狭缝透气砖热应力数值模拟及优化

摘要

钢包透气砖作为炉外精炼的关键元件在生产过程中透气砖与钢包其他耐火内衬一起接触高温钢水，高温条件下透气砖会受热膨胀产生热应力，其伴随着工况的变化导致温度的急剧变化以及钢水的物理化学侵蚀出现开裂、破损、剥落等严重损坏情况。为了提高对透气砖使用过程受热受力情况的认识，减少由于热应力所导致的透气砖破坏，提高透气砖的使用寿命与使用安全，本文通过有限元方法对钢包用狭缝透气砖不同工作状态温度场与应力场进行数值模拟;通过对比不同狭缝布置对透气砖温度与应力分布提出结构优化;通过实验与仿真结合研究了透气砖材料物性对透气砖工作热应力的影响，为材料优化以降低透气砖热应力提供参考。研究内容及结果主要包括:
　　 1.建立狭缝透气砖三维物理模型与有限元模型，根据实际炼钢生产过程的连续性模拟计算烤包、出钢、精炼与连铸阶段透气砖内部温度场与应力场，与以往研究相比更全面反映透气砖工作时温度与应力的动态变化情况，计算结果发现:在透气砖工作面附近的中心区域应力较大且狭缝尖端为应力集中处;中心路径第一主应力计算发现在高度Z=0.24m处应力最大，且在烤包与出钢阶段为压应力，精炼与连铸阶段为拉应力;比较不同阶段透气砖受力情况发现精炼时受力情况最恶劣为最容易损坏的阶段;通过现场实验测量并参考其他研究部分验证模型的准确性。
　　 2.为了改善透气砖受力情况，以狭缝为研究对象对比研究不同狭缝布置情况对热应力的影响，结果发现:狭缝距中心距离从0.02m减为0.01m时中心区域应力增大;通过对比狭缝与半径角度为0°，30°，60°，90°布置时相同工况下热应力情况发现，后3种情况均能大大降低中心区域应力较大的现象，狭缝与半径角度增大会增加狭缝尖端应力;不同角度布置情况对狭缝至外边缘区域应力影响不大。
　　 3.通过改变控制变量弹性模量、线膨胀系数研究它们对透气砖工作时热应力的影响发现低弹性模量、低膨胀系数能降低热应力;以此为依据以一定的假设为前提模拟计算了某刚玉—尖晶石质透气砖不同MgAlO4与Cr2O3含量材料的热应力，发现含量分别为16％与6％左右时透气砖热应力最低。实验证明MgAlO4与Cr2O3含量分别在4％与3％左右材料机械强度最好。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 炉外精炼技术的发展与国内外现状

1．2 透气砖的国内外研究现状

1．3 研究背景和意义

1．4 研究内容

第二章 透气砖温度场-应力场分析物理数学建模

2．1 透气砖物理模型及有限元模型

2．2 控制方程

2．2．1 温度场计算控制方程

2．2．2 热应力计算控制方程

2．3 数值计算工具与流程

2．4 材料破坏形式和准则

2．5 材料物性参数的确定

2．6 本章小结

第三章 透气砖温度场与应力场数值模拟

3．1 钢包透气砖工作流程

3．2 烤包透气砖温度场及应力场计算及分析

3．3 出钢透气砖温度场及应力计算及分析

3．3．1 出钢温度场分析计算

3．3．2 出钢应力场分析计算

3．4 精炼状态透气砖应力场计算及分析

3．4．1 精炼温度场分析计算

3．4．2 精炼应力场分析计算

3．5 连铸阶段温度场应力场计算及分析

3．5．1 连铸温度场分析计算

3．5．2 连铸应力场分析计算

3．6 座砖应力场分析

3．7 计算结果的验证

3．8 本章小结

第四章 透气砖狭缝对热应力的影响及优化

4．1 狭缝到中心的距离的影响

4．2 狭缝与半径夹角的影响及优化

4．3 本章小结

第五章 材料物性对热应力的影响及材料优化探索

5．1 材料属性对热应力的影响

5．1．1 弹性模量对透气砖热应力的影响

5．1．2 线性膨胀系数对透气砖热应力的影响

5．2 材料优化的研究

5．2．1 材料物性测量的实验方法

5．2．2 镁铝尖晶石优化

5．2．3 氧化铬的优化

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间学术成果情况