影响钢包内衬使用寿命的力学因素(revise)..docVIP

影响钢包内衬使用寿命的力学因素 Dietmar Gruber等 钢包内衬的耐材在工作期间承受化学和机械负荷。机械负荷来自于耐材的热膨胀，而耐材的热膨胀受到钢壳或耐材内不同温度区的制约。本研究工作的目的在于研究影响钢包耐材内衬机械寿命的因素并澄清内衬的破坏机理。尤其是压缩应力导致的工作衬热面不可逆应变会引起热面接缝开口。不可逆应变的另一个后果是工作衬的稳定性下降。以衬砖的受控膨胀来抵消不可逆压缩应变，是本文的兴趣所在。 关键词：耐材 钢包 非线性FEM分析 渣区 1 前言 钢包内衬有许多砌筑方法，使用的材料包括成型和未成型、碱性和非碱性的耐材。不管采用哪种砌筑方法，通常，钢包渣线区域都采用镁碳砖砌筑。许多情况下，钢包熔池区域采用非碱性浇注料捣打结合，但也可以完全采用耐火砖砌筑而成。因热机械破坏造成的耐材蚀损已有人进行过模拟试验研究，如参考文献[1-3]。本文将关注有关渣线区域的专门问题。有时，服役几炉后钢包内衬在轴向形成径向裂纹，造成衬砖破坏。典型的裂纹是在工作衬砖结合的接缝处形成的。图1显示出这种特殊的耐材破坏方式。 图1 渣区工作衬上的裂纹（箭头指向裂纹） 为了弄清裂纹形成的原因并找到适当的解决措施，特进行数值模拟。为达到此目的，数值模拟过程中考虑了钢包和包衬的构造、材料参数和工艺操作（包括钢包烘烤制度）等因素。 2 模型描述 本研究建立了的模型是通过两个对称的半块耐火砖水平截取的断面，由里往外依次是热面、工作衬、永久衬、绝热层和钢壳，如图2所示。 图2 模型1，从热面至冷端：工作衬、永久衬、绝热层和钢壳 材料行为 裂纹开始产生前的材料反应可采用线性弹性材料的行为来描述。用塑变屈服标准预测材料对压应力的反应。为此，根据Mohr和Coulonb原理，用主应力（σ1、σ2、σ3）建立了破裂标准，方法如下（图3）： 图3 Mohr-Coulomb构成模型示意图 图中I1、J2和J3是所谓的应力不变量；I1量化流体静压，J2为偏应力。 σM = 1/3 (σ1 + σ2 + σ3) I1 = 1/3 (σ1 + σ2 + σ3） J2 = 1/2 (σ1 - σM)2 + (σ2- σM)2 + (σ3 - σM)2 J3 = (σ1 - σM)﹒(σ2- σM) ﹒(σ3 - σM) （1） = 应力不变量可由多种方法定义。在公式（1）中涉及到的应力不变量定义在DIANA专业有限元结构分析软件的FEM编码做了描述[4]。这一标准在主应力空间中由一个金字塔式主体来表示（图3b）。图3a描述了穿过该金字塔的垂直于流体静压轴ξ的一个切片。在该切片的平面中，应力洛徳角（Lode angle）θ也如图3a所示那样描述。应力洛徳角的一条边位于纯剪力方向，当它的这条边接近破裂曲线时，作为极坐标来确定应力状态。根据定义，纯剪切的应力洛徳角θ为零。在图3中是摩擦角，c为材料粘合力，ψ则为剪胀角。摩擦角描述了在剪切破坏发生情况下剪切强度随流体静压和剪胀角增大而增加的体积行为。剪胀角ψ的定义请查阅参考文献[5]。 对材料行为的描述中考虑了依赖于温度的粘合力。由于尚不能进行高温三轴试验，所以用单轴抗压试验测定了高温下的粘合力，然后用公式（2）计算出粘合力。 （2） 公式（2）中，fc是单轴抗压强度。假设摩擦角φ和剪胀角ψ不受温度影响。用超音速测定法测量了所有应用温度范围内随温度变化的杨氏模量[6]。 内衬砖的膨胀由可逆的热膨胀和因内衬砖中发生相变引起不可逆的受控膨胀组成。热膨胀用膨胀测定法测量（如图4所示）。 图4 0.01MPa负荷下有、无膨胀剂时衬砖的膨胀行为和映像温度曲线 不可逆受控膨胀根据长期高温膨胀测定值确定，从长期和短期测量值之差中计算得出。短期测量值用依赖于膨胀函数的离散时间模拟得出。 表1列出了模拟试验所用材料的特性。 表1 模拟试验材料的输入特性；*与温度相关 特性 符号 包衬磨损 杨氏模量 泊松数 粘合力 摩擦角 膨胀角 热膨胀 传热率 比热容 E v c φ ψ α λ cP 30～60GPa* 0.2 5～40MPa* 20° 0° 10-5K-1 7.5-10.5W/mK* 1.0KJ/kgK 边界条件 包衬、钢壳和环境的初始温度是20℃。两种预热方案的参数如表2所示。假设在闲置时间内和冷却期间的钢包内表面是绝热的。 表2 时序边界条件 方案1 方案2 预热 单炉耗时（包括闲置时间） 闲置时间 炉次数 冷却耗时 - 2.5h (6h) 3.5h 2～8 10h 预热72h至1100℃ 2.5h (6h) 3.5h 2～8 10h 包衬的热机械行为 因为标准条件（这里指足够的预热烘烤并且没有过早损