中间包结构有限元分析

1、中间包结构有限元分析摘要介绍了某钢厂中间包结构存在的问题，简要论述了中间包产生变形和裂纹的机理。利用数值模拟的方法对中间包结构强度和刚度进行有限元分析，通过计算所得的中间包温度场和应力场，显示中间包结构高应力区和强度的薄弱位置，提出改进方案。此外还改变中间包的耐火材料层的厚度和综合导热系数，分析这些因素对中间包温度场和应力场的影响，为中间包结构的优化提供理论支持。 关键词 中间包 结构强度刚度 有限元分析Finite Element Analysis of the Tundish StructureNI Sai-zhen, LI Fu-shuai, TAO Jin-ming (Metallur

2、gical technology research institute of Beijing in CCTEC , Beijing 100028, China)Abstract In this paper, we introduced the problems of the tundish structure in a steel work at first, and briefly discussed the mechanism for the occurring of the tundish deformation and crack. Using the finite element m

3、ethod to analyze strength and stiffness for the tundish structure, according to the temperature and stress field, we can find hot point and high stress region. The effects of the fireproof material thickness and the total conductive coefficient on the temperature and stress field are also studied.Ke

4、y words tundish structure strength stiffness finite element analysis1前言一直以来对中间包的研究都侧重于中间包内流场的分析，有关中间包流场研究的文章很多1-5 ,而对于中间包包体本身结构分析，研究者却很少关注，在这方面的文献也较少。中 间包的强度以及结构的稳定性对于浇注的顺利进行以及保证铸坯质量方面同样起到很重要的作用。在热应力以及外载荷作用下中间包会产生变形，改变水口间的相对位置。如果变形过大的话，会影响到水口对中操作。包体的变形还可能使其产生裂纹，严重破坏包体结构， 从而发生事故，不利于安全生产的进行。某钢厂中间包为七机七

5、流，铸机断面尺寸为150mm 150mm流间距为1250mm浇注周期约为36min,主要生产碳素结构钢Q235B优质碳素结构钢 45#,低合金结构钢25MnSiV、Q345B等钢种，该中间包为 T形结构，容量为40吨。中间包内衬耐火材料由外向 内依次为工作层、永久层、保温层。该中间包存在以下问题：现场反应变形比较严重，而相应结构的六机六流的中间包变形问题不明显；新的中间包在开始浇铸时，靠四个耳轴支撑，中间底部与中间罐车横梁不接触，但随着浇铸时间的不断增加，中间就会慢慢凹陷，浇铸大约5-6小时后，中间底部就会与横梁接触；旧中间包或多或少都存在中间凹陷的永久变形，有些变形较大，在浇铸前中间底部就已

6、经与横梁接触；出现过包壳发红的现象，这说明现场出现包壳温度过高的状况，对浇注不利。文献6中提到中间包耳轴产生裂纹的力学原因是由于局部温度梯度较大，产生热应力集中。中间包在热应力的作用下发生了扭曲变形，使得水口相对位置发生改变。文献7同样认为中间包产生裂纹的主要原因是由热应力引起的，重力的影响较小。文献8指出中间包起吊和工作时，最大应力分别出现在吊耳和平板上，其中需要重点关注起吊状态下的吊耳处。2有限元模型几何模型的建立利用商业软件ANSYS艮据几何平面图建立三维立体几何模型，考虑到中间包几何模型的对称性，建立1/2实体模型图。有限元模型的建立中间包的耐火材料分成 3层，紧靠钢结构的一层约为10

7、mm为保温层，导热系数为0.37W/m K ；接下来是永久层，侧边厚度为135mm底面厚度为 175mm导热系数为 1.4W/m K ；靠近钢水的一层为工作层，厚度为 35mm导热系数为0.7 W/m K o为了模 型计算方便，将它们综合为一层，侧边厚度为 180mm底面厚度为220mm综合导热系数为 1.2 W/m K。中间包大部分材料为 Q235,采用SOLID70单元对模型进行网格划分，划分后的总单元数为80125,节点数21535,划分后的网格图如图1所示。图1中间包单元网格图根据中间包的实际工作状况，本文采用热-结构分步耦合计算，即先根据热边界条件计算出温度场，然后将其结果作为热载荷

8、施加到结构计算中去。温度场计算载荷与边界条件根据中间包的载荷描述，中间包工作液面800mm溢流高度为900mm最大承载钢水42吨。因此模型内衬面与钢水接触位置节点施加固定温度载荷，本模型中选择高温1560Co中间包外表面施加对流换热系数为10W/m2 K ,环境温度30 Co中间包初始温度 30Co计算浇铸24小时后中间包温度场的分布。结构计算载荷与边界条件因为中间包是对称模型， 在对称面上施加对称位移边界条件；考虑到内衬在铺设时存在间隙，因此在结构计算时去掉内衬模型；选择结构内腔表面 0-900mm的面单元，根据不同高度施加铁水静压力，即p=p gh其中h为单元中心距离底面高度，g为重力加速

9、度，p为铁水密度，取7000kg/m3。分别在耳轴位置的轴面上施加Z向位移约束，并约束其中一个耳轴的横向，即Y向位移。其中Z向竖直向上，Y向为中间包宽度方向，X向为中间包长度方向，如图2所示:图2结构计算载荷与边界条件示意图3有限元分析结果3.1温度场分布图3整个中间包温度场的分布图4中间罐钢结构温度场的分布如图3所示，为经过24小时后整个中间包温度场的分布，可以看出，由于耐火材料具 有良好的隔热效果，热扩散速度比较慢，大的温度梯度主要在耐火材料层内部。图4为经过24小时后中间包钢结构温度场的分布，可以看出，最高温度位于靠近耐火 材料一侧，中间包的侧面，拐角位置，其最高温度为461.1 C,其

10、它位置温度如云图所示。需要指出的是，该温度是在 24小时后的温度场分布，随着浇铸时间的延长，钢结构的温度会逐渐升高，最后会达到一个热平衡温度场，此时中间包钢结构的最高温度为597 Co浇注状态下应力分布极限。图6为大于250 MP迪力的单元显示,可以看出大于材料屈服极限的区域较大面积的出现，主要位于溢流高度的钢结构内面位置,分析其原因主要是该位置温度高，温度梯度大。因此可以认为如果中间包一次性长期工作达到24小时以上，中间包钢结构本体可能会发生塑性变形，即便冷却后也不能完全恢复。图5中间包钢结构的应力场分布图6中间钢结构大应力单元显示图浇铸状态下，承载耳轴为左右两侧，即图2中所示位置约束。中间

11、包钢结构的应力场分 布云图如图5所示。中间包最大应力为 478MPa位于最高温度对应位置，大于 Q235的屈服净载荷状态下应力分布如果不考虑热应力的影响，只考虑重力载荷,此时中间包最大应力为iiOMPa位于顶1mm 7.45mm, 13.9mm,20mm设计者可以将此计算作为参考,合理布置水口位置，以便使其浇铸过程中偏流情况最小。板拐角处，小于 Q235的屈服极限。由于顶板不构成中间包整体结构强度的破坏，因此如果去掉顶板，中间包最大应力为64.2MPa,位于耳轴的根部，远小于 Q235的屈服极限。因此可以说中间包净载荷强度满足够，满足工程要求。位移场分布中间包钢结构Z向位移场分布如图7所示，可

12、以看出，由于钢水对其向下的压力作用,尤其是钢结构受热后引起的温度不均匀分布，中间包钢结构中部会向下凹沉， 对于浇铸状态, 最大向下位移为 31.35 mm。中间包钢结构X向位移场分布如图 8所示，可以看出，由于钢结构随着时间， 温度逐渐升高，热膨胀的作用使得中间包钢结构沿X向延展，边部最大延展为20.0mm=而对于水口位置，各水口（从中心到外侧的顺序）与冷态相比，分别向外延展AN Il2向位移最大处图7中间包钢结构Z向位移场分布图8中间包钢结构X向位移场分布XV V3中间包耐火材料增厚温度场及应力场分析考虑到钢结构在长时间使用时出现的热变形问题,假设将长时间使用的中间罐耐火材料增加厚度，侧面厚

13、度为 250mm底面厚度为270mm综合导热系数为1.2 W.m/k,计算其温度场及应力场分布情况。浇铸状态下，经过 24小时后，中间包钢结构的最高温度仍然位于靠近耐火材料一侧， 中间包的侧面，拐角位置，最高温度为 305.4 C ,比现有结构温度降低了155C。经过无限长时间后，最高温度为473.5 C,也低于现有结构的597.4 C。连续工作24小时后中间包最大应力为 291MPa远小于现有结构的 478MPa位于最高温 度对应位置，虽然也大于 Q235的屈服极限，但是通过大 250MPa应力的单元显示，发现：大 于材料屈服极限的区域很小，只是以点状零星分布在溢流高度位置，及个别拐点位置。

14、因此可以认为耐火材料增厚的中间包一次性长期工作达到24小时以上，中间包钢结构本体虽然也可能会发生局部塑性变形，但变形量较小。耐材增厚后中间包钢结构中部向下凹沉20.3mm,小于现有结构的 31.4 mm。对于相应的X向位移场分布：由于钢结构随着时间，温度逐渐升高，热膨胀的作用使得中间包钢结构沿X向延展，边部最大延展为13.6mm,而对于水口位置，各水口（从中心到外侧的顺序）与冷态相比，分别向外延展0.64mm, 4.9mm, 9.01mm, 12.8mni中间罐耐火材料增厚并改变导热系数温度场及应力场分析如果在上述增厚的基础上，改变耐火材料的导热性能，取综合导热系数为1W/m K ,计算其温度

15、场及应力场分布情况。浇铸状态下，经过 24小时后，中间包钢结构的最高温度也是位于靠近耐火材料一侧，中间罐的侧面，拐角位置，最高温度为253.8 C,比现有结构温度降低了207C。 经过无限长时间后，最高温度为 416.7 C,也低于现有结构的 597.4 C。连续工作24小时中间包最大应力为 248MPa,远小于现有结构的 478MPa,位于最高温 度对应位置，虽然也大于 Q235的屈服极限，但是通过大于 250 MP迪力的单元显示，发现： 大于材料屈服极限的区域很小，存在于个别拐点位置，并少于导热系数为1.2 W/m.K的结构。改变综合导热系数后中间包钢结构中部向下凹沉18.1mm,小于现有

16、结构的31.4 mm对于相应的X向位移场分布：由于钢结构随着时间， 温度逐渐升高，热膨胀的作用使得中间罐 车钢结构沿X向延展，边部最大延展为 11.45mni而对于水口位置，各水口（从中心到外侧 的顺序）与冷态相比，分别向外延展0.54mm, 4.12mm, 7.43mm, 10.51mni通过以上数据可以发现， 采用阻热效果好的保温材料， 能有效地减少热量向中间包钢结 构传递，从而减小钢结构的热应力， 保证钢结构的强度和刚度。 由于本文中的中间包变形过 大，建议增加中间包耐火材料的厚度或者采用保温效果更好的材料，另外在中间包中间底部加支撑结构也能起到减小变形的效果。4结语通过对某钢厂中间包存

17、在问题的分析，发现热应力集中是使中间包结构产生变形和裂纹的主要原因。对现有的结构进行有限元分析， 得到中间包结构最大应力超过材料的屈服极限， 会产生结构的永久变形，而且结构的最高温度较高，对中间包的安全性产生重要影响。通过增加耐火材料的厚度和减小综合导热系数进行进一步计算，可以看出能有效减少热量向中间包钢结构传递，降低结构的最高温度和最大变形，减少集中应力的产生。文章来源：中国冶金装备网 出表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣 不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光 先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄

18、自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其 刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑思纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚 以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之日能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也； 亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。 先帝在时, 每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、 灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣， 愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也 U。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顾臣于草庐之中，咨臣