具有纳米保温内衬的新型钢包结构的CAE研究

摘要

钢包是炼钢生产中转炉和连铸机之间的主要衔接设备，对连铸生产的顺利进行具有重要的作用。钢包的保温性能对降低转炉出钢温度、改善铸坯质量、降低包壳散热、提高钢包内衬使用寿命、优化生产工艺以及降低生产成本具有十分重要的意义。现有的研究表明钢包包壳的温度水平仍然较高，钢包的保温效果有进一步提升的空间，为了研制保温效果良好且高寿命的钢包，本文提出一种具有纳米保温内衬的新型钢包结构。
　　本文以钢包的高效保温为主题，主要进行以下三个方面的研究。
　　（1）基于传热理论、有限元技术和顺序耦合方法，建立了新型钢包的三维有限元模型，并确定了钢包在典型工况下的边界条件。
　　（2）对典型工况下新型钢包的温度场和应力场进行了数值模拟研究，结果表明：在烤包工况下新型钢包的包壳温度比传统钢包低114℃，包壳应力比传统钢包低13MPa；在盛钢工况下新型钢包的包壳温度比传统钢包低109℃，包壳应力比传统钢包低22MPa；具有纳米内衬材料的新型钢包在保温性能和应力水平上比传统钢包更具优势。
　　（3）研究了纳米材料的物性参数对盛钢工况下新型钢包的温度分布和应力分布的影响，结果表明：随着纳米绝热层导热率的减小，包壳的温度水平和应力水平都呈降低趋势；随着弹性模量的增大，包壳的最大应力在不断减小，但应力最大值的下降程度不大；包壳应力随着热膨胀系数的减小而不断减小的。
　　本文研究工作对于了解具有纳米内衬的钢包保温性能、选择合适的物性参数起到一定的参考作用。为具有纳米材料的新型钢包的实际应用提供了切实可靠的理论支持。

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第1章 绪论

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本课题的研究内容

第2章 新型钢包的传热学分析及有限元模型的建立

2.1钢包热分析的传热学

2.2钢包的热循环流程

2.3新型钢包有限元模型的建立

2.4本章小结

第3章 典型工况下新型钢包的温度场和应力场的数值模拟

3.1烤包工况下新型钢包的温度场和应力场的数值模拟

3.2盛钢工况下新型钢包的温度场和应力场的数值模拟

3.3本章小结

第4章 新型钢包的温度场和应力场的影响因素

4.1 导热率对新型钢包温度场和应力场的影响

4.2弹性模量对钢包应力场的影响

4.3热膨胀系数对钢包应力场的影响

4.4本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目