中間包結構有限元分析

2016-11-12  by:仿真在線  來源:互聯網

一直以來對中間包的研究都側重于中間包內流場的分析,有關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構分析,研究者卻很少關注,在這方面的文獻也較少。中間包的強度以及結構的穩定性對于澆注的順利進行以及保證鑄坯質量方面同樣起到很重要的作用。在熱應力以及外載荷作用下中間包會產生變形,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生裂紋,嚴重破壞包體結構,從而發生事故,不利于安全生產的進行。

某鋼廠中間包為七機七流,鑄機斷面尺寸為150mm×150mm,流間距為1250mm,澆注周期約為36min,主要生產碳素結構鋼Q235B,優質碳素結構鋼45#,低合金結構鋼25MnSiV、Q345B等鋼種,該中間包為T形結構,容量為40噸。中間包內襯耐火材料由外向內依次為工作層、永久層、保溫層。該中間包存在以下問題:

(1) 現場反應變形比較嚴重,而相應結構的六機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,靠四個耳軸支撐,中間底部與中間罐車橫梁不接觸,但隨著澆鑄時間的不斷增加,中間就會慢慢凹陷,澆鑄大約5-6小時后, 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與橫梁接觸;

(4) 出現過包殼發紅的現象,這說明現場出現包殼溫度過高的狀況,對澆注不利。

文獻[6]中提到中間包耳軸產生裂紋的力學原因是由于局部溫度梯度較大,產生熱應力集中。中間包在熱應力的作用下發生了扭曲變形,使得水口相對位置發生改變。文獻[7]同樣認為中間包產生裂紋的主要原因是由熱應力引起的,重力的影響較小。文獻[8]指出中間包起吊和工作時,最大應力分別出現在吊耳和平板上, 其中需要重點關注起吊狀態下的吊耳處。

3 有限元分析結果

3.1 溫度場分布

圖4為經過24小時后中間包鋼結構溫度場的分布,可以看出,最高溫度位于靠近耐火材料一側,中間包的側面,拐角位置,其最高溫度為461.1℃,其它位置溫度如云圖所示。需要指出的是,該溫度是在24小時后的溫度場分布,隨著澆鑄時間的延長,鋼結構的溫度會逐漸升高,最后會達到一個熱平衡溫度場,此時中間包鋼結構的最高溫度為597℃。

3.2 澆注狀態下應力分布

澆鑄狀態下,承載耳軸為左右兩側,即圖2中所示位置約束。中間包鋼結構的應力場分布云圖如圖5所示。中間包最大應力為478MPa,位于最高溫度對應位置,大于Q235的屈服極限。圖6為大于250 MPa應力的單元顯示,可以看出大于材料屈服極限的區域較大面積的出現,主要位于溢流高度的鋼結構內面位置,分析其原因主要是該位置溫度高,溫度梯度大。因此可以認為如果中間包一次性長期工作達到24小時以上,中間包鋼結構本體可能會發生塑性變形,即便冷卻后也不能完全恢復。

如圖3 所示,為經過24小時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,熱擴散速度比較慢,大的溫度梯度主要在耐火材料層內部。

3.3 凈載荷狀態下應力分布

如果不考慮熱應力的影響,只考慮重力載荷,此時中間包最大應力為110MPa,位于頂板拐角處,小于Q235的屈服極限。由于頂板不構成中間包整體結構強度的破壞,因此如果去掉頂板,中間包最大應力為64.2MPa,位于耳軸的根部,遠小于Q235的屈服極限。因此可以說中間包凈載荷強度滿足夠,滿足工程要求。

3.4 位移場分布

中間包鋼結構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,尤其是鋼結構受熱后引起的溫度不均勻分布,中間包鋼結構中部會向下凹沉,對于澆鑄狀態,最大向下位移為31.35 mm。

中間包鋼結構X向位移場分布如圖8所示,可以看出,由于鋼結構隨著時間,溫度逐漸升高,熱膨脹的作用使得中間包鋼結構沿X向延展,邊部最大延展為20.0mm。而對于水口位置,各水口(從中心到外側的順序)與冷態相比,分別向外延展1mm,7.45mm,13.9mm, 20mm。設計者可以將此計算作為參考,合理布置水口位置,以便使其澆鑄過程中偏流情況最小。

3.5 中間包耐火材料增厚溫度場及應力場分析

考慮到鋼結構在長時間使用時出現的熱變形問題,假設將長時間使用的中間罐耐火材料增加厚度,側面厚度為250mm,底面厚度為270mm,綜合導熱系數為1.2 W.m/k, 計算其溫度場及應力場分布情況。

澆鑄狀態下,經過24小時后,中間包鋼結構的最高溫度仍然位于靠近耐火材料一側,中間包的側面,拐角位置,最高溫度為305.4℃,比現有結構溫度降低了155℃。 經過無限長時間后, 最高溫度為473.5℃,也低于現有結構的597.4℃。

連續工作24小時后中間包最大應力為291MPa,遠小于現有結構的478MPa,位于最高溫度對應位置,雖然也大于Q235的屈服極限,但是通過大250MPa應力的單元顯示,發現:大于材料屈服極限的區域很小,只是以點狀零星分布在溢流高度位置,及個別拐點位置。因此可以認為耐火材料增厚的中間包一次性長期工作達到24小時以上,中間包鋼結構本體雖然也可能會發生局部塑性變形,但變形量較小。

耐材增厚后中間包鋼結構中部向下凹沉20.3mm,小于現有結構的31.4 mm。 對于相應的X向位移場分布:由于鋼結構隨著時間,溫度逐漸升高,熱膨脹的作用使得中間包鋼結構沿X向延展,邊部最大延展為13.6mm。而對于水口位置,各水口(從中心到外側的順序)與冷態相比,分別向外延展0.64mm,4.9mm,9.01mm,12.8mm。

4 結語

通過對某鋼廠中間包存在問題的分析,發現熱應力集中是使中間包結構產生變形和裂紋的主要原因。對現有的結構進行有限元分析,得到中間包結構最大應力超過材料的屈服極限,會產生結構的永久變形,而且結構的最高溫度較高,對中間包的安全性產生重要影響。通過增加耐火材料的厚度和減小綜合導熱系數進行進一步計算,可以看出能有效減少熱量向中間包鋼結構傳遞,降低結構的最高溫度和最大變形,減少集中應力的產生。

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