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摘 要：連鑄技術(shù)對鋼包的性能要求越來越高，而傳統(tǒng)鋼包爐襯構(gòu)件普遍存在使用壽命短、消耗高等問題。通過研究耐火材料特性，優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)出一種長壽命、超保溫的新型鋼包，并基于數(shù)值模擬技術(shù)，對新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包在典型工況下的溫度與應(yīng)力進(jìn)行對比分析。溫度場模擬結(jié)果表明，新型鋼包在保溫性能上有較大的提升，鋼包殼最高溫度較傳統(tǒng)鋼包降低54℃。同時，應(yīng)力場結(jié)果表明，新型鋼包殼的最大應(yīng)力減小了66.7 MPa且整體應(yīng)力分布更加均勻。最后將溫度場和應(yīng)力場的分析結(jié)果反饋到鋼包的生產(chǎn)、制造、維護(hù)上，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型鋼包在保溫與長壽等性能方面表現(xiàn)更好，內(nèi)襯壽命提高了119爐次，達(dá)到了鋼包設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)一體化的效果。

鋼包是煉鋼工藝過程中重要的耐高溫設(shè)備，在煉鋼系統(tǒng)中占有重要的地位[1]。近年來連鑄技術(shù)快速進(jìn)步，爐外精煉技術(shù)被廣泛采用，鋼包不僅用來盛放鋼水，還承擔(dān)著精煉爐的作用。連鑄所需的鋼水溫度更高且鋼水的停留時間更長，使得鋼包的工作環(huán)境更加惡劣[2,3],惡劣的工作環(huán)境容易導(dǎo)致鋼包內(nèi)襯及外殼的損壞。鋼包內(nèi)襯出現(xiàn)損壞時要對鋼包進(jìn)行維修以確保鋼包能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，維修工作會耗費(fèi)大量的人力和物力，降低企業(yè)的生產(chǎn)效率。因此，優(yōu)化鋼包內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)，了解鋼包在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的溫度分布和應(yīng)力分布，對提高鋼包使用壽命，降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有指導(dǎo)意義[4,5]。

為了提高鋼包壽命，需要對耐火材料的選擇和布置進(jìn)行深入研究[6]。內(nèi)襯的損壞主要是因?yàn)椴煌课荒突鸩牧蠈傩杂兴顒e，在受到高溫沖擊時存在溫度過高、溫度梯度過大的問題，內(nèi)襯受到高低溫差的熱梯度膨脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力使材料內(nèi)部的微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致內(nèi)襯材料的剝落和斷裂[7,8]。本文通過優(yōu)化鋼包殼體溫度和應(yīng)力集中區(qū)域的襯里結(jié)構(gòu)，減少局部熱沖擊對耐火材料造成的破壞，從而延長鋼包的使用壽命。在包壁永久層與鋼包殼之間添加一層高溫微孔保溫板，提升鋼包的整體保溫效果。渣線層強(qiáng)度大、耐腐蝕性能好，但保溫性差，故在渣線層與永久層之間添加一層高溫絕熱氈，減小鋼包側(cè)壁上部因溫度梯度過大造成的應(yīng)力集中。包底與包壁交接處的工作層采用強(qiáng)度與膨脹性能更好的剛玉質(zhì)澆注料。包底工作層由250～400 mm等不同尺寸的耐火磚砌筑而成，減小出鋼時鋼水對底部的沖擊。利用ABAQUS建立傳統(tǒng)鋼包與新型鋼包的有限元模型，并計(jì)算鋼包的溫度場和應(yīng)力場，研究發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)鋼包，新型鋼包在保溫和長壽方面有了較大的提高。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋼包整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐火材料的選擇以及壽命監(jiān)控都會影響其使用壽命[9]。因此，研究鋼包的溫度和應(yīng)力變化規(guī)律，優(yōu)化鋼包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)測其使用壽命，有利于鋼包的維護(hù)和保養(yǎng)[10]。關(guān)于鋼包長壽技術(shù)，研究的方向主要集中在工藝流程的改進(jìn)和耐火材料的研發(fā)上，主要通過控制預(yù)熱的時間和溫度或者研發(fā)新的耐火內(nèi)襯材料實(shí)現(xiàn)[11,12]。控制預(yù)熱的時間和溫度有助于減小澆鋼時的熱沖擊，降低熱應(yīng)力從而延長鋼包的使用壽命，但這不利于鋼鐵行業(yè)快節(jié)奏的生產(chǎn)[13,14]。研發(fā)新的鋼包內(nèi)襯材料，改變永久層耐火澆注料和磚襯的原料配比或增加永久層厚度，提高了鋼包保溫效果，但同時增加了鋼包結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不利于輕量化[15,16,17,18]。

如何提高鋼包的保溫性能，延長使用壽命，研究者們進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)。Taddeo等人[19]通過在傳統(tǒng)鋼包殼和耐火內(nèi)襯之間添加保溫層來研究鋼水溫降速率，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，添加保溫層的新型鋼包保溫效果更好。Kononov等人[20]研究新的耐火材料，發(fā)現(xiàn)將耐高溫莫來石-高硅材料作為鋼包的工作襯時，鋼包的保溫性能和使用壽命都有較大的提高。Slovikovskii等人[21]分析了鑄造鋼包內(nèi)襯的性能，采用高溫粘結(jié)劑作為內(nèi)襯耐火材料，使鋼包的預(yù)期壽命提高了30%～50%。程本軍等人[22]計(jì)算不同預(yù)熱溫度下，鋼包盛鋼時的內(nèi)襯溫度變化及應(yīng)力分布。結(jié)果表明，合理的預(yù)熱溫度可以提升鋼包的保溫效果、減小熱應(yīng)力，從而延長鋼包使用壽命。蔣國璋等人[23,24]通過優(yōu)化包底結(jié)構(gòu)來提高鋼包壽命，提出了5種不同包底結(jié)構(gòu)方案，并計(jì)算其應(yīng)力分布。結(jié)果表明，當(dāng)包底工作層內(nèi)襯磚由鋁鎂碳質(zhì)改為高鋁質(zhì)澆注料，且在水口磚與透氣磚四周砌筑一圈鋁鎂碳質(zhì)磚時，鋼包的使用壽命最長。李公法等人[25]將納米隔熱材料應(yīng)用到新型鋼包中，并分析了新鋼包的溫度和應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)采用新材料、新結(jié)構(gòu)的新鋼包在保溫性能和鋼包壽命方面更具優(yōu)勢。目前研究者們大多單獨(dú)從保溫或長壽性能出發(fā)對鋼包進(jìn)行研究，很少會將兩者結(jié)合起來。且為了便于計(jì)算分析，研究者往往通過簡化鋼包模型或利用二維模型模擬鋼包的工作狀態(tài)，不能夠完全反映鋼包的實(shí)際特征。如何設(shè)計(jì)一個既能高效保溫且具有長壽命的鋼包，需要研究者們更深入的研究。

2 有限元模型

2.1 幾何模型與材料

本文研究對象是某鋼廠350 t鋼包。爐襯中的渣線層主要由鎂碳質(zhì)爐襯磚砌筑而成，工作層由鋁鎂碳質(zhì)襯磚制成，永久層則由高鋁質(zhì)整體澆注而成。新型鋼包通過減小永久層的厚度，在永久層和鋼包殼之間添加一層絕緣層。絕緣層材料采用導(dǎo)熱系數(shù)極低，熱穩(wěn)定性高的高溫微孔保溫板，是由氣相二氧化硅制成的增強(qiáng)型纖維混合物，提升鋼包整體的保溫效果。通過減小渣線層的厚度，在渣線層與永久層之間添加一層高溫絕熱氈，形成局部保溫。在包底與包壁的交接處添加一層強(qiáng)度與膨脹性能更好的剛玉質(zhì)澆注料，包底工作層利用250～400 mm等不同尺寸的耐火磚砌筑而成[26,27]。新鋼包在保證鋼包容量不變的前提下，鋼包質(zhì)量減小。由于絕緣層和高溫絕熱氈制備復(fù)雜，成本有所上升，但用量較小，所需成本在合理范圍之內(nèi)。新型鋼包與傳統(tǒng)鋼包內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 耐火內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

(a) 傳統(tǒng)鋼包耐火內(nèi)襯結(jié)構(gòu)； (b) 新型鋼包耐火內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

在有限元溫度場和應(yīng)力場的計(jì)算中，涉及的物理化學(xué)參數(shù)包括材料密度、熱導(dǎo)率、比熱容、彈性模量和泊松比。本研究中使用的物理參數(shù)是通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得的，參數(shù)值如表1～2所示[25]。鋼包各層厚度如表3所示[25]。

表1 鋼包各內(nèi)襯層材料物性參數(shù)

表2 不同溫度下鋼包內(nèi)襯各層材料導(dǎo)熱率

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元模型共有466 087個單元，352 948個節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格單元類型大多為六面體網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處采用四面體網(wǎng)格。計(jì)算溫度場時，采用八節(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元(DC3D8)。計(jì)算應(yīng)力場時，采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R)。鋼包有限元模型模型如圖2所示。

表3 鋼包內(nèi)襯各層厚度

圖2 鋼包有限元模型

(a) 傳統(tǒng)鋼包有限元模型； (b) 新型鋼包有限元模型。

2.3 載荷與邊界條件

鋼包的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)屬于軸對稱結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行傳熱計(jì)算時，可以將鋼包結(jié)構(gòu)看成是一個內(nèi)空的圓柱形，并將工作層、永久層、保溫層、鋼殼看成一個整體。鋼包傳熱模型如圖3所示，r0是鋼包內(nèi)徑，r1、r2、r3、r4分別是工作層、永久層、絕緣層和鋼包殼外表面的半徑。在計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度場時，為保證鋼包盛鋼之前能夠預(yù)熱充分，干燥期鋼包內(nèi)壁溫度隨時間變化如圖4所示[22]。鋼包在工作狀態(tài)時內(nèi)壁與鋼水直接接觸，假設(shè)澆鑄過程中鋼水溫度保持1 600 ℃不變，澆鑄循環(huán)期鋼包內(nèi)壁溫度隨時間變化如圖5所示[28,29]。鋼包通過對流和輻射與空氣進(jìn)行換熱，鋼包外表面對流換熱系數(shù)如表4所示[8]。

圖3 鋼包傳熱模型

圖4 干燥期鋼包內(nèi)壁溫度變化

圖5 預(yù)熱與澆鑄期鋼包內(nèi)壁溫度變化

由于輻射傳熱系數(shù)是非線性的，所以一般引入等效對流傳熱系數(shù)來替代輻射傳熱系數(shù)進(jìn)行工程傳熱計(jì)算。從傳熱量出發(fā)，用牛頓冷卻公式表示傳熱量Φr[6]。

表4 鋼包外表面對流換熱系數(shù)

Φr=Ahr(Ts-Ta) (1)

式中：A為輻射面面積；hr為傳熱系數(shù)；Ts為鋼包殼的溫度；Ta為周圍空氣的溫度。

輻射傳熱的傳熱量Φf為[6]:

Φf=AεB(Ts4-Ta4) (2)

由式(2)和式(3)可以得到輻射換熱的等效傳熱系數(shù)hd為[6,7]:

hd=hr=εB(Ts2+Ta2)(Ts+Ta) (3)

式中：B為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8 W/(m2·K4);ε為發(fā)射率，0.8。

3 鋼包溫度場與應(yīng)力場分析

3.1 溫度場分析

在將鋼水倒入新鋼包之前，首先要對其進(jìn)行烘烤和預(yù)熱，以免鋼包承受嚴(yán)重的熱沖擊。為了更準(zhǔn)確的計(jì)算鋼包在工作狀態(tài)下的溫度場分布，首先要對烘包后的溫度場進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果作為初始溫度場導(dǎo)入到計(jì)算鋼包工作時溫度場的模型中。查閱文獻(xiàn)可知鋼包在進(jìn)行8次澆鑄循環(huán)后鋼包整體溫度達(dá)到平衡狀態(tài)。鋼包穩(wěn)定狀態(tài)時溫度場如圖6所示。

圖6 澆鋼時鋼包殼溫度場

(a) 傳統(tǒng)鋼包殼溫度場； (b) 新型鋼包殼溫度場。

取鋼包殼不同位置上的各點(diǎn)，如圖7所示，采集相應(yīng)位置的在8次循環(huán)周期內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，觀察各點(diǎn)溫度變化規(guī)律，如圖8和圖9所示。

圖7 鋼包殼各點(diǎn)位置

由圖6可知，傳統(tǒng)鋼包殼的最高溫度為248.5 ℃,出現(xiàn)在A點(diǎn)，位于包殼側(cè)壁上部。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋼包渣線層導(dǎo)熱系數(shù)較大，保溫性能差，故在鋼包殼渣線層處出現(xiàn)了溫度過高的現(xiàn)象。在渣線層與永久層之間添加一層高溫絕熱氈后，新型鋼包的最高溫為194.3 ℃,出現(xiàn)在C點(diǎn)，位于側(cè)壁中部，且側(cè)壁上部的溫度分布更加均勻。新鋼包殼上各點(diǎn)溫度相較于傳統(tǒng)鋼包都有所下降，最高溫降低約54 ℃,這是因?yàn)樵谟谰脤优c鋼包殼之間添加的絕緣層提升了鋼包的整體保溫效果。分析圖8和圖9可得，鋼包殼上的各點(diǎn)溫度在8次澆鑄循環(huán)后變化較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，符合預(yù)測，證明了該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴?/span>

3.2 應(yīng)力場分析

計(jì)算應(yīng)力場時采用順序耦合的方法，將溫度場的分析結(jié)果作為載荷導(dǎo)入到應(yīng)力場的模型中。約束鋼包殼的沿軸向方向的位移，忽略鋼包在澆鑄過程中鋼水與鋼渣對內(nèi)襯侵蝕的影響[30]。鋼包在澆鑄過程中應(yīng)力場如圖10～13所示。

對傳統(tǒng)鋼包與新型鋼包在澆鑄過程中的應(yīng)力場進(jìn)行分析，澆鋼時鋼包各構(gòu)件應(yīng)力分布如圖10～13所示，應(yīng)力范圍見表5。分析可知，新型鋼包由于絕緣層和高溫絕熱氈的熱導(dǎo)率較低，保溫效果更好，其耐火內(nèi)襯的溫度分布也更加均勻，溫度梯度更小，故新鋼包的耐火內(nèi)襯的應(yīng)力都有一定程度的減小，其中渣線層降低0.7 MPa, 工作層降低3.5 MPa, 永久層降低3.4 MPa。新型鋼包殼應(yīng)力最大值為240.1 MPa, 與傳統(tǒng)鋼包相比降低了約66.7 MPa, 且整體的應(yīng)力分布效果更好。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋼包殼表面整體溫度過高且渣線層處出現(xiàn)溫度集中現(xiàn)象，而鋼包殼材質(zhì)屬于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其膨脹系數(shù)較高，溫度過高時其變形也較大，當(dāng)形變受到約束而無法釋放時便在內(nèi)部產(chǎn)生高的熱應(yīng)力。由此表明，添加絕緣層和高溫絕熱氈的新型鋼包應(yīng)力分布明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼包。

3.3 壽命預(yù)測及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

耐火內(nèi)襯在熱應(yīng)力作用下的疲勞，與材料機(jī)械應(yīng)力下的疲勞行為有密切關(guān)系。鋼包每次澆鑄循環(huán)都會產(chǎn)生一次等幅熱震沖擊。熱震次數(shù)N與耐火內(nèi)襯熱震后殘余強(qiáng)度σR的關(guān)系如式(4)[31]:

σR=AlgN+B (4)

圖8 傳統(tǒng)鋼包殼不同位置點(diǎn)溫度變化

圖9 新型鋼包殼不同位置點(diǎn)溫度變化

圖10 澆鋼時鋼包殼應(yīng)力場

(a) 傳統(tǒng)鋼包殼應(yīng)力場； (b) 新型鋼包殼應(yīng)力場。

圖11 澆鋼時渣線層應(yīng)力場

(a) 傳統(tǒng)鋼包渣線層應(yīng)力場； (b) 新型鋼包渣線層應(yīng)力場。

圖12 澆鋼時工作層應(yīng)力場

(a) 傳統(tǒng)鋼包工作層應(yīng)力場； (b) 新型鋼包工作層應(yīng)力場。

式中：σR為耐火內(nèi)襯殘余強(qiáng)度；N為熱震循環(huán)次數(shù)；A、B為材料實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

當(dāng)耐火內(nèi)襯的實(shí)際應(yīng)力達(dá)到其殘余強(qiáng)度時，材料就會發(fā)生破裂而損壞[31,32]。鋼包的損壞一般發(fā)生在耐火內(nèi)襯等部位。通過對耐火內(nèi)襯各部位熱應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)渣線層在澆鋼時極易發(fā)生損壞。分析新型鋼包渣線層的應(yīng)力分布情況進(jìn)而預(yù)測鋼包的整體壽命。渣線層鎂碳質(zhì)耐火磚的殘余強(qiáng)度σR=44.3 MPa, 實(shí)驗(yàn)常數(shù)A=-1.58,B=48[33],由式(4)可得渣線層的壽命為：

圖13 澆鋼時永久層應(yīng)力場

(a) 傳統(tǒng)鋼包永久層應(yīng)力場； (b) 新型鋼包永久層應(yīng)力場。

表5 新鋼包與傳統(tǒng)鋼包不同構(gòu)件應(yīng)力范圍

將新設(shè)計(jì)的鋼包應(yīng)用在某鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)過程中，并進(jìn)行了現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)選取10個鋼包，從耐火材料的選擇、布置、砌筑工藝到烘烤預(yù)熱系統(tǒng)都嚴(yán)格遵循新的設(shè)計(jì)。根據(jù)改造前后現(xiàn)場測試和計(jì)算分析的數(shù)據(jù)，對鋼包的溫度和熱應(yīng)力分布以及使用壽命進(jìn)行分析。改造后，由于結(jié)構(gòu)和內(nèi)襯材料的改變，鋼包的溫度和應(yīng)力分布合理化，熱應(yīng)力明顯下降。渣線層由于位置特殊，在鋼包工作過程中極易受到破壞，是鋼包維修頻率最大的部位之一。優(yōu)化后鋼包渣線層的維修頻率由原來的65爐次提高到184爐次。實(shí)際壽命比預(yù)測壽命減少35爐次，是因?yàn)榻?jīng)過優(yōu)化后的鋼包雖然抵抗鋼渣侵蝕的能力得到了提高，但隨著壽命的延長，實(shí)際工況中鋼渣的侵蝕也進(jìn)一步加強(qiáng)，導(dǎo)致實(shí)際壽命比預(yù)測壽命低。預(yù)測壽命與實(shí)際基本吻合，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)鋼包渣線層的保溫效果較差，在鋼包殼對應(yīng)位置易出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象。本文通過添加高溫微孔保溫板和高溫絕熱氈，提高鋼包的保溫性能。新設(shè)計(jì)的鋼包整體溫度得到下降且局部溫度分布更加均勻，證明了該模型的有效性。

(2)根據(jù)應(yīng)力場和現(xiàn)場測試的結(jié)果，新設(shè)計(jì)鋼包的應(yīng)力水平較傳統(tǒng)鋼包明顯減小，新鋼包具有足夠的應(yīng)力裕度，安全性也進(jìn)一步提高。與傳統(tǒng)鋼包相比，新鋼包的壽命提高了119爐次，有效延長了鋼包的使用壽命，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

(3)文中建立的溫度場與應(yīng)力場有限元模型為大型鋼包的制造、保養(yǎng)與維護(hù)提供了理論依據(jù)。