中间包结构有限元分析

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 Structure

NI Sai-zhen, LI Fu-shuai, TAO Jin-ming

(Metallurgical 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 method 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.

Key words tundish structure strength stiffness finite element analysis

1 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：

（1）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；

（2）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；

（3）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

底部就已经与横梁接触；

（4） 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

2.1 几何模型的建立

利用商业软件ANSYS 根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。

2.2 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10mm ，为保温层，导热系数为0.37 /W 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1.4 /W 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 ⋅。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施加到结构计算中去。

2.2.1 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1560℃。中间包外表面施加对流换热系数为2

10/W m K ，环境温度30℃。中间包初始温度30℃。计算浇铸24小时后中间包温度场的分布。

2.2.2 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=ρgh

其中h 为单元中心距离底面高度，g 为重力加速度，ρ为铁水密度，取37000/kg m 。 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：