钢包热机械综合应力的仿真研究

刘 勇

(山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101)

钢包热机械综合应力的仿真研究

刘 勇

(山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101)

钢包是钢铁冶金工业中重要的高温储运设备，为了了解钢包工作时应力分布及组成情况，采用有限元方法对115 t钢包进行了仿真分析。温度场和热机械综合应力分析表明热应力是钢包热机械综合应力的主要组成部分，并且应力大值多出现在包体焊缝处。因此，钢包设计制作过程中，要尽量选用热膨胀系数小的内衬材料，尽可能减小包体刚度梯度，严格控制焊接质量，以保证钢包安全可靠运行。

钢包；有限元仿真；温度场；热机械综合应力

0 前言

钢包是钢铁冶金工业中重要的高温储运设备，在转炉和电炉炼钢、钢水精炼及连铸过程中有着广泛的应用。工作时，钢包既要承受自重、钢水重力等机械载荷的作用，又要承受钢水高温热载荷的影响，负载状况复杂，工作环境恶劣[1-3]。因此，研究钢包在复杂工况下的应力情况对钢包的设计制造及安全可靠运行具有重要意义。本文采用有限元仿真，对115 t钢包的热机械综合应力及其分布和组成情况进行了分析研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三维模型的建立

钢包由包体、内衬和附件组成，包体一般包括包壁、包底、包沿、加强箍、耳轴箱、耳轴等部件，内衬通常由永久层和工作层组成，钢包附件包括滑动水口、包腿、倾翻机构、透气砖等。耳轴箱由耳轴座和加强筋组成，并与外壳和加强箍焊接在一起，耳轴通过耳轴座焊接在耳轴箱上。

钢包结构和负载状况均较复杂，建模时忽略钢包附件、倒角、焊缝等的影响。图1为钢包三维模型，可见该模型为面对称结构，为节省计算资源取钢包四分之一为有限元分析对象。划分网格时，内衬采用较粗网格，包体采用较细网格。划分网格后的模型如图2所示，图中耳轴处增加了一辅助块，用以模拟耳轴吊具或支撑件。

图1 钢包三维模型

图2 钢包有限元网格模型

1.2 材料属性的设定

钢包包体为钢制焊接件，内衬由耐火材料砌筑，其中永久层为微膨胀高铝质，工作层为铝镁碳质。除导热系数和比热容外，其他材料属性均忽略温度的影响，材料属性见表1、表2、表3[4-7]。

表1 材料导热系数 W/m·℃

表2 材料比热容 J/kg·℃

表3 材料其他属性

2 温度场的分析

2.1 热边界条件的确定

将钢包工作时的传热过程视为稳态传热过程，工作层内壁中下部与炽热的钢水接触，温度载荷取1600℃，上部与高温烟气接触，温度载荷取1500℃。钢包直接跟空气接触的外表面与环境的热交换方式有对流和辐射两种，通常将二者叠加转化为一综合对流换热系数，钢包外表面各部位的综合对流换热系数如表4所示[8-15]。

表4 钢包外表面综合对流换热系数

2.2 温度场分析结果

将热边界条件施加于模型，经仿真计算可得钢包温度场。图3为钢包包体温度场分布云图，可见包沿处温度最高，达350℃，这是高温烟气冲击所致；最低温度出现在耳轴、耳轴箱处，约125℃～150℃，因为此处散热面积较大、距离高温钢水较远；另外包壁温度出现上、中、下三个高温区，温度均在280℃左右。

图3 钢包包体温度场分布云图

3 热机械综合应力仿真分析

3.1 热应力分析结果

将钢包温度场分析结果施加于模型并在辅助块处施加固定约束，经仿真可得钢包热应力。图4为钢包包体热应力分布云图，可见热应力最大值近300 MPa，出现在耳轴箱加强筋处，因为此处结构刚度大，包体变形产生压应力；耳轴热应力最大值出现在耳轴下部耳轴座与辅助块之间，约170 MPa；由于内衬沿钢包轴向膨胀量较大，包沿处热应力高达245 MPa；包壁靠近包底处热应力约190 MPa，这是包底处内衬膨胀挤压所致。

图4 钢包包体热应力分布云图

3.2 机械应力仿真结果

钢包工作时所受机械载荷包括钢包自身的重力和钢水的重力，钢包自重通过施加重力加速度实现，钢水重力是通过在工作层与钢水接触的内表面上施加静水压力实现的。重力加速度取9.8 m/s2，钢水密度取6 900 kg/m3，在辅助块处施加固定约束，经仿真计算可得钢包机械应力。图5为钢包包体机械应力分布云图，可见机械应力主要出现在耳轴箱附近，耳轴箱下部的加强筋处机械应力最大且为拉应力，约为64 MPa；耳轴需要承担所有的机械载荷，其最大应力为55 MPa，出现在耳轴下部与辅助块接触处。

图5 钢包包体机械应力分布云图

3.3 热机械综合应力仿真结果

将热应力仿真和机械应力仿真时的载荷和约束均施加于模型，经仿真计算可得钢包热机械综合应力。图6为钢包包体热机械综合应力分布云图，可见包体最大应力约274 MPa，出现在耳轴箱加强筋处；耳轴下部耳轴座和辅助块处应力较大，为150～185 MPa，包沿处热应力高达240 MPa左右，包壁靠近包底处热应力约195 MPa。

图6 钢包包体热机械综合应力分布云图

3.4 耳轴箱处子模型分析

钢包耳轴箱处结构复杂，为了得到可靠的结果，取耳轴箱处一部分包体模型进一步细化网格以进行综合应力子模型分析，所得热机械综合应力分布云图如图7所示。可见加强筋和耳轴座连接处应力最大值约为273 MPa，耳轴下部与耳轴座和吊具连接处的应力为160～190 MPa，与图6中的应力值十分接近，因此可以认为该仿真分析已经收敛，分析结果有较大可靠性。

图7 耳轴箱处热机械综合应力分布云图

4 结论

(1) 钢包热机械综合应力主要由热应力组成，机械应力仅在耳轴箱处占有可观的比例，故应采用热膨胀系数低的耐火材料砌筑内衬，并尽可能减小钢包包体结构的刚度梯度。

(2) 钢包热机械综合应力大值多出现在包体焊缝处，因此在钢包的设计制作过程中，要尽量减少焊缝，焊条材料的强度和韧性要与包体材料匹配，严控焊接和探伤过程，确保焊接质量。

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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

刘勇(1987-)，男，硕士，工程师，研究方向为机械设备研发设计。