多层结构浸出式水口热应力的有限元分析

多层结构浸出式水口热应力的有限元分析

预扣开口是连铸工艺中最重要的功能建筑材料。它的作用之一是将钢渣从中间包入晶体装置中，防止钢渣氧化、飞扬、氮溶解和炉渣混合。第二个目的是确保钢渣在晶体装置中形成合理的流场分布。根据浇注钢种的不同,有时在浸入式水口的内壁会产生氧化铝附着,以致发生水口堵塞。为防止水口堵塞,可在其内壁复合一层无碳材料(以下称之为内面层)。由于内面层与水口本体之间存在热膨胀系数的差异,因而在炽热的钢液注入水口初期,开裂现象时有发生。为防止浸入式水口的开裂,一般需要将其预热至一定温度后使用。为防止预热后水口温度的降低,通常在其表面包裹一定厚度的耐火纤维(以下称之为外面层)。因此,内面层和外面层的设计对于防止浸入式水口的开裂十分重要。本文采用有限单元法对其热应力或内壁温度进行分析,从而为其复合层厚度的设计和材质的选择提供理论依据。1材料的选择适用多层结构浸入式水口的剖切面形状如图1(a)所示,其本体部位、内面层和渣线部位分别采用铝碳材料、无碳材料和锆碳材料;外面层则为耐火纤维,见图1(b)。2计算模型和条件2.1周向应力变化的计算生产实践表明,使用中多层结构浸入式水口主要发生纵向龟裂,这是因为它所承受的周向应力超过了其抗拉强度。当仅研究周向应力变化时,为简化计算,以下分别以断面A-A和断面B-B(见图1)为研究对象,采用平面应变模型对其进行计算。在以下分析计算过程中,浸入式水口的内径恒为60mm,壁厚恒为25mm,并且将断面A-A和断面B-B分别称为铝碳层(AGlayer)和锆碳层(ZGlayer)。2.2辐射传热系数wsf设浸入式水口在钢液注入以前已预热至1273K(初始温度)。通钢时,浸入式水口内壁与炽热的钢液接触,设其温度在3s内迅速升至1873K。水口外壁包裹的耐火纤维与空气接触(环境温度为323K),它主要与周围环境进行对流换热和辐射换热。为简便起见,这两者可统一用对流辐射换热系数表示,其值由式(1)估算。式中,β为对流辐射换热系数,W/(m·K);Gr为Galileo准数;Pr为Prandtl准数;l0为浸入式水口定型尺寸,m;C、n为与水口形状、位置和空气流态有关的常数;ω为耐火纤维表面黑度;C0为黑体辐射系数,C0=5.669W/(m2·K4);Tw为耐火纤维包裹层表面温度,K;Tf为环境温度,K。2.3材料的物理性能参数根据文献,浸入式水口本体(或铝碳层)、锆碳层、内面层和外面层的物理性能参数见表1。3结果与讨论3.1内部表面对嵌入式水的热应力的影响3.1.1抗拉压复合结构长采用1.2%的双注式过滤材料首先研究了内面层厚度对铝碳层和锆碳层热应力的影响。计算结果表明,浸入式水口所受周向热应力的大小随着时间的变化而变化,但在以下的研究中,主要对最大拉应力值进行考查,结果见图2。根据图2可知,当内面层厚度由0mm增至4mm时,铝碳层所受最大拉应力逐渐减小。这主要是因为内面层具有较低的导热系数,能够有效降低铝碳层所承受的温度梯度,这同复合结构长水口的机理相同。当内面层厚度由4mm增至10mm时,最大拉应力反而又逐渐增加。这是因为内面层热膨胀系数与弹性模量的乘积(α·E)显著大于铝碳层的。以上两种相反作用的综合结果就是,当内面层厚度在2～4mm之间时,铝碳层所受最大热应力较小。内面层厚度对锆碳层所受最大拉应力的影响及其作用原理与铝碳层类似。然而,对于内面层和锆碳层来说,因它们的(α·E)相差不大,所以在内面层厚度不大于10mm的范围内,均可降低锆碳层所受热应力。综合铝碳层和锆碳层的计算结果,当内面层厚度为4mm时,它们所承受的最大拉应力均较小。考虑到内面层在使用时会被钢液逐渐冲刷掉,其厚度介于4～6mm之间为宜。从图2中还可以看出,虽然铝碳层的(α·E)较小,但当内面层较厚时,它所受到的热应力反而较大。因此,铝碳层、锆碳层与内面层热膨胀系数的匹配也很重要。3.1.2热膨胀系数的影响内面层的厚度保持在5mm,研究了其物理性能参数变化对铝碳层和锆碳层最大拉应力的影响,结果见图3所示。由图3(a)可知,随着内面层弹性模量的增加,铝碳层和锆碳层所受最大拉应力也相应增加,但它们之间并不成线性关系。此外,铝碳层所受最大拉应力较锆碳层的增幅要大的多,其主要原因是铝碳层和内面层的热膨胀系数相差较大。由图3(b)可知,随着内面层热膨胀系数的增加,铝碳层和锆碳层所受最大拉应力呈线性关系增加,而且铝碳层所受最大拉应力的增幅也大于锆碳层的,其原因则是铝碳层和内面层的弹性模量相差较大。由图3(c)可知,随着内面层导热系数的增加,铝碳层所受最大拉应力基本不变,锆碳层所受最大拉应力则呈线性关系增加。这是因为,当内面层厚度为5mm时,铝碳层所受热应力主要取决于它与内面层(α·E)的差异;锆碳层所受热应力则主要取决于温度梯度。综上所述,为降低浸入式水口所受热应力,内面层应选择具有较低弹性模量、热膨胀系数和导热系数的材料。3.2内部层对嵌入式水槽壁的温度的影响3.2.1层厚度对沉浸式集合式集成系统内温度的影响外面层主要是防止预热后浸入式水口温度的降低导致其开裂,因而以下主要根据水口内壁温度降低情况来考察外面层对它的影响。保持本体和外面层导热系数分别为21.7W/(m·K)和0.12W/(m·K)不变,考察外面层厚度对浸入式水口铝碳层内壁温度的影响。图4所示为第5min和第10min时,水口内壁温度随外面层厚度的变化情况。由图4可知,没有包裹耐火纤维的浸入式水口(外面层为0mm)在空气中冷却5min后,其内壁温度由预热温度1273K降至752K;10min后降至571K。当外面层厚度仅为1mm时,水口内壁温度显著升高。随着外面层厚度进一步增加,水口内壁温度也随之升高。然而当内面层厚度由2mm增至4mm时,温度升高不多。所以,外面层厚度以3mm左右为宜。在实际生产中,耐火纤维包裹层的厚度一般大于3mm。这是因为,浸入式水口的外壁温度很高,紧贴着它的耐火纤维会出现一定程度的烧结,以致增大了它的导热系数。3.2.2表面层导热系数外面层厚度保持在3mm,其导热系数对浸入式水口内壁温度的影响见图5所示。由图5可知,不管是第5min还是第10min,随着外面层导热系数的降低,水口内壁温度基本呈线性关系下降。因为当外面层厚度超过3mm时,再增加其厚度基本不影响水口的内壁温度,所以若要进一步降低水口开裂的可能性,最有效的方法是降低外面层的导热系数。对于锆碳层,外面层对浸入式水口内壁温度的影响结果与以上情况相同,此处不再赘述。4最大拉应力降压