新型钢包整体温度场和应力场三维数值模拟

　　钢包是钢铁生产的重要容器,随着钢铁冶金技术的不断发展,钢包不再仅仅是运输和浇注钢水的容器,同时也是炉外精炼设备。了解钢包在工作状态下的温度场分布对钢包的日常维护、延长钢包寿命及优化钢包结构有重要的意义。

　　目前对钢包温度场的研究主要集中在钢包的局部范围,如对包底的研究[1],或者进行一些简化的二维数值模拟研究[2-3],对于钢包整体温度场的研究较少。本工作主要针对新型300 t钢包,采用三维有限元数值模拟的方法研究了包壳的温度场分布情况,从而掌握钢包温度场的分布规律,为新型钢包的日常维护及如何延长钢包使用寿命等方面的工作提供一定的依据。

　　1　有限元模型及边界条件的确定

　　1.1　三维模型的选取与确定

　　图1、2分别为数值模拟采用的三维实体及有限元模型,根据钢包结构的对称性,采用1/2模型。有限元模型采用智能网格划分。

　　宝山钢铁股份有限公司(以下简称宝钢)目前采用的300 t新型钢包与原来的老钢包相比,主要结构改动是将原来的T型结构包底改为

　　平底压弧型包底。在建模过程中,尽量考虑钢包结构及其加载的真实情况,对一些相对细小且不影响整体的环节进行适当省略,如包底透气砖和水口砖尺寸相对于钢包底的总体尺寸而言较小,可以忽略透气砖和水口砖的影响,近似认为与包底各层材料一致;钢水为稳态不可压缩流体,内部加载时,考虑为恒定温度场[4]。

　　1.2　材料物理性能的选取

　　钢包由钢质外壳和耐火材料内衬组成,包壳的材质为SM490B钢,内衬工作层和永久层为高铝砖,渣线层为MgO-C砖。在本文的计算过程中,认为各种材料的物理性能参数是随温度而变化的,大大提高了计算的精确度。各种材料物性参数随温度变化的曲线如图3、4所示[5]。

　　1.3　边界条件及工况的确定

　　在钢包各个运行阶段中,包壳一直处于空气中,与周围的环境进行热交换。热交换的方式有两种:一种为包壳与空气的自然对流换热,另一种为包壳与外界环境的辐射换热。由于辐射换热为高度非线性计算,需要花费大量计算时间,本文采用简化形式,即将辐射换热转化为对流换热形式。

　　一般,空气与包壳的自然换热系数为5～10W/(m2·K),本文中包壳表面与空气的平均换热

　　系数采用下式进行计算[6]:(1)

　　式(1)中,Num为努谢尔特数;λm为空气的导热系数,W/(m·℃);h为钢包高度,m。