鋼包熱機械綜合應力的仿真研究

劉 勇

(山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101)

鋼包熱機械綜合應力的仿真研究

劉 勇

(山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101)

鋼包是鋼鐵冶金工業中重要的高溫儲運設備，為了了解鋼包工作時應力分布及組成情況，采用有限元方法對115 t鋼包進行了仿真分析。溫度場和熱機械綜合應力分析表明熱應力是鋼包熱機械綜合應力的主要組成部分，并且應力大值多出現在包體焊縫處。因此，鋼包設計制作過程中，要盡量選用熱膨脹系數小的內襯材料，盡可能減小包體剛度梯度，嚴格控制焊接質量，以保證鋼包安全可靠運行。

鋼包；有限元仿真；溫度場；熱機械綜合應力

0 前言

鋼包是鋼鐵冶金工業中重要的高溫儲運設備，在轉爐和電爐煉鋼、鋼水精煉及連鑄過程中有著廣泛的應用。工作時，鋼包既要承受自重、鋼水重力等機械載荷的作用，又要承受鋼水高溫熱載荷的影響，負載狀況復雜，工作環境惡劣[1-3]。因此，研究鋼包在復雜工況下的應力情況對鋼包的設計制造及安全可靠運行具有重要意義。本文采用有限元仿真，對115 t鋼包的熱機械綜合應力及其分布和組成情況進行了分析研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

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

鋼包結構和負載狀況均較復雜，建模時忽略鋼包附件、倒角、焊縫等的影響。圖1為鋼包三維模型，可見該模型為面對稱結構，為節省計算資源取鋼包四分之一為有限元分析對象。劃分網格時，內襯采用較粗網格，包體采用較細網格。劃分網格后的模型如圖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 鋼包有限元網格模型

1.2 材料屬性的設定

鋼包包體為鋼制焊接件，內襯由耐火材料砌筑，其中永久層為微膨脹高鋁質，工作層為鋁鎂碳質。除導熱系數和比熱容外，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 材料導熱系數 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

將鋼包工作時的傳熱過程視為穩態傳熱過程，工作層內壁中下部與熾熱的鋼水接觸，溫度載荷取1600℃，上部與高溫煙氣接觸，溫度載荷取1500℃。鋼包直接跟空氣接觸的外表面與環境的熱交換方式有對流和輻射兩種，通常將二者疊加轉化為一綜合對流換熱系數，鋼包外表面各部位的綜合對流換熱系數如表4所示[8-15]。

表4 鋼包外表面綜合對流換熱系數

2.2 溫度場分析結果

將熱邊界條件施加于模型，經仿真計算可得鋼包溫度場。圖3為鋼包包體溫度場分布云圖，可見包沿處溫度最高，達350℃，這是高溫煙氣沖擊所致；最低溫度出現在耳軸、耳軸箱處，約125℃～150℃，因為此處散熱面積較大、距離高溫鋼水較遠；另外包壁溫度出現上、中、下三個高溫區，溫度均在280℃左右。

圖3 鋼包包體溫度場分布云圖

3 熱機械綜合應力仿真分析

3.1 熱應力分析結果

將鋼包溫度場分析結果施加于模型并在輔助塊處施加固定約束，經仿真可得鋼包熱應力。圖4為鋼包包體熱應力分布云圖，可見熱應力最大值近300 MPa，出現在耳軸箱加強筋處，因為此處結構剛度大，包體變形產生壓應力；耳軸熱應力最大值出現在耳軸下部耳軸座與輔助塊之間，約170 MPa；由于內襯沿鋼包軸向膨脹量較大，包沿處熱應力高達245 MPa；包壁靠近包底處熱應力約190 MPa，這是包底處內襯膨脹擠壓所致。

圖4 鋼包包體熱應力分布云圖

3.2 機械應力仿真結果

鋼包工作時所受機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現，鋼水重力是通過在工作層與鋼水接觸的內表面上施加靜水壓力實現的。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，經仿真計算可得鋼包機械應力。圖5為鋼包包體機械應力分布云圖，可見機械應力主要出現在耳軸箱附近，耳軸箱下部的加強筋處機械應力最大且為拉應力，約為64 MPa；耳軸需要承擔所有的機械載荷，其最大應力為55 MPa，出現在耳軸下部與輔助塊接觸處。

圖5 鋼包包體機械應力分布云圖

3.3 熱機械綜合應力仿真結果

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

圖6 鋼包包體熱機械綜合應力分布云圖

3.4 耳軸箱處子模型分析

鋼包耳軸箱處結構復雜，為了得到可靠的結果，取耳軸箱處一部分包體模型進一步細化網格以進行綜合應力子模型分析，所得熱機械綜合應力分布云圖如圖7所示。可見加強筋和耳軸座連接處應力最大值約為273 MPa，耳軸下部與耳軸座和吊具連接處的應力為160～190 MPa，與圖6中的應力值十分接近，因此可以認為該仿真分析已經收斂，分析結果有較大可靠性。

圖7 耳軸箱處熱機械綜合應力分布云圖

4 結論

(1) 鋼包熱機械綜合應力主要由熱應力組成，機械應力僅在耳軸箱處占有可觀的比例，故應采用熱膨脹系數低的耐火材料砌筑內襯，并盡可能減小鋼包包體結構的剛度梯度。

(2) 鋼包熱機械綜合應力大值多出現在包體焊縫處，因此在鋼包的設計制作過程中，要盡量減少焊縫，焊條材料的強度和韌性要與包體材料匹配，嚴控焊接和探傷過程，確保焊接質量。

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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，研究方向為機械設備研發設計。