多層結構浸出式水口熱應力的有限元分析

多層結構浸出式水口熱應力的有限元分析

預扣開口是連鑄工藝中最重要的功能建筑材料。它的作用之一是將鋼渣從中間包入晶體裝置中，防止鋼渣氧化、飛揚、氮溶解和爐渣混合。第二個目的是確保鋼渣在晶體裝置中形成合理的流場分布。根據澆注鋼種的不同,有時在浸入式水口的內壁會產生氧化鋁附著,以致發(fā)生水口堵塞。為防止水口堵塞,可在其內壁復合一層無碳材料(以下稱之為內面層)。由于內面層與水口本體之間存在熱膨脹系數的差異,因而在熾熱的鋼液注入水口初期,開裂現(xiàn)象時有發(fā)生。為防止浸入式水口的開裂,一般需要將其預熱至一定溫度后使用。為防止預熱后水口溫度的降低,通常在其表面包裹一定厚度的耐火纖維(以下稱之為外面層)。因此,內面層和外面層的設計對于防止浸入式水口的開裂十分重要。本文采用有限單元法對其熱應力或內壁溫度進行分析,從而為其復合層厚度的設計和材質的選擇提供理論依據。1材料的選擇適用多層結構浸入式水口的剖切面形狀如圖1(a)所示,其本體部位、內面層和渣線部位分別采用鋁碳材料、無碳材料和鋯碳材料;外面層則為耐火纖維,見圖1(b)。2計算模型和條件2.1周向應力變化的計算生產實踐表明,使用中多層結構浸入式水口主要發(fā)生縱向龜裂,這是因為它所承受的周向應力超過了其抗拉強度。當僅研究周向應力變化時,為簡化計算,以下分別以斷面A-A和斷面B-B(見圖1)為研究對象,采用平面應變模型對其進行計算。在以下分析計算過程中,浸入式水口的內徑恒為60mm,壁厚恒為25mm,并且將斷面A-A和斷面B-B分別稱為鋁碳層(AGlayer)和鋯碳層(ZGlayer)。2.2輻射傳熱系數wsf設浸入式水口在鋼液注入以前已預熱至1273K(初始溫度)。通鋼時,浸入式水口內壁與熾熱的鋼液接觸,設其溫度在3s內迅速升至1873K。水口外壁包裹的耐火纖維與空氣接觸(環(huán)境溫度為323K),它主要與周圍環(huán)境進行對流換熱和輻射換熱。為簡便起見,這兩者可統(tǒng)一用對流輻射換熱系數表示,其值由式(1)估算。式中,β為對流輻射換熱系數,W/(m·K);Gr為Galileo準數;Pr為Prandtl準數;l0為浸入式水口定型尺寸,m;C、n為與水口形狀、位置和空氣流態(tài)有關的常數;ω為耐火纖維表面黑度;C0為黑體輻射系數,C0=5.669W/(m2·K4);Tw為耐火纖維包裹層表面溫度,K;Tf為環(huán)境溫度,K。2.3材料的物理性能參數根據文獻,浸入式水口本體(或鋁碳層)、鋯碳層、內面層和外面層的物理性能參數見表1。3結果與討論3.1內部表面對嵌入式水的熱應力的影響3.1.1抗拉壓復合結構長采用1.2%的雙注式過濾材料首先研究了內面層厚度對鋁碳層和鋯碳層熱應力的影響。計算結果表明,浸入式水口所受周向熱應力的大小隨著時間的變化而變化,但在以下的研究中,主要對最大拉應力值進行考查,結果見圖2。根據圖2可知,當內面層厚度由0mm增至4mm時,鋁碳層所受最大拉應力逐漸減小。這主要是因為內面層具有較低的導熱系數,能夠有效降低鋁碳層所承受的溫度梯度,這同復合結構長水口的機理相同。當內面層厚度由4mm增至10mm時,最大拉應力反而又逐漸增加。這是因為內面層熱膨脹系數與彈性模量的乘積(α·E)顯著大于鋁碳層的。以上兩種相反作用的綜合結果就是,當內面層厚度在2～4mm之間時,鋁碳層所受最大熱應力較小。內面層厚度對鋯碳層所受最大拉應力的影響及其作用原理與鋁碳層類似。然而,對于內面層和鋯碳層來說,因它們的(α·E)相差不大,所以在內面層厚度不大于10mm的范圍內,均可降低鋯碳層所受熱應力。綜合鋁碳層和鋯碳層的計算結果,當內面層厚度為4mm時,它們所承受的最大拉應力均較小。考慮到內面層在使用時會被鋼液逐漸沖刷掉,其厚度介于4～6mm之間為宜。從圖2中還可以看出,雖然鋁碳層的(α·E)較小,但當內面層較厚時,它所受到的熱應力反而較大。因此,鋁碳層、鋯碳層與內面層熱膨脹系數的匹配也很重要。3.1.2熱膨脹系數的影響內面層的厚度保持在5mm,研究了其物理性能參數變化對鋁碳層和鋯碳層最大拉應力的影響,結果見圖3所示。由圖3(a)可知,隨著內面層彈性模量的增加,鋁碳層和鋯碳層所受最大拉應力也相應增加,但它們之間并不成線性關系。此外,鋁碳層所受最大拉應力較鋯碳層的增幅要大的多,其主要原因是鋁碳層和內面層的熱膨脹系數相差較大。由圖3(b)可知,隨著內面層熱膨脹系數的增加,鋁碳層和鋯碳層所受最大拉應力呈線性關系增加,而且鋁碳層所受最大拉應力的增幅也大于鋯碳層的,其原因則是鋁碳層和內面層的彈性模量相差較大。由圖3(c)可知,隨著內面層導熱系數的增加,鋁碳層所受最大拉應力基本不變,鋯碳層所受最大拉應力則呈線性關系增加。這是因為,當內面層厚度為5mm時,鋁碳層所受熱應力主要取決于它與內面層(α·E)的差異;鋯碳層所受熱應力則主要取決于溫度梯度。綜上所述,為降低浸入式水口所受熱應力,內面層應選擇具有較低彈性模量、熱膨脹系數和導熱系數的材料。3.2內部層對嵌入式水槽壁的溫度的影響3.2.1層厚度對沉浸式集合式集成系統(tǒng)內溫度的影響外面層主要是防止預熱后浸入式水口溫度的降低導致其開裂,因而以下主要根據水口內壁溫度降低情況來考察外面層對它的影響。保持本體和外面層導熱系數分別為21.7W/(m·K)和0.12W/(m·K)不變,考察外面層厚度對浸入式水口鋁碳層內壁溫度的影響。圖4所示為第5min和第10min時,水口內壁溫度隨外面層厚度的變化情況。由圖4可知,沒有包裹耐火纖維的浸入式水口(外面層為0mm)在空氣中冷卻5min后,其內壁溫度由預熱溫度1273K降至752K;10min后降至571K。當外面層厚度僅為1mm時,水口內壁溫度顯著升高。隨著外面層厚度進一步增加,水口內壁溫度也隨之升高。然而當內面層厚度由2mm增至4mm時,溫度升高不多。所以,外面層厚度以3mm左右為宜。在實際生產中,耐火纖維包裹層的厚度一般大于3mm。這是因為,浸入式水口的外壁溫度很高,緊貼著它的耐火纖維會出現(xiàn)一定程度的燒結,以致增大了它的導熱系數。3.2.2表面層導熱系數外面層厚度保持在3mm,其導熱系數對浸入式水口內壁溫度的影響見圖5所示。由圖5可知,不管是第5min還是第10min,隨著外面層導熱系數的降低,水口內壁溫度基本呈線性關系下降。因為當外面層厚度超過3mm時,再增加其厚度基本不影響水口的內壁溫度,所以若要進一步降低水口開裂的可能性,最有效的方法是降低外面層的導熱系數。對于鋯碳層,外面層對浸入式水口內壁溫度的影響結果與以上情況相同,此處不再贅述。4最大拉應力降壓