#中間包結構有限元分析摘要介紹了某鋼廠中間包結構存在的問題，簡要論述了中間包產生變形和裂紋的機理。利用數(shù)值模擬的方法對中間包結構強度和剛度進行有限元分析，通過計算所得的中間包溫度場和應力場，顯示中間包結構高應力區(qū)和強度的薄弱位置，提出改進方案。此外還改變中間包的耐火材料層的厚度和綜合導熱系數(shù)，分析這些因素對中間包溫度場和應力場的影響，為中間包結構的優(yōu)化提供理論支持。關鍵詞中間包結構強度剛度有限元分析FiniteElementAnalysisoftheTundishStructureNISai-zhen,LIFu-shuai,TAOJin-ming（MetallurgicaltechnologyresearchinstituteofBeijinginCCTEC,Beijing100028,China）AbstractInthispaper,weintroducedtheproblemsofthetundishstructureinasteelworkatfirst,andbrieflydiscussedthemechanismfortheoccurringofthetundishdeformationandcrack.Usingthefiniteelementmethodtoanalyzestrengthandstiffnessforthetundishstructure,accordingtothetemperatureandstressfield,wecanfindhotpointandhighstressregion.Theeffectsofthefireproofmaterialthicknessandthetotalconductivecoefficientonthetemperatureandstressfieldarealsostudied.Keywordstundishstructurestrengthstiffnessfiniteelementanalysis1前言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(wěn)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(fā)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150mmX150mm，流間距為1250mm，澆注周期約為36min,主要生產碳素結構鋼Q235B,優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)過包殼發(fā)紅的現(xiàn)象，這說明現(xiàn)場出現(xiàn)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(fā)生了扭曲變形，使得水口相對位置發(fā)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(xiàn)在吊耳和平板上，其中需要重點關注起吊狀態(tài)下的吊耳處。2有限元模型幾何模型的建立利用商業(yè)軟件ANSYS根據(jù)幾何平面圖建立三維立體幾何模型，考慮到中間包幾何模型的對稱性，建立1/2實體模型圖。有限元模型的建立中間包的耐火材料分成3層，緊靠鋼結構的一層約為10mm,為保溫層，導熱系數(shù)為0.37W/m?K；接下來是永久層，側邊厚度為135mm，底面厚度為175mm，導熱系數(shù)為1.4W/m?K；靠近鋼水的一層為工作層，厚度為35mm，導熱系數(shù)為0.7W/m?K。為了模型計算方便，將它們綜合為一層，側邊厚度為180mm，底面厚度為220mm，綜合導熱系數(shù)為W/m?K。中間包大部分材料為Q235，采用SOLID70單元對模型進行網格劃分，劃分后的總單元數(shù)為80125，節(jié)點數(shù)21535，劃分后的網格圖如圖1所示。1ELEMENT31ELEMENT3ANUCT28￡U1U13:20:13圖1中間包單元網格圖根據(jù)中間包的實際工作狀況，本文采用熱-結構分步耦合計算，即先根據(jù)熱邊界條件計算出溫度場，然后將其結果作為熱載荷施加到結構計算中去。2.2.1溫度場計算載荷與邊界條件根據(jù)中間包的載荷描述，中間包工作液面800mm，溢流高度為900mm，最大承載鋼水42噸。因此模型內襯面與鋼水接觸位置節(jié)點施加固定溫度載荷，本模型中選擇高溫1560°C。中間包外表面施加對流換熱系數(shù)為10W/m2K,環(huán)境溫度30C。中間包初始溫度30Co計算澆鑄24小時后中間包溫度場的分布。結構計算載荷與邊界條件因為中間包是對稱模型，在對稱面上施加對稱位移邊界條件；考慮到內襯在鋪設時存在間隙，因此在結構計算時去掉內襯模型；選擇結構內腔表面0-900mm的面單元，根據(jù)不同高度施加鐵水靜壓力，即P=pgh其中h為單元中心距離底面高度，g為重力加速度，p為鐵水密度，取7000kg/m3o分別在耳軸位置的軸面上施加Z向位移約束,并約束其中一個耳軸的橫向，即Y向位移。其中Z向豎直向上，Y向為中間包寬度方向，X向為中間包長度方向，如圖［2］所示：1ELEMEIITSZ向位移約束U甬匚ELPPZ3-N0PM側面施加鐵水壓力ANUCT23Eulu13:24:US對稱邊界條件1ELEMEIITSZ向位移約束U甬匚ELPPZ3-N0PM側面施加鐵水壓力ANUCT23Eulu13:24:US對稱邊界條件￥向位霧約束3SS.499718514004Z764341Z8ZS49Z1Z0824344624810161740圖2結構計算載荷與邊界條件示意圖3有限元分析結果3.1溫度場分布圖3整個中間包溫度場的分布圖4中間罐鋼結構溫度場的分布3.1溫度場分布圖3整個中間包溫度場的分布圖4中間罐鋼結構溫度場的分布如圖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。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°C，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°C。澆注狀態(tài)下應力分布澆鑄狀態(tài)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250MPa應力的單元顯示，可以看出大于材料屈服極限的區(qū)域較大面積的出現(xiàn)，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(fā)生塑性變形，即便冷卻后也不能完全恢復。圖5中間包鋼結構的應力場分布圖6中間鋼結構大應力單元顯示圖凈載荷狀態(tài)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llOMPa,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。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(tài)，最大向下位移為3l.35mm。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(tài)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。圖7中間包鋼結構Z向位移場分布圖8中間包鋼結構X向位移場分布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(xiàn)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(shù)為1.2W.m/k,計算其溫度場及應力場分布情況。澆鑄狀態(tài)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°C，比現(xiàn)有結構溫度降低了155°C。經過無限長時間后，最高溫度為473.5C，也低于現(xiàn)有結構的597.4C。連續(xù)工作24小時后中間包最大應力為291MPa,遠小于現(xiàn)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(fā)現(xiàn)：大于材料屈服極限的區(qū)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(fā)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(xiàn)有結構的31.4mm。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(tài)相比，分別向外延展0.64mm，4.9mm，9.01mm，12.8mm。中間罐耐火材料增厚并改變導熱系數(shù)溫度場及應力場分析如果在上述增厚的基礎上，改變耐火材料的導熱性能，取綜合導熱系數(shù)為1W/mK，計算其溫度場及應力場分布情況。澆鑄狀態(tài)下，經過24小時后，中間包鋼結構的最高溫度也是位于靠近耐火材料一側，中間罐的側面，拐角位置，最高溫度為253.8°C,比現(xiàn)有結構溫度降低了207Co經過無限長時間后，最高溫度為416.7C，也低于現(xiàn)有結構的597.4C。連續(xù)工作24小時中間包最大應力為248MPa，遠小于現(xiàn)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，但是通過大于250MPa應力的單元顯示，發(fā)現(xiàn)：大于材料屈服極限的區(qū)域很小，存在于個別拐點位置，并少于導熱系數(shù)為1.2W/mK的結構。改變綜合導熱系數(shù)后中間包鋼結構中部向下凹沉18.1mm,小于現(xiàn)有結構的31.4mm。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罐車鋼結構沿X向延展，邊部最大延展為11.45mm。而對于水口位置，各水口（從中心到外側的順序）與冷態(tài)相比，分別向外延展0.54mm，4.12mm，7.43mm，10.51mm。通過以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用阻熱效果好的保溫材料，能有效地減少熱量向中間包鋼結構傳遞，從而減小鋼結構的熱應力，保證鋼結構的強度和剛度。由于本文中的中間包變形過大，建議增加中間包耐