冶金耐火构件热应力场数值模拟讲义.ppt

2013.10,冶金装备及其控制教育部重点实验室 智能设计与制造研究所,冶金耐火构件的温度场、热应力场数值模拟及结构优化研究,,,,,,,,,受控五杆机构运动学及动力学研究,金属与耐火材料复合结构设计,冶金重大装备系统设计,面向设备的状态监测及故障诊断,主要科研领域,,,面向产品的表面质量检测技术,,2,新型双蓄热式烧嘴耐火构件的温度场、应力场数值模拟研究,,CSP水冷炉辊温度场和热应力场数值模拟及结构优化研究,,,1,长寿钢包底吹透气砖的热机械设计 与制造应用,,,2,3,,耐火材料高温抗热震性测试装置,,4,,1 长寿钢包底吹透气砖的热机械 设计与制造应用,针对目前钢包透气砖使用过程中存在的问题，对以下问题进行研究： 1、底吹透气砖系统的温度场和应力场计算； 2、钢包底吹透气砖系统的热机械应力、流体行为和材质之间相互作用的研究； 3、优化透气砖的结构及制备工艺和砌筑方案透气系统温度场和应力场计算,,,钢包三维几何图,透气砖计算点A/B/C/D/E,各阶段温度场应力场模拟计算,钢包透气砖温度场云图,（1）烤包阶段,钢包透气砖应力场云图,（2）装钢阶段,（3）吹氩阶段,热应力计算结果,烧氧过程热应力有限元分析,结构简图,,,网格划分,钢包浇注完毕和翻包倒渣后要对透气高温陶瓷进行吹氧清扫，扫去工作面上的残渣，清除透气芯狭缝中的残留物，保证工作面的清洁和气体通道的畅通。

但烧氧时超高温（2000℃以上）和强氧化对透气高温陶瓷有很大的破坏力，不仅容易在近工作面部位产生裂纹和剥落，而且由于透气高温陶瓷属于多次使用的耐火材料，周期性急冷急热严重时直接导致其横断损毁a) 0.12mm (b) 0.15mm,,,,,(c) 0.18mm (d) 0.21mm,不同缝宽透气砖在烧氧过程中的轴向热应力分布,依据计算结果和钢包实际生产使用情况，在以下几个方面进行了优化： 1 改进透气砖的清烧方式； 2 改进透气砖材质，提高抗热震性、强度、高温体积稳定性、抗渣熔损性和渗透性； 3 改进钢包底吹氩管道气包； 4 设备运行的优化和规程指导； 5 钢包砌筑方式等钢包优化,优化砌筑的钢包数值模拟,烤包阶段钢包透气砖温度场云图,烤包阶段钢包透气砖应力云图,装钢阶段钢包透气砖温度场云图,装钢阶段钢包透气砖应力云图,优化前后钢包透气砖结构应力值对比,工业应用效果,本项目于2011年11月完成 经优化设计的钢包底吹透气砖在实际生产中达到了26次的使用寿命，最高理论计算可达29次。

2011年提高钢包寿命后降低的耐材费用达540万元2 新型双蓄热式烧嘴耐火构件的温度场、应力场数值模拟研究,蓄热式烧嘴为蓄热—释热—蓄热的循环工作模式，一般可把空气、煤气预热到800~1100℃，排烟温度为150℃左右 而烧嘴砖的工作温度一般在1400~1500℃蓄热式烧嘴工作中温度高且呈周期性变化，因此极易破损 根据资料报道与现场跟踪记录，蓄热式烧嘴的破损形式主要有烧嘴砖变形、开裂、剥落，炉墙串气冒火，炉衬开裂、剥落，蓄热体破损、变形、堵塞等三维CAE模型与网格划分,燃烧阶段烧嘴的温度场及应力场云图,各阶段温度场应力场模拟计算,排烟阶段烧嘴的温度场及应力场云图,破损机理分析,,,,E,结构优化,空气喷口孔型截面,煤气喷口孔型截面,不同孔型组合的数值模拟结果,,,,,,,,,,,本项目于2012年6月完成实际工业应用表明： 采用原始孔型的烧嘴一般在3-4个月后开始破损，出现炉皮串火现象，开始需要进行灌浆修补 采用优化孔型的烧嘴已经连续使用12个月以上，到目前未发现破损情况产生 按照两年减少一次中修计算，每年将减少维护费用750万元工业应用效果,,3 CSP水冷炉辊温度场和热应力场数值模拟及结构优化研究,项目背景,进口炉辊破损情况,加热板坯下表面情况,耐热辊环烧损、结瘤和粘接氧化铁皮,常规单水冷炉辊,Ⅰ型高温炉辊,Ⅱ型高温炉辊,Ⅲ型高温炉辊,常规双水冷炉辊,5种水冷炉辊,,,,,第一类边界条件,第三类边界条件,,,结构约束,结构约束,热边界条件,结构边界条件,,,接触,,第二类边界条件,第二类边界条件,,工况分析,荷载应力，热应力，接触应力，结构应力，交变载荷,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,固体传热，流固传热，热-结构，非线性隐式计算,,,,,,,,,,,,,,炉辊三维模型（1个辊环）,网格划分,各种参数定义,计算结果,总体温度计算云图,水的换热系数云图,水的压力云图,中心截面温度云图,横截面温度云图,水速流线图,,4 耐火材料高温抗热震性测试装置,目前，对耐火材料的热震稳定性评估主要有两种方式：一种是水急冷法；一种是空气急冷法，但以水急冷为主。

这两种方法都是将试件加热到一定温度，然后急冷后检查试件（耐火砖）表面破损面积是否超过50%，如果没有继续重复上述过程直到破坏测试过程中，要求精确的把握各阶段的时间间隔，准确的测量出试件的破损面积现有测试设备,项目背景,现有设备存在如下问题：,1 炉门开启时，炉内热量向外辐射，导致操作人员工作环境恶劣 2 人工操作不易把握测试时间，且由于循环次数多时间长，操作人员易疲劳，难以准确完成测量记录工作 3 在测量破损面积时，由于试件仍有300度左右的余温，且用计数形式测量面积，导致测量结果不够准确技术方案,1 采用自动化机械完成测试工作能够连续长时间工作，并能精确控制测试时间，改善工作环境，减轻劳动强度 2 采用机器视觉系统，通过相机拍照和图像处理和识别计算得到时间破损面积的精确值，并记录所有测试结果，最终形成测试报告破损试件,。