多層結(jié)構(gòu)浸出式水口熱應(yīng)力的有限元分析

預(yù)扣開口是連鑄工藝中最重要的功能建筑材料。它的作用之一是將鋼渣從中間包入晶體裝置中，防止鋼渣氧化、飛揚、氮溶解和爐渣混合。第二個目的是確保鋼渣在晶體裝置中形成合理的流場分布。根據(jù)澆注鋼種的不同,有時在浸入式水口的內(nèi)壁會產(chǎn)生氧化鋁附著,以致發(fā)生水口堵塞。為防止水口堵塞,可在其內(nèi)壁復(fù)合一層無碳材料(以下稱之為內(nèi)面層)。由于內(nèi)面層與水口本體之間存在熱膨脹系數(shù)的差異,因而在熾熱的鋼液注入水口初期,開裂現(xiàn)象時有發(fā)生。為防止浸入式水口的開裂,一般需要將其預(yù)熱至一定溫度后使用。為防止預(yù)熱后水口溫度的降低,通常在其表面包裹一定厚度的耐火纖維(以下稱之為外面層)。因此,內(nèi)面層和外面層的設(shè)計對于防止浸入式水口的開裂十分重要。本文采用有限單元法對其熱應(yīng)力或內(nèi)壁溫度進(jìn)行分析,從而為其復(fù)合層厚度的設(shè)計和材質(zhì)的選擇提供理論依據(jù)。1材料的選擇適用多層結(jié)構(gòu)浸入式水口的剖切面形狀如圖1(a)所示,其本體部位、內(nèi)面層和渣線部位分別采用鋁碳材料、無碳材料和鋯碳材料;外面層則為耐火纖維,見圖1(b)。2計算模型和條件2.1周向應(yīng)力變化的計算生產(chǎn)實踐表明,使用中多層結(jié)構(gòu)浸入式水口主要發(fā)生縱向龜裂,這是因為它所承受的周向應(yīng)力超過了其抗拉強度。當(dāng)僅研究周向應(yīng)力變化時,為簡化計算,以下分別以斷面A-A和斷面B-B(見圖1)為研究對象,采用平面應(yīng)變模型對其進(jìn)行計算。在以下分析計算過程中,浸入式水口的內(nèi)徑恒為60mm,壁厚恒為25mm,并且將斷面A-A和斷面B-B分別稱為鋁碳層(AGlayer)和鋯碳層(ZGlayer)。2.2輻射傳熱系數(shù)wsf設(shè)浸入式水口在鋼液注入以前已預(yù)熱至1273K(初始溫度)。通鋼時,浸入式水口內(nèi)壁與熾熱的鋼液接觸,設(shè)其溫度在3s內(nèi)迅速升至1873K。水口外壁包裹的耐火纖維與空氣接觸(環(huán)境溫度為323K),它主要與周圍環(huán)境進(jìn)行對流換熱和輻射換熱。為簡便起見,這兩者可統(tǒng)一用對流輻射換熱系數(shù)表示,其值由式(1)估算。式中,β為對流輻射換熱系數(shù),W/(m·K);Gr為Galileo準(zhǔn)數(shù);Pr為Prandtl準(zhǔn)數(shù);l0為浸入式水口定型尺寸,m;C、n為與水口形狀、位置和空氣流態(tài)有關(guān)的常數(shù);ω為耐火纖維表面黑度;C0為黑體輻射系數(shù),C0=5.669W/(m2·K4);Tw為耐火纖維包裹層表面溫度,K;Tf為環(huán)境溫度,K。2.3材料的物理性能參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn),浸入式水口本體(或鋁碳層)、鋯碳層、內(nèi)面層和外面層的物理性能參數(shù)見表1。3結(jié)果與討論3.1內(nèi)部表面對嵌入式水的熱應(yīng)力的影響3.1.1抗拉壓復(fù)合結(jié)構(gòu)長采用1.2%的雙注式過濾材料首先研究了內(nèi)面層厚度對鋁碳層和鋯碳層熱應(yīng)力的影響。計算結(jié)果表明,浸入式水口所受周向熱應(yīng)力的大小隨著時間的變化而變化,但在以下的研究中,主要對最大拉應(yīng)力值進(jìn)行考查,結(jié)果見圖2。根據(jù)圖2可知,當(dāng)內(nèi)面層厚度由0mm增至4mm時,鋁碳層所受最大拉應(yīng)力逐漸減小。這主要是因為內(nèi)面層具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),能夠有效降低鋁碳層所承受的溫度梯度,這同復(fù)合結(jié)構(gòu)長水口的機(jī)理相同。當(dāng)內(nèi)面層厚度由4mm增至10mm時,最大拉應(yīng)力反而又逐漸增加。這是因為內(nèi)面層熱膨脹系數(shù)與彈性模量的乘積(α·E)顯著大于鋁碳層的。以上兩種相反作用的綜合結(jié)果就是,當(dāng)內(nèi)面層厚度在2～4mm之間時,鋁碳層所受最大熱應(yīng)力較小。內(nèi)面層厚度對鋯碳層所受最大拉應(yīng)力的影響及其作用原理與鋁碳層類似。然而,對于內(nèi)面層和鋯碳層來說,因它們的(α·E)相差不大,所以在內(nèi)面層厚度不大于10mm的范圍內(nèi),均可降低鋯碳層所受熱應(yīng)力。綜合鋁碳層和鋯碳層的計算結(jié)果,當(dāng)內(nèi)面層厚度為4mm時,它們所承受的最大拉應(yīng)力均較小。考慮到內(nèi)面層在使用時會被鋼液逐漸沖刷掉,其厚度介于4～6mm之間為宜。從圖2中還可以看出,雖然鋁碳層的(α·E)較小,但當(dāng)內(nèi)面層較厚時,它所受到的熱應(yīng)力反而較大。因此,鋁碳層、鋯碳層與內(nèi)面層熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要。3.1.2熱膨脹系數(shù)的影響內(nèi)面層的厚度保持在5mm,研究了其物理性能參數(shù)變化對鋁碳層和鋯碳層最大拉應(yīng)力的影響,結(jié)果見圖3所示。由圖3(a)可知,隨著內(nèi)面層彈性模量的增加,鋁碳層和鋯碳層所受最大拉應(yīng)力也相應(yīng)增加,但它們之間并不成線性關(guān)系。此外,鋁碳層所受最大拉應(yīng)力較鋯碳層的增幅要大的多,其主要原因是鋁碳層和內(nèi)面層的熱膨脹系數(shù)相差較大。由圖3(b)可知,隨著內(nèi)面層熱膨脹系數(shù)的增加,鋁碳層和鋯碳層所受最大拉應(yīng)力呈線性關(guān)系增加,而且鋁碳層所受最大拉應(yīng)力的增幅也大于鋯碳層的,其原因則是鋁碳層和內(nèi)面層的彈性模量相差較大。由圖3(c)可知,隨著內(nèi)面層導(dǎo)熱系數(shù)的增加,鋁碳層所受最大拉應(yīng)力基本不變,鋯碳層所受最大拉應(yīng)力則呈線性關(guān)系增加。這是因為,當(dāng)內(nèi)面層厚度為5mm時,鋁碳層所受熱應(yīng)力主要取決于它與內(nèi)面層(α·E)的差異;鋯碳層所受熱應(yīng)力則主要取決于溫度梯度。綜上所述,為降低浸入式水口所受熱應(yīng)力,內(nèi)面層應(yīng)選擇具有較低彈性模量、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的材料。3.2內(nèi)部層對嵌入式水槽壁的溫度的影響3.2.1層厚度對沉浸式集合式集成系統(tǒng)內(nèi)溫度的影響外面層主要是防止預(yù)熱后浸入式水口溫度的降低導(dǎo)致其開裂,因而以下主要根據(jù)水口內(nèi)壁溫度降低情況來考察外面層對它的影響。保持本體和外面層導(dǎo)熱系數(shù)分別為21.7W/(m·K)和0.12W/(m·K)不變,考察外面層厚度對浸入式水口鋁碳層內(nèi)壁溫度的影響。圖4所示為第5min和第10min時,水口內(nèi)壁溫度隨外面層厚度的變化情況。由圖4可知,沒有包裹耐火纖維的浸入式水口(外面層為0mm)在空氣中冷卻5min后,其內(nèi)壁溫度由預(yù)熱溫度1273K降至752K;10min后降至571K。當(dāng)外面層厚度僅為1mm時,水口內(nèi)壁溫度顯著升高。隨著外面層厚度進(jìn)一步增加,水口內(nèi)壁溫度也隨之升高。然而當(dāng)內(nèi)面層厚度由2mm增至4mm時,溫度升高不多。所以,外面層厚度以3mm左右為宜。在實際生產(chǎn)中,耐火纖維包裹層的厚度一般大于3mm。這是因為,浸入式水口的外壁溫度很高,緊貼著它的耐火纖維會出現(xiàn)一定程度的燒結(jié),以致增大了它的導(dǎo)熱系數(shù)。3.2.2表面層導(dǎo)熱系數(shù)外面層厚度保持在3mm,其導(dǎo)熱系數(shù)對浸入式水口內(nèi)壁溫度的影響見圖5所示。由圖5可知,不管是第5min還是第10min,隨著外面層導(dǎo)熱系數(shù)的降低,水口內(nèi)壁溫度基本呈線性關(guān)系下降。因為當(dāng)外面層厚度超過3mm時,再增加其厚度基本不影響水口的內(nèi)壁溫度,所以若要進(jìn)一步降低水口開裂的可能性,最有效的方法是降低外面層的導(dǎo)熱系數(shù)。對于鋯碳層,外面層對浸入式水口內(nèi)壁溫度的影響結(jié)果與以上情況相同,此處不再贅述。4最大拉應(yīng)力降壓