搜索中間包結(jié)構(gòu)有限元分析
2016-11-12 by:仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
前言
一直以來對(duì)中間包的研究都側(cè)重于中間包內(nèi)流場的分析,有關(guān)中間包流場研究的文章很多[1-5],而對(duì)于中間包包體本身結(jié)構(gòu)分析,研究者卻很少關(guān)注,在這方面的文獻(xiàn)也較少。中間包的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)于澆注的順利進(jìn)行以及保證鑄坯質(zhì)量方面同樣起到很重要的作用。在熱應(yīng)力以及外載荷作用下中間包會(huì)產(chǎn)生變形,改變水口間的相對(duì)位置。如果變形過大的話,會(huì)影響到水口對(duì)中操作。包體的變形還可能使其產(chǎn)生裂紋,嚴(yán)重破壞包體結(jié)構(gòu),從而發(fā)生事故,不利于安全生產(chǎn)的進(jìn)行。
某鋼廠中間包為七機(jī)七流,鑄機(jī)斷面尺寸為150mm×150mm,流間距為1250mm,澆注周期約為36min,主要生產(chǎn)碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45#,低合金結(jié)構(gòu)鋼25MnSiV、Q345B等鋼種,該中間包為T形結(jié)構(gòu),容量為40噸。中間包內(nèi)襯耐火材料由外向內(nèi)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(yīng)變形比較嚴(yán)重,而相應(yīng)結(jié)構(gòu)的六機(jī)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(shí),靠四個(gè)耳軸支撐,中間底部與中間罐車橫梁不接觸,但隨著澆鑄時(shí)間的不斷增加,中間就會(huì)慢慢凹陷,澆鑄大約5-6小時(shí)后, 中間底部就會(huì)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(jīng)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(duì)澆注不利。
文獻(xiàn)[6]中提到中間包耳軸產(chǎn)生裂紋的力學(xué)原因是由于局部溫度梯度較大,產(chǎn)生熱應(yīng)力集中。中間包在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生了扭曲變形,使得水口相對(duì)位置發(fā)生改變。文獻(xiàn)[7]同樣認(rèn)為中間包產(chǎn)生裂紋的主要原因是由熱應(yīng)力引起的,重力的影響較小。文獻(xiàn)[8]指出中間包起吊和工作時(shí),最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在吊耳和平板上, 其中需要重點(diǎn)關(guān)注起吊狀態(tài)下的吊耳處。
3 有限元分析結(jié)果
3.1 溫度場分布
圖4為經(jīng)過24小時(shí)后中間包鋼結(jié)構(gòu)溫度場的分布,可以看出,最高溫度位于靠近耐火材料一側(cè),中間包的側(cè)面,拐角位置,其最高溫度為461.1℃,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(shí)后的溫度場分布,隨著澆鑄時(shí)間的延長,鋼結(jié)構(gòu)的溫度會(huì)逐漸升高,最后會(huì)達(dá)到一個(gè)熱平衡溫度場,此時(shí)中間包鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度為597℃。
3.2 澆注狀態(tài)下應(yīng)力分布
澆鑄狀態(tài)下,承載耳軸為左右兩側(cè),即圖2中所示位置約束。中間包鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布云圖如圖5所示。中間包最大應(yīng)力為478MPa,位于最高溫度對(duì)應(yīng)位置,大于Q235的屈服極限。圖6為大于250 MPa應(yīng)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(rèn)為如果中間包一次性長期工作達(dá)到24小時(shí)以上,中間包鋼結(jié)構(gòu)本體可能會(huì)發(fā)生塑性變形,即便冷卻后也不能完全恢復(fù)。
如圖3 所示,為經(jīng)過24小時(shí)后整個(gè)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(kuò)散速度比較慢,大的溫度梯度主要在耐火材料層內(nèi)部。
3.3 凈載荷狀態(tài)下應(yīng)力分布
如果不考慮熱應(yīng)力的影響,只考慮重力載荷,此時(shí)中間包最大應(yīng)力為110MPa,位于頂板拐角處,小于Q235的屈服極限。由于頂板不構(gòu)成中間包整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞,因此如果去掉頂板,中間包最大應(yīng)力為64.2MPa,位于耳軸的根部,遠(yuǎn)小于Q235的屈服極限。因此可以說中間包凈載荷強(qiáng)度滿足夠,滿足工程要求。
3.4 位移場分布
中間包鋼結(jié)構(gòu)Z向位移場分布如圖7所示,可以看出,由于鋼水對(duì)其向下的壓力作用,尤其是鋼結(jié)構(gòu)受熱后引起的溫度不均勻分布,中間包鋼結(jié)構(gòu)中部會(huì)向下凹沉,對(duì)于澆鑄狀態(tài),最大向下位移為31.35 mm。
中間包鋼結(jié)構(gòu)X向位移場分布如圖8所示,可以看出,由于鋼結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間,溫度逐漸升高,熱膨脹的作用使得中間包鋼結(jié)構(gòu)沿X向延展,邊部最大延展為20.0mm。而對(duì)于水口位置,各水口(從中心到外側(cè)的順序)與冷態(tài)相比,分別向外延展1mm,7.45mm,13.9mm, 20mm。設(shè)計(jì)者可以將此計(jì)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。
3.5 中間包耐火材料增厚溫度場及應(yīng)力場分析
考慮到鋼結(jié)構(gòu)在長時(shí)間使用時(shí)出現(xiàn)的熱變形問題,假設(shè)將長時(shí)間使用的中間罐耐火材料增加厚度,側(cè)面厚度為250mm,底面厚度為270mm,綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W.m/k, 計(jì)算其溫度場及應(yīng)力場分布情況。
澆鑄狀態(tài)下,經(jīng)過24小時(shí)后,中間包鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度仍然位于靠近耐火材料一側(cè),中間包的側(cè)面,拐角位置,最高溫度為305.4℃,比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)溫度降低了155℃。 經(jīng)過無限長時(shí)間后, 最高溫度為473.5℃,也低于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的597.4℃。
連續(xù)工作24小時(shí)后中間包最大應(yīng)力為291MPa,遠(yuǎn)小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的478MPa,位于最高溫度對(duì)應(yīng)位置,雖然也大于Q235的屈服極限,但是通過大250MPa應(yīng)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(diǎn)狀零星分布在溢流高度位置,及個(gè)別拐點(diǎn)位置。因此可以認(rèn)為耐火材料增厚的中間包一次性長期工作達(dá)到24小時(shí)以上,中間包鋼結(jié)構(gòu)本體雖然也可能會(huì)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(jié)構(gòu)中部向下凹沉20.3mm,小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的31.4 mm。 對(duì)于相應(yīng)的X向位移場分布:由于鋼結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間,溫度逐漸升高,熱膨脹的作用使得中間包鋼結(jié)構(gòu)沿X向延展,邊部最大延展為13.6mm。而對(duì)于水口位置,各水口(從中心到外側(cè)的順序)與冷態(tài)相比,分別向外延展0.64mm,4.9mm,9.01mm,12.8mm。
4 結(jié)語
通過對(duì)某鋼廠中間包存在問題的分析,發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力集中是使中間包結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和裂紋的主要原因。對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得到中間包結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力超過材料的屈服極限,會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的永久變形,而且結(jié)構(gòu)的最高溫度較高,對(duì)中間包的安全性產(chǎn)生重要影響。通過增加耐火材料的厚度和減小綜合導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算,可以看出能有效減少熱量向中間包鋼結(jié)構(gòu)傳遞,降低結(jié)構(gòu)的最高溫度和最大變形,減少集中應(yīng)力的產(chǎn)生。
相關(guān)標(biāo)簽搜索：中間包結(jié)構(gòu)有限元分析 Ansys有限元培訓(xùn) Ansys workbench培訓(xùn) ansys視頻教程 ansys workbench教程 ansys APDL經(jīng)典教程 ansys資料下載 ansys技術(shù)咨詢 ansys基礎(chǔ)知識(shí) ansys代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Abaqus培訓(xùn)
