統鋼包

Fig.6 Stress distribution in the shell of the new type and traditional ladles during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包納米絕熱材料層和襯壁的應力分布分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，新型鋼包納米絕熱層的最大應力為25.5 MPa。從圖8中可以看出，新型鋼包襯壁的最大應力為232 MPa。由此表明，新型鋼包納米絕熱材料層與工作層、永久層的應力水平均處在較低水平，且最大應力都在鋼包可承受的范圍之內；而新型鋼包襯壁和包殼的應力均處在較高的水平。這是因為，襯壁和包殼的材質都屬于普通碳素結構鋼，其熱膨脹系數較耐火材料要高，故在相同溫度下其熱形變較大，當形變受到其他各部件的相互阻礙制約而無法釋放時便在結構內部產生熱應力。因此，在盛鋼工況下，鋼包由于受到鋼液重力和鋼液溫度的共同作用，在襯壁和包殼處產生了較大熱應力，使襯壁和包殼的應力水平較高。

圖7　盛鋼工況下新型鋼包納米絕熱材料層的應力分布

Fig.7 Stress distribution in the thermal insulating nano-material layer of the new type ladle during steel holding

圖8　盛鋼工況下新型鋼包襯壁的應力分布

Fig.8 Stress distribution in the liner of the new type ladle during steel holding

盛鋼工況下新型鋼包和傳統鋼包各內襯層應力分布見表4。由表4可見，新型鋼包和傳統鋼包在工作層和永久層的應力水平差別不大，但新型鋼包包殼的大部分區域應力水平的范圍較傳統鋼包明顯收窄，新型鋼包包殼的最小應力與傳統鋼包相同，但最大應力較傳統鋼包減小22 MPa。雖然包殼的應力水平降低幅度不是特別大，但使鋼包具有足夠的應力富裕，其安全性得以進一步提高。由此表明，相對于傳統鋼包較為簡單的三層結構，新型鋼包加入了一層納米絕熱材料內襯后，新型鋼包的應力分布要明顯優于傳統鋼包。

表4　盛鋼工況下新型鋼包和傳統鋼包各內襯層的應力分布(單位：MPa)

3新型鋼包應力場影響因素分析

在納米絕熱材料的物性參數中，熱傳導系數、熱膨脹系數和彈性模量對應力場的影響較大[9]，同時，在鋼包內襯結構中，包殼可以作為一個衡量鋼包應力分布的載體[10]。因此本文主要分析在盛鋼工況下納米絕熱材料的導熱系數、彈性模量和熱膨脹系數的變化對鋼包包殼應力的影響。

3.1納米絕熱材料的導熱系數對鋼包應力場的影響

在保持其他參數不變的情況下，降低納米絕熱材料導熱系數后盛鋼工況下新型鋼包包殼的應力分布如表5所示。從表5中可以看出，當納米絕熱材料的導熱系數分別降低20%、40%、60%、80%后，包殼的最大應力較采用原始納米絕熱材料時分別減小了10、14、29、33 MPa；包殼的最小應力和包殼大部分區域所處的應力都比采用原始納米絕熱材料時包殼的應力要小。由此表明，在一定范圍內，新型鋼包包殼的應力隨納米絕熱材料導熱系數的降低而不斷減小。這是因為，降低納米絕熱材料的導熱系數，其實質就是增大了納米材料的熱阻，單位時間內通過納米絕熱層的熱量就減小，最終傳遞到包殼的熱量就較少，故包殼因受熱影響產生的變形就小，表現為包殼的熱應力減小。

表5納米絕熱材料導熱率降低后包殼的應力分布

Table 5 Stress distribution in the shell after the decrease of thermal conductivity of heat insulation nano-material

納米材料導熱系數降低百分比包殼應力/MPa最小最大大部分區域-0.6028131.2～24920%0.3827130.1～24140%0.5326729.8～23860%0.4925228.1～22480%0.4524827.4～221

3.2納米絕熱材料的彈性模量對鋼包應力場的影響

在保持其他參數不變的情況下，改變納米絕熱材料的彈性模量后盛鋼工況下新型鋼包包殼的應力分布如表6所示。從表6中可以看出，隨著納米絕熱材料彈性模量逐漸增大，包殼的最大應力明顯減小，包殼大部分區域所處的應力也逐步減小。這是因為，彈性模量是衡量材料抵抗變形能力大小的物理量，隨納米絕熱材料的彈性模量不斷增大其抵抗變形的能力逐漸提高，其相應的形變量減小，納米絕熱層的形變減小后，其對鋼包其它內襯層的制約和牽制作用也就相應減小，最終導致鋼包內襯的總形變量整體減小，鋼液本身的重力作用對包殼產生的機械應力也就相應減小。

表6納米絕熱材料彈性模量改變后包殼的應力分布

Table 6 Stress distribution in the shell after the change of elasticity modulus of heat insulation nano-material

彈性模量/GPa包殼應力/MPa最小最大大部分區域10.64830433.8～2701.50.628932.1～25620.628131.2～2492.50.61227430.5～24330.60826329.3～234

3.3納米絕熱材料的熱膨脹系數對鋼包應力場的影響

在保持其他參數不變的情況下，改變納米絕熱材料熱膨脹系數后盛鋼工況下新型鋼包包殼的應力分布如表7所示。由表7可以看出，隨著納米絕熱材料熱膨脹系數的降低，包殼的最大和最小應力均逐漸減小，包殼大部分區域的應力水平也隨之下降。這是因為，熱膨脹系數是反映物體材料溫度改變時其體積率的大小，熱膨脹系數減小，即物體在相同溫度變化下的體積變化較小，這樣納米材料的形變量就小，最終導致鋼包內襯的總體形變量較小，其宏觀表現就是鋼包的應力減小。

表7納米絕熱材料熱膨脹系數改變后包殼應力分布

Table 7 Stresses distribution in the shell after the change of thermal expansion coefficient of heat insulation nano-material

熱膨脹系數/10-6K-1包殼應力/MPa最小最大大部分區域1.20.628131.2～2491.00.627630.7～2450.80.5927430.5～2440.60.5627330.3～2420.40.5527130.2～241

4結論

(1)盛鋼工況下由于鋼液溫度和重力的共同作用，使鋼包包殼的應力水平較高，加入了納米絕熱材料層的新型鋼包的應力分布明顯優于傳統鋼包，盛鋼工況下新型鋼包包殼的最大應力比傳統鋼包包殼的最大應力減小22 MPa。

(2)在一定范圍內，新型鋼包包殼的應力隨納米絕熱材料導熱系數、熱膨脹系數的降低以及彈性模量的增大而不斷減小。因此，選用導熱系數和熱膨脹系數較小、彈性模量較大的納米絕熱材料作為鋼包內襯，可以改善新型鋼包包殼的應力分布，有助于提升鋼包的保溫性能和延長鋼包的使用壽命。

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[責任編輯張惠芳]

Simulation analysis of stress field and its influence factors of the new type ladle

LiGongfa1,LiZhe1,KongJianyi1,JiangGuozhang1,ChangWenjun1,LiBei1,LiHui2

(1.College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081,China;2.Project Department of Medium Size Steel Bar,Hubei Xinyegang Steel Co.,Ltd., Huangshi 435001,China )

Abstract:With a new type ladle with heat insulation nano-material lining as the research object, the 3D finite element model was established, and the stress field of the new type and traditional ladles were analyzed by ANSYS under the condition of steel holding. The effects of thermal conductivity, elasticity modulus and thermal expansion coefficient of heat insulation nano-material on the stress field of the new type ladle were investigated. The results show that stress distribution of the new type ladle is better than that of the traditional ladle under the condition of steel holding, and the maximum stress of the new type ladle shell is 22 MPa less than that of the traditional one. Within a certain range, the stress of the new type ladle shell gradually decreases with the decrease of the thermal conductivity and thermal expansion coefficient and increase of elasticity modulus for heat insulation nano-material.

Key words：ladle; heat insulation nano-material; stress field; thermal conductivity; elasticity modulus; thermal expansion coefficient; numerical simulation

收稿日期：2015-10-27

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51075310，51505346)；湖北省自然科學基金資助項目(2010CDA023).

作者簡介：李公法(1979-)，男，武漢科技大學副教授，博士.E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

中圖分類號：TF341.9

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)01-0019-05