新型170t钢水罐热应力仿真分析.pdf
新型1 7 0t 钢水罐热应力仿真分析武汉科技大学机械自动化学院饶刚陈文娟罗会信摘要：钢水罐足连铸生产线上的重要设备，其应力分布直接影响了钢水罐的使用寿命。针对新型1 7 0t 钢水罐，利用有限元仿真技术，研究了钢水倾倒过程中，钢水罐处于O。位置时的温度场和应力场分布状况，为新型钢水包的日常维护以及设备优化提供了依据。关键词：钢水罐；有限元；温度场；应力场A b s t r a c t：L a d l ei sa ni m p o r t a n tp a r ti nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o nl i n ea n di t ss t r e s sd i s t r i b u t i o nh a sd i r e e t i n f l u e n c eo ni t sl i f e F i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt os t u d yt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d d i s t r i b u t i o n so ft h el a d l ea tz e r od e g r e ed u r i n gt i l t i n g I tp r o v i d e sab a s i sf o rr o u t i n em a i n t e n a n c ea n de q u i p m e n to p t i m i z a t i o n K e y w o r d s：l a d l e；f i n i t ee l e m e n t；t e m p e r a t u r ef i e l d；s t r e s sf i e l d1 前言钢水罐是炼钢厂，铸造厂承接钢水、进行浇注作业的重要热工设备。随着钢铁冶金技术的飞跃发展，连铸应用的不断拓展，钢水罐的作用日益突出。在实际的生产过程中钢水罐一般要经历钢包预热、出钢等待、钢水注入、钢水储运及二次精练、浇注、等待(冷却)1 等过程。武钢三炼钢根据炼钢生产的需要，设计了一批新型1 7 0 t 钢水罐。出于对钢水罐结构改进的合理性考虑，需要对其进行计算机辅助分析。因此，运用有限元仿真方法研究钢水罐的热一结构耦合应力场分析，为新型钢水罐的日常维护以及设备优化提供了依据。本文采用有限单元法，建立钢水罐的三维有限元模型，并对模型施加边界条件及载荷条件，计算出钢水罐的温度场和应力场。由于在钢水罐倾倒钢水的过程中，不同运转状态下的温度分布以及应力分布不一样。为了确保钢水罐的使用安全，对钢水罐不同倾转角度进行了热应力分析。限于篇幅，本文只介绍钢水罐0 0 位时的温度及应力计算。2 钢水罐分析流程及有限元建模钢水罐的分析流程如图1 所示。圜HyperMesh回I建立c A E 模l1 0=1=ll 型，赋予材料物性参数II“IIfl 转换成温度模型输入ll 利用A N s Y s 求解热一lJ热分析边界条件II结构耦台应力场JIfI乖I f f A N S Y S1 I 转换成结构模型，建立lI求解温度场J l 一边界条件，施加载荷I图1 钢水罐分析流程图2 1C A E 模型的建立进行有限元分析，单元的质量很重要，质量不合格的单元会导致计算出的应力不合理。本文采用功能强大的通用C A E 前后处理工具软件H y p e r M e s h 建立C A E 模型。由于钢水罐整体结构对称，先建立1 2 的钢水罐的有限元模型，然后通6 北京机械工程学会物料搬运分会物料搬运设备手册北京：人民交通出版社，2 0 0 27 余志生汽车理论北京：机械工业出版社，2 0 0 08 陈敢泽现代起重机管理与实用技术北京：科学出版社1 9 9 9起重运输机械2 0 0 8(5)作者：周德荣地址：天津市河东区东局子1 号军事交通学院研究生管理大队研究生一队邮编：3 0 0 1 6 1收稿日期：2 0 0 7 0 7 1 16 7 万方数据过镜像命令完成钢水罐整体有限元模型。大部分零件都采用实体单元，罐底的加强筋板由于板厚较小采用板壳单元，板壳单元在其相应零件的中面生成。耐火内衬由工作层，永久层和绝热层构成。钢水罐的C A E 模型见图2。图2 钢水罐C A E 模型2 2 材料物性参数的选取钢水罐是钢制外壳和耐火材料内衬组成的复合结构。罐壁的材质为Q 3 4 5 一B，内衬工作层材质为铝镁碳砖，永久层为高铝砖，绝热层为石棉板。内衬耐火材料的部分物理性能，比如导热系数、线膨胀系数、弹性模量等是随温度变化的。本次计算考虑这些因素，大大提高了计算精度。3 温度场分析钢水罐承载的是高温钢水，了解钢水罐的温度场分布对于耐火内衬材料的选取有指导意义。而且，钢水罐的应力主要是由温度引起的。所以必须先进行温度场的分析。3 1 热边界条件的确定在钢水罐的各个运行阶段，罐壳一直处于空气中，与周围的空气进行热交换。1 罐壳与空气的热交换有2 种方式：一种是罐壳与空气的自然对流换热，另一种是罐壳与空气的辐射换热。一般来说。辐射换热出现在温度较高的时候，由于辐射换热是高度非线性计算，会花费很长的时间。为了简化起见，通常把辐射换热转化成对流换热。一般。罐壳与空气的自然对流系数在5 1 0 W(m 2 K)之间，运用更加精确的公式计算得4 1五=J。A。h(1)式中札努谢尔特数A。空气的导热系数 钢包高度罐壳与周围空气的辐射换热转化为对流换热一6 8 一的等价对流换热系数可表示为4 1h，=e B(瓦2+咒2)(t 一咒)(2)式中h，等价的对流换热系数t 罐壳的温度咒周围空气的温度B B 0 1 t z m a I l n 常数黑度或辐射率进行热分析，边界条件是这样确定的：钢水罐工作时，钢水的温度为16 8 0，所以指定钢水罐内衬内表面的温度为l6 8 0，以节点温度载荷的形式加在内衬内表面上；而罐壳由于一直与周围空气进行热交换，所以应对罐壳外表面设置热交换系数。根据式(1)、(2)计算，再由现场红外测温仪测出的温度对热交换系数进行必要的修正，这样很大程度上提高了计算精度。表1 列出部分部位的表面传热边界条件。表1 表面传热边界条件热交换系数环境温度节点温度部位W(n 1 2 K)。1内衬内壁，16 8 0耳轴端部1 4 53 0，外表面罐壁外表面2 03 0，罐底2 53 0I罐底加强1 83 0，筋板3 2 热分析结果对钢水罐进行网格划分，材料和热边界条件的赋予，选取相应的热分析单元，导人到大型通用求解器A N S Y S 中计算，得出钢水罐(不包含内衬)的温度场，见图3。最高温度为3 5 6，低于材料的蠕变温度。图3 钢水罐(不包含内衬)的温度场起重运输机械2 0 0 8(5)万方数据耐火内衬工作层内表面与钢水接触，温度高达16 8 0o C，而钢水罐罐壳的温度对整个钢水罐的应力影响很大，所以耐火内衬的绝热性能直接影响钢水罐的应力。4 热一结构耦合应力分析4 1热结构耦合的边界条件钢水罐在0。位时没有倾倒钢水，翻钢带处无任何约束。钢水罐由吊钩在耳轴处悬挂托起，模拟吊钩与耳轴接合面上施加垂直方向的约束。考虑整个钢水罐系统的平衡，在钢水罐对称面约束沿耳轴轴向方向的位移。4 2 热结构耦合的载荷条件(1)钢水罐系统自重载荷通过对每个单元设定重力加速度的方式施加于模型上；(2)钢水罐承受的钢水重力考虑到钢水自重对罐壁的影响，计算出钢水的液面高度，分别在不同高度将钢水自重以压力的形式施加在耐火内衬的内壁上；(3)温度载荷由前面计算的温度分布，将温度以体载荷的形式加在模型上。4 3 热一结构耦合应力结果图4 为钢水罐整体热应力场。由于结构对称，约束载荷对称，整个钢水罐应力成对称分布。最大应力出现在钢水罐罐壳与下箍带筋板焊接处，最大值1 7 7M P a，低于Q 3 4 5 一B 的许用应力。整体上看，钢水罐的高应力区主要集中在钢水罐罐壁。翻钢带由于远离罐壁，应力比较小。罐底靠近罐壁处的应力较罐底中心部位要大些，主要由于靠近罐壁处远离钢水，热量散失大，造成该部位的温度梯度较中心部位要大，因而产生较大的热应力。罐底加强筋板中间部位比周围部位的应力要大些，这是中间部位温度高产生热膨胀引起的。为了便于对比比较，表2 列出了钢水罐各个图4 钢水罐热应力场 起重运输机械2 0 0 8(5)零部件的热应力最大值及发生部位。表2 钢水罐部件热应力最大值及发生部位最大应力值部件发生部位M P a罐壁1 7 7罐壁与下箍带连接处耳轴1 3 9连接耳轴外侧筋板处箍带1 6 6下箍带靠近罐壁处罐底1 5 9罐底靠近罐壁处罐底加强筋板1 5 8中间靠近罐底处翻钢带8 2 3连接吊耳的销轴处5 结论(1)运用有限单元法，计算了新型1 7 0t 钢水罐处于o。位倾动位置时的热应力。高应力区主要集中在钢水罐罐壁；(2)由罐底的应力分布状况可以看出，在温度梯度比较大的部位会产生较大的热应力；(3)对新型钢水罐的有限元仿真分析，为设备的日常使用安全提供了保障，也为日后设备改进提供了依据，有很强的实践指导意义。参考文献l王志刚，李楠，孔建益等钢包底温度场和应力场数值模拟湖北工学院学报，2 0 0 2，1 9(2)：6 82 钱之荣，范广举耐火材料实用手册北京：冶金工业出版社。1 9 9 23崔建军，张莉，徐宏等新型钢包整体温度场和应力场三维数值模拟炼钢，2 0 0 6 1 0，2 2(5)：2 2 2 54 杨世铭，陶文铨传热学(第三版)北京：高等教育出版社。1 9 8 5作者：陈文娟地址：武汉科技大学2 1 7#信箱邮编：4 3 0 0 8 1收稿日期：2 0 0 7 0 5 _ 3 l一6 9 万方数据新型170t钢水罐热应力仿真分析新型170t钢水罐热应力仿真分析作者：饶刚，陈文娟，罗会信作者单位：武汉科技大学机械自动化学院刊名：起重运输机械英文刊名：HOISTING AND CONVEYING MACHINERY年，卷(期)：2008，(5)引用次数：1次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.王志刚.李楠.孔建益 钢包底温度场和应力场数值模拟 2002(2)2.钱之荣.范广举 耐火材料实用手册 19923.崔建军.张莉.徐宏.廖礼宝 新型钢包整体温度场和应力场三维数值模拟期刊论文-炼钢 2006(5)4.杨世铭.陶文铨 传热学 1985 相似文献(6条)相似文献(6条)1.期刊论文 姜根成.罗会信.江斌.詹静.JIANG Gen-cheng.LUO Hui-xin.JIANG Bin.ZHAN Jing 170 t钢水罐的热-结构应力耦合分析-中国冶金2007,17(11)以武钢第一炼钢厂170 t钢水罐为研究对象,采用参数化有限元法、借助有限元前后处理软件Hy-perMesh和计算软件ANSYS,对其不同工况下的热-结构耦合应力进行仿真,得出钢水罐的温度场和热应力场分布,为钢水罐的设计和使用提供了依据.2.期刊论文 徐晓.严波.赵勋亚.陈将.XU Xiao.YAN Bo.ZHAO Xun-ya.CHEN Jiang 钢水罐回转台整体结构有限元分析-重型机械2008(1)采用Inventor三维建模软件和ABAQUS非线性有限元软件对某320 t钢水罐回转台进行了三维实体建模和有限元计算分析.通过对该钢水罐回转台整体结构的有限元计算分析,为回转台的设计、改进提供了技术指导.该钢水罐回转台建成投产后产生的位移与有限元结果相符合,表明建立的模型合理,体现了数值建模(CAE)和有限元分析在回转台设计中的重要价值.3.期刊论文 青绍平.严波.彭晓华.罗伟.陈将.赵勋亚.Qing Shaoping.Yan Bo.Peng Xiaohua.Luo Wei.Chen Jiang.Zhao Xunya 解体式钢水罐回转台螺栓强度有限元分析-冶金设备2009(2)采用Inventor三维建模软件建立了某360t解体式钢水罐回转台三维实体模型,利用ABAQUS有限元软件对连接座与回转支撑台之间的连接螺栓和底座与基础之间的地脚螺栓进行了有限元静力分析.通过对连接螺栓和地脚螺栓在施加螺栓预紧力和不施加预紧力的情况下局部区域的精细分析,给出了两种状态下螺栓连接区域的应力分布和变形,得到螺栓预紧力足够的结论,同时指出不施加螺栓预紧力会导致连接区域的分离,这在工程中是不容许的.4.期刊论文 徐晓.严波.陈将.赵勋亚.XU Xiao.YAN Bo.CHEN Jiang.ZHAO Xun-ya 钢水罐回转台受包冲击系数研究-重型机械2008(3)本文针对某320 t钢水罐回转台建立整体结构有限元模型,采用ABAQUS有限元软件模拟该钢水罐回转台在不同受包速度下的动态过程,得到不同受包速度下结构的动态应力响应,进一步结合静力分析结果,计算钢水罐回转台受包冲击系数,并在此基础上提出实际使用中冲击系数的合理取值.5.期刊论文 支国云.郭玮 钢水罐的静态分析-黑龙江科技信息2008(17)随着计算机应用技术的提高,更多的计算机辅助设计软件中的有限元分析也在不断加强.Cosmosworks是一种应用十分广泛的有限元分析软件.钢水罐静态应力分布是可以通过cosmosworks进行分析的,准确确定钢水罐各处的应力分布对铜水罐的安全可靠运行是具有十分重要的意义.6.期刊论文 刘鹏.冯国胜.Liu Peng.Feng Guosheng 某重型钢水罐车车架结构的有限元分析及优化-石家庄铁道学院学报2006,19(2)以某车架为研究对象,采用参数化有限元分析方法,进行了弯曲工况下应力和应变的计算.通过电测量验证了有限元模型的正确性,进而以车架的体积为目标,对车架进行了参数化模型的结构优化,得到了满足结构强度的最佳方案.引证文献(1条)引证文献(1条)1.宋裕民 210t铁水槽结构有限元分析期刊论文-机械研究与应用 2009(2)本文链接：http:/
