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 StructureNI 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 analysis1 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210/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：图2 结构计算载荷与边界条件示意图3 有限元分析结果3.1 温度场分布图3 整个中间包温度场的分布图4 中间罐钢结构温度场的分布如图3 所示，为经过24小时后整个中间包温度场的分布，可以看出，由于耐火材料具有良好的隔热效果，热扩散速度比较慢，大的温度梯度主要在耐火材料层内部。

图4为经过24小时后中间包钢结构温度场的分布，可以看出，最高温度位于靠近耐火材料一侧，中间包的侧面，拐角位置，其最高温度为461.1℃，其它位置温度如云图所示。

需要指出的是，该温度是在24小时后的温度场分布，随着浇铸时间的延长，钢结构的温度会逐渐升高，最后会达到一个热平衡温度场，此时中间包钢结构的最高温度为597℃。

3.2 浇注状态下应力分布浇铸状态下，承载耳轴为左右两侧，即图2中所示位置约束。

中间包钢结构的应力场分布云图如图5所示。

中间包最大应力为478MPa，位于最高温度对应位置，大于Q235的屈服极限。

图6为大于250 MPa应力的单元显示，可以看出大于材料屈服极限的区域较大面积的出现，主要位于溢流高度的钢结构内面位置，分析其原因主要是该位置温度高，温度梯度大。

因此可以认为如果中间包一次性长期工作达到24小时以上，中间包钢结构本体可能会发生塑性变形，即便冷却后也不能完全恢复。

图5 中间包钢结构的应力场分布图6 中间钢结构大应力单元显示图3.3 净载荷状态下应力分布如果不考虑热应力的影响，只考虑重力载荷，此时中间包最大应力为110MPa，位于顶板拐角处，小于Q235的屈服极限。

由于顶板不构成中间包整体结构强度的破坏，因此如果去掉顶板，中间包最大应力为64.2MPa，位于耳轴的根部，远小于Q235的屈服极限。

因此可以说中间包净载荷强度满足够，满足工程要求。

3.4 位移场分布中间包钢结构Z向位移场分布如图7所示，可以看出，由于钢水对其向下的压力作用，尤其是钢结构受热后引起的温度不均匀分布，中间包钢结构中部会向下凹沉，对于浇铸状态，最大向下位移为31.35 mm。

中间包钢结构X向位移场分布如图8所示，可以看出，由于钢结构随着时间，温度逐渐升高，热膨胀的作用使得中间包钢结构沿X向延展，边部最大延展为20.0mm。

而对于水口位置，各水口（从中心到外侧的顺序）与冷态相比，分别向外延展1mm，7.45mm，13.9mm，20mm。

设计者可以将此计算作为参考，合理布置水口位置，以便使其浇铸过程中偏流情况最小。

图7中间包钢结构Z 向位移场分布 图8 中间包钢结构X 向位移场分布3.5 中间包耐火材料增厚温度场及应力场分析考虑到钢结构在长时间使用时出现的热变形问题，假设将长时间使用的中间罐耐火材料增加厚度，侧面厚度为250mm ，底面厚度为270mm ，综合导热系数为1.2 W.m/k ， 计算其温度场及应力场分布情况。

浇铸状态下，经过24小时后，中间包钢结构的最高温度仍然位于靠近耐火材料一侧，中间包的侧面，拐角位置，最高温度为305.4℃，比现有结构温度降低了155℃。

经过无限长时间后， 最高温度为473.5℃，也低于现有结构的597.4℃。

连续工作24小时后中间包最大应力为291MPa ，远小于现有结构的478MPa ，位于最高温度对应位置，虽然也大于Q235的屈服极限，但是通过大250MPa 应力的单元显示，发现：大于材料屈服极限的区域很小，只是以点状零星分布在溢流高度位置，及个别拐点位置。

因此可以认为耐火材料增厚的中间包一次性长期工作达到24小时以上，中间包钢结构本体虽然也可能会发生局部塑性变形，但变形量较小。

耐材增厚后中间包钢结构中部向下凹沉20.3mm ，小于现有结构的31.4 mm 。

对于相应的X 向位移场分布：由于钢结构随着时间，温度逐渐升高，热膨胀的作用使得中间包钢结构沿X 向延展，边部最大延展为13.6mm 。

而对于水口位置，各水口（从中心到外侧的顺序）与冷态相比，分别向外延展0.64mm ，4.9mm ，9.01mm ，12.8mm 。

3.6 中间罐耐火材料增厚并改变导热系数温度场及应力场分析如果在上述增厚的基础上，改变耐火材料的导热性能，取综合导热系数为1/W m K ， 计算其温度场及应力场分布情况。

浇铸状态下，经过24小时后，中间包钢结构的最高温度也是位于靠近耐火材料一侧，中间罐的侧面，拐角位置，最高温度为253.8 ℃，比现有结构温度降低了207℃。

经过无限长时间后，最高温度为416.7℃，也低于现有结构的597.4℃。