钢包预热过程热应力影响因子及预报模型

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1、万方数据第34卷第1期2011年2月武汉科技大学学报JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyV01．34，No．1Feb．2011钢包预热过程热应力影响因子及预报模型金胜利1’2，HaraldHarmuthl，DietmarGruberl，ThomasAuerl，李亚伟2(1．莱奥本矿冶大学陶瓷研究所。奥地利莱奥本，A一870052．武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地。中国武汉，430081)摘要：运用有限元软件ABAQUS建立钢

2、包包衬的线性弹性模型，模拟钢包预热过程包衬的热应力，分析包衬厚度厦其材料物理性能对包衬内最大热应力和钢壳表面温度的影响；采用偏最小二乘法建立包衬厚度及材料物理性能与包衬内最大热应力、钢壳表面温度问的预报模型。结果表明，工作衬材料物理性能对包衬最大应力和钢壳表面温度起主要影响作用；较之于无绝热衬，有绝热衬钢包永久衬材料物理性能对钢包热应力和钢壳表面温度的影响作用显著降低。关键词：钢包；耐火材料；预热；包衬；模拟中图分类号：TF769．2文献标志码：A文章编号：1674—3644(2011)01-002

3、8-04钢包使用前的烘烤一方面可充分蒸发浇注料中的水分，避免水蒸气引起的爆裂行为；另一方面预热后的包衬能减轻装钢瞬间的热震损伤[1]。其热震损伤主要以两种破坏形式出现：①高温阶段产生的温度梯度导致在离热面几厘米处出现张应力破坏；②较低温度的钢包包壳限制了钢包的热膨胀，导致工作衬热面出现压应力破坏[2。4]。因此工作衬热面温度和预热时间是影响钢包预热效果的重要因素。从经济角度讲，钢包预热时间越短越好，其最佳值取决于钢包预热过程中出现的热应力大小。本文选取17h作为钢包预热时间，研究包衬厚度及其材料物理

4、性能对钢包最大热应力及钢壳表面温度的影响，建立包衬厚度、材料物理性能与钢包最大热应力和钢壳表面温度的关系预报模型。1模型和研究方法从竖立的钢包渣线部位水平截取对称的1／2块包衬作为分析对象，建立二维平面模型来研究钢包沿圆周方向的温度和应力分布(包衬间的膨胀缝为0．2ram)。设：包衬初始温度和环境温度为20℃，工作衬热面温度在17h内从20℃提高到1100℃，应力结果来自于模型平面主应力。钢包平面模型示意图如图1所示。包衬厚度及其材料物理性能参数如表1所示。图1钢包平面模型示意图Fig．1Schem

5、aticdiagramoftheladleplanemodel表l包衬厚度及其材料物理性能参数TablelThicknessandphysicalpropertiesofliningmaterials参数工作村永久衬绝热衬钢壳厚度L／mm150650—1530杨氏模量E／GPa25210．17210热导率／W·m一1·K一1(室温)8．58．40．1550研究钢包热应力的影响因子一般有两种模型，一种是纯线性弹性模型，另一种是含材料失效行为的偏离纯线性弹性模型[s]。后者需要定量分析材料的失效行为，故

6、很难制定合适的判断标准来比较影响因子的大小，且需耗费更多计算资源。本文选择纯线性弹性模型来模拟钢包的预热过程。为了研究包衬厚度及其材料物理性能对钢包最大热应力、钢壳表面温度的影响，建立以杨氏模收稿日期：2010—10‘12基金项目：奥地利联邦政府研究促进署和施蒂里亚省经济促进署高新技术研究联合计划——材料、加工和应用设计一体化技术中心(莱奥本材料中心)资助项目．作者简介：金胜利(1978一)．男，武汉科技大学副教授t博士．E—mail．．kingslereI@hotmail．corn万方数据2011

7、年第1期金胜利。等：钢包预热过程热应力影响因子及预报模型量、热导率和包衬厚度为偏微分的最大热应力和钢壳表面温度的全微分方程如下：曲f(Ew．^w．￡P，～．Lw～p．L1)。袭dEw+杀‰+袭dLw+叠dE，+象以r+袅dLr+二3Lo,。dLI(1)dcrc(％．^w．绵。～．Lw．Lp．LI)2袅dEw+象出w+爰dLw+象dEP+薏‰+悉扎P+薏以·(2)dT(Ew．^w．邱．砷．Lw．L。．LI)=。蓑dEw+杀以w+蓑aLw+薏摒+丽3T以r+薏dLP+茫dLI(3)式中：仉、盯。为最大张

8、应力和最大压应力，MPa；T为钢壳表面温度，℃；Ew、E，分别为工作衬和永久衬材料的杨氏模量，GPa；Aw、A，分别为工作衬和永久衬材料的导热系数，W·ITI-1·K_。；Lw、L，分别为工作衬和永久衬材料长度，mln。每个方程都含有7个一级偏微分系数，将其绝对值分别对应除以标准钢包模型最大张应力仃?(式(1))、最大压应力盯；(式(2))和钢壳表面温度T5(式(3))，所得比值即为影响因子。如，工作衬的影响因子为l专×卺IX100。若影响因子不小于1％，则视为主要影