新型钢包的应力场及其影响因素模拟分析

李公法，李　喆，孔建益，蒋国璋，常文俊，李　贝，李　辉

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081 ；2.湖北新冶钢有限公司中棒线项目部，湖北 黄石，435001)

新型钢包的应力场及其影响因素模拟分析

李公法1，李喆1，孔建益1，蒋国璋1，常文俊1，李贝1，李辉2

(1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081 ；2.湖北新冶钢有限公司中棒线项目部，湖北 黄石，435001)

摘要：以具有纳米绝热材料内衬的新型钢包为研究对象，通过建立三维有限元模型，运用ANSYS软件分析该种新型钢包与传统钢包在盛钢工况下的应力分布，并研究纳米绝热材料的导热系数、弹性模量、热膨胀系数对新型钢包应力场的影响。结果表明，盛钢工况下新型钢包的应力分布明显优于传统钢包，新型钢包包壳的最大应力比传统钢包包壳的最大应力减小22 MPa；在一定范围内，新型钢包包壳的应力随纳米绝热材料导热系数和热膨胀系数的降低以及弹性模量的增大而逐渐减小。

关键词：钢包；纳米绝热材料；应力场；导热系数；弹性模量；热膨胀系数；数值模拟

为了提高钢包的保温性能和延长钢包的使用寿命，近年来，很多研究者对新结构钢包进行研究，取得了一定的研究成果[1-3]。笔者对新型钢包的温度场进行分析得到，新型钢包的温度分布优于传统钢包,新型钢包的保温隔热性能比传统钢包更加优良[4]。李贵顺[5]将新型纳米材料作为钢包隔热层用于生产试验，发现由于该材料具备较低的导热系数和良好的保温性能，大大减少了钢包的散热和包壳的热应力，有利于提高包壳的强度和抗蠕变性能。同时，在炼钢生产实际中发现，钢包的温度和应力过高会导致钢包材料出现裂纹、衬壁焊缝开裂，出现漏钢、渗钢等现象，给钢铁企业的生产造成不良后果。为此，本文采用有限元方法，对具有纳米绝热材料内衬的新型钢包在盛钢工况下进行应力场分析，并研究纳米绝热材料的导热系数、弹性模量、热膨胀系数对新型钢包应力场的影响，以期为优化新型钢包的内衬结构、延长钢包的使用寿命提供参考。

1新型钢包有限元模型的建立

1.1新型钢包的内衬结构

本研究新型钢包的主要尺寸：外高5.210 m、内腔高4.285 m、外径为3.956 m、内径为3.294 m，其内衬结构如图1所示。传统钢包的内衬主要分为工作层、永久层和包壳三部分。新型钢包在传统钢包的永久层和包壳之间加入了衬壁和纳米绝热材料层，其中衬壁由Q345B钢板焊接而成，纳米绝热材料层采用的是由气相氧化硅和硅酸钙制备而成的纳米微孔材料，这种纳米材料具有优异的绝热性能、良好的力学性能以及火焰阻断性能，它可实现耐1000 ℃的使用温度。新型钢包各内衬层所用材料及其在桶身和包底处的厚度如表1所示。

1—工作层；2—永久层；3—衬壁；

表1新型钢包各内衬层所用材料及其在桶身和包底处的厚度

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

内衬层材料占包底厚度/mm占桶身厚度/mm工作层铝镁碳质240170永久层高铝质155105衬壁Q345B55纳米绝热材料层气相氧化硅和硅酸钙2020包壳Q345B3232

1.2有限元模型的建立和网格划分

运用ANSYS软件对钢包进行建模，选定建模尺寸(单位:m)，设定建模比例为1∶1，建立的新型钢包三维模型如图2所示。采用自由划分的方式对所建模型进行网格划分，单元尺寸设定为0.1，选用ANSYS中的SOLID70单元进行网格划分，得到112 683个网格和23 943个节点。新型钢包的网格图如图3所示。

Fig.2 3D model of the new type ladle

图2　新型钢包的三维模型

Fig.3 Grid graph of the new type ladle

1.3边界条件和材料参数

将盛钢工况下钢包内衬工作层的内表面温度设定为1600 ℃，环境温度设定为30 ℃。钢包的综合对流换热系数为12.702 W/(m2·K)[6-8],钢包各内衬层材料的物性参数如表2所示[6]，不同温度下新型钢包各内衬层材料的导热率如表3所示。

图3　新型钢包的网格图

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

表2　钢包各内衬层材料的物性参数

表3不同温度下新型钢包各内衬层材料的导热率(单位：W·(m·K)-1)

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

内衬层温度/℃204008001200工作层1.151.31.511.6永久层0.50.630.750.9衬壁54423131纳米绝热材料层0.0230.0280.0340.038包壳54423131

2盛钢工况下新型钢包应力场的数值模拟

在相同的模型网格单元类型和边界条件加载下，在盛钢工况下对新型钢包和传统钢包的应力场进行仿真分析。

盛钢工况下新型钢包和传统钢包工作层、永久层、包壳的应力分布分别如图4～图6所示。从图4中可以看出，新型钢包和传统钢包工作层的最大应力分别为46.6、52.6 MPa。从图5中可以看出，新型钢包和传统钢包永久层的最大应力分别为35.9、38.5 MPa。从图6中可以看出，新型钢包和传统钢包包壳的最大应力分别为281、303 MPa。由此表明，传统钢包与新型钢包在工作层和永久层的应力水平差别不大，但新型钢包包壳的最大应力较传统钢包减小22 MPa。

(a)新型钢包

(b)传统钢包

图4盛钢工况下新型钢包和传统钢包的工作层应力分布

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

(a)新型钢包

(b)传统钢包

图5盛钢工况下新型钢包和传统钢包的永久层应力分布

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

(a)新型钢包

(b)传统钢包

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

盛钢工况下新型钢包纳米绝热材料层和衬壁的应力分布分别如图7和图8所示。从图7中可以看出，新型钢包纳米绝热层的最大应力为25.5 MPa。从图8中可以看出，新型钢包衬壁的最大应力为232 MPa。由此表明，新型钢包纳米绝热材料层与工作层、永久层的应力水平均处在较低水平，且最大应力都在钢包可承受的范围之内；而新型钢包衬壁和包壳的应力均处在较高的水平。这是因为，衬壁和包壳的材质都属于普通碳素结构钢，其热膨胀系数较耐火材料要高，故在相同温度下其热形变较大，当形变受到其他各部件的相互阻碍制约而无法释放时便在结构内部产生热应力。因此，在盛钢工况下，钢包由于受到钢液重力和钢液温度的共同作用，在衬壁和包壳处产生了较大热应力，使衬壁和包壳的应力水平较高。

图7　盛钢工况下新型钢包纳米绝热材料层的应力分布

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

图8　盛钢工况下新型钢包衬壁的应力分布

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

盛钢工况下新型钢包和传统钢包各内衬层应力分布见表4。由表4可见，新型钢包和传统钢包在工作层和永久层的应力水平差别不大，但新型钢包包壳的大部分区域应力水平的范围较传统钢包明显收窄，新型钢包包壳的最小应力与传统钢包相同，但最大应力较传统钢包减小22 MPa。虽然包壳的应力水平降低幅度不是特别大，但使钢包具有足够的应力富裕，其安全性得以进一步提高。由此表明，相对于传统钢包较为简单的三层结构，新型钢包加入了一层纳米绝热材料内衬后，新型钢包的应力分布要明显优于传统钢包。

表4　盛钢工况下新型钢包和传统钢包各内衬层的应力分布(单位：MPa)

3新型钢包应力场影响因素分析

在纳米绝热材料的物性参数中，热传导系数、热膨胀系数和弹性模量对应力场的影响较大[9]，同时，在钢包内衬结构中，包壳可以作为一个衡量钢包应力分布的载体[10]。因此本文主要分析在盛钢工况下纳米绝热材料的导热系数、弹性模量和热膨胀系数的变化对钢包包壳应力的影响。

3.1纳米绝热材料的导热系数对钢包应力场的影响

在保持其他参数不变的情况下，降低纳米绝热材料导热系数后盛钢工况下新型钢包包壳的应力分布如表5所示。从表5中可以看出，当纳米绝热材料的导热系数分别降低20%、40%、60%、80%后，包壳的最大应力较采用原始纳米绝热材料时分别减小了10、14、29、33 MPa；包壳的最小应力和包壳大部分区域所处的应力都比采用原始纳米绝热材料时包壳的应力要小。由此表明，在一定范围内，新型钢包包壳的应力随纳米绝热材料导热系数的降低而不断减小。这是因为，降低纳米绝热材料的导热系数，其实质就是增大了纳米材料的热阻，单位时间内通过纳米绝热层的热量就减小，最终传递到包壳的热量就较少，故包壳因受热影响产生的变形就小，表现为包壳的热应力减小。

表5纳米绝热材料导热率降低后包壳的应力分布

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

纳米材料导热系数降低百分比包壳应力/MPa最小最大大部分区域-0.6028131.2～24920%0.3827130.1～24140%0.5326729.8～23860%0.4925228.1～22480%0.4524827.4～221

3.2纳米绝热材料的弹性模量对钢包应力场的影响

在保持其他参数不变的情况下，改变纳米绝热材料的弹性模量后盛钢工况下新型钢包包壳的应力分布如表6所示。从表6中可以看出，随着纳米绝热材料弹性模量逐渐增大，包壳的最大应力明显减小，包壳大部分区域所处的应力也逐步减小。这是因为，弹性模量是衡量材料抵抗变形能力大小的物理量，随纳米绝热材料的弹性模量不断增大其抵抗变形的能力逐渐提高，其相应的形变量减小，纳米绝热层的形变减小后，其对钢包其它内衬层的制约和牵制作用也就相应减小，最终导致钢包内衬的总形变量整体减小，钢液本身的重力作用对包壳产生的机械应力也就相应减小。

表6纳米绝热材料弹性模量改变后包壳的应力分布

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

弹性模量/GPa包壳应力/MPa最小最大大部分区域10.64830433.8～2701.50.628932.1～25620.628131.2～2492.50.61227430.5～24330.60826329.3～234

3.3纳米绝热材料的热膨胀系数对钢包应力场的影响

在保持其他参数不变的情况下，改变纳米绝热材料热膨胀系数后盛钢工况下新型钢包包壳的应力分布如表7所示。由表7可以看出，随着纳米绝热材料热膨胀系数的降低，包壳的最大和最小应力均逐渐减小，包壳大部分区域的应力水平也随之下降。这是因为，热膨胀系数是反映物体材料温度改变时其体积率的大小，热膨胀系数减小，即物体在相同温度变化下的体积变化较小，这样纳米材料的形变量就小，最终导致钢包内衬的总体形变量较小，其宏观表现就是钢包的应力减小。

表7纳米绝热材料热膨胀系数改变后包壳应力分布

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

热膨胀系数/10-6K-1包壳应力/MPa最小最大大部分区域1.20.628131.2～2491.00.627630.7～2450.80.5927430.5～2440.60.5627330.3～2420.40.5527130.2～241

4结论

(1)盛钢工况下由于钢液温度和重力的共同作用，使钢包包壳的应力水平较高，加入了纳米绝热材料层的新型钢包的应力分布明显优于传统钢包，盛钢工况下新型钢包包壳的最大应力比传统钢包包壳的最大应力减小22 MPa。

(2)在一定范围内，新型钢包包壳的应力随纳米绝热材料导热系数、热膨胀系数的降低以及弹性模量的增大而不断减小。因此，选用导热系数和热膨胀系数较小、弹性模量较大的纳米绝热材料作为钢包内衬，可以改善新型钢包包壳的应力分布，有助于提升钢包的保温性能和延长钢包的使用寿命。

参考文献

[1]Li G F, Liu J, Jiang G Z, et al. Simulation of expansion joint of bottom lining in ladle and its influence on thermal stress[J]. International Journal of Online Engineering, 2013, 9(2):5-8.

[2]李和祯，郑丽君，罗旭东，等. 不同材质钢包内衬烘烤过程中温度场的数值模拟[J]. 耐火材料，2014，48(6):428-431.

[3]Mario T. Optimising ladle furnace operations by controlling the heat loss of casting ladles [J].SEAISI Quarterly (South East Asia Iron and Steel Institute), 2013, 42(1):40-46.

[4]李公法，刘泽，孔建益，等. 新型钢包的温度场及其影响因素模拟分析[J].武汉科技大学学报,2015,38(6):401-407.

[5]李贵顺. 新型保温材料在钢包隔热层上的应用研究[J]. 冶金丛刊，2012(2)：6-8.

[6]Li G F, Liu J, Jiang G Z, et al. Numerical simulation of temperature field and thermal stress field in the new type of ladle with the nanometer adiabatic material [J].Advances in Mechanical Engineering, 2015,7(4):1-13.

[7]Padokhin V A, Zueva G A, Kokurina G N, et al. Complex mathematical description of heat and mass transfer in the drying of an infinite cylindrical body with analytical methods of heat-conduction theory[J]. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2015, 49(1):50-60.

[8]杨帅,张红亮,邹忠,等.铝电解槽槽体与环境界面换热系数的计算[J].中国有色金属学报,2015,25(2):515-522.

[9]Li G F, Qu P X, Kong J Y, et al. Influence of working lining parameters on temperature and stress field of ladle [J]. Applied Mathematics and Information Sciences, 2013, 7(2): 439-448.

[10]杨海龙，倪文，梁涛，等. 硅酸铝纤维增强纳米孔绝热材料的制备与表征[J].材料工程，2007(7):63-66.

[责任编辑张惠芳]

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075310，51505346)；湖北省自然科学基金资助项目(2010CDA023).

作者简介：李公法(1979-)，男，武汉科技大学副教授，博士.E-mail:ligongfa@wust.edu.cn

中图分类号：TF341.9

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)01-0019-05