一种用于新型钢包多场耦合分析方法

1.本发明涉及一种新型钢包的温度场、应力场和流场的分析方法，该方法可以为后续的钢包精炼提供理论研究基础，为钢包的长寿化分析提供数据支持和研究基础，属于炼钢技术领域。


背景技术：

2.钢包能够在生产中运用的最低要求是能够承受住钢水1500℃的温度，并且要保证钢包的内衬可以用2-3年，钢包壳能用到30年的要求。钢包内衬里选择的影响直接影响钢包的使用寿命，其保温性能对钢水温降和后期熔炼过程有重要影响。传统的寿命预测，仅凭“经验估算+运行调整”的传统方法难以明确复杂条件下内衬材料时变损伤机理，保温效果和寿命功效无法兼顾。
3.在钢铁生产过程中，每一个流程都要求钢水在一定的范围内，生产节奏的变化可能对钢包的扩容和轻质化的要求就会更加严格。钢包内的钢水温控就很严格，在每个炼钢流程中要求钢水在一定的范围内，不能低于最低温度，不然将无法进行下一步的操作。新型钢包的主要特点在于内衬所使用的耐火材料不同和结构的不同即增加保温层和绝热层。钢包内衬的耐火材料的选择将直接影响钢包的使用寿命和质量，其保温性能对钢水冷却，钢坯质量和冶炼过程有重要影响。
4.钢包在工作过程中，不仅承受铁水和自身重力的作用，而且还承受较高的温度载荷产生的热应力，钢包的热应力是因为钢水温度变化时，钢包受到自身的重力和外在的拉力等外部因素和钢包内部各部分之间相互的约束，使钢包不能够完全自由的胀缩而产生应力。而热应力分析的实质就是在物体受热的基础上，对于不同物体，由于存在不同的热胀系数，而产生不同的应力效果。在ansys有限元分析软件中利用workbench中热分析和力分析两个模块相互联合，计算钢包的应力场。而钢包的热分析，存在着两种不同的分析方法：直接法和间接法。直接法是利用耦合单元，将热载荷和结构载荷同时施加在有限元模型上直接求解的方法。间接法是先将温度场分布进行求解，再将温度载荷转化为结构单元，再进行求解的一种方法。
5.在炼钢时，钢包内衬的应力分布对降低生产成本、优化生产工艺、改善铸坯质量和延长钢包内衬使用寿命来说具有非常重要的意义。近几年对新结构钢包的研究结果表明,在两种工况下新型钢包的温度分布均优于传统钢包,新型钢包包壳的最高温度明显低于传统钢包包壳的最高温度,新型钢包的保温隔热性能比传统钢包更加优良。通过在钢包工作层表面覆盖一层10mm厚的保温绝热毡，再在永久层与钢包外壳之间加入30mm后的保温隔热板，然后对其进行烤包和盛钢模拟，结果发现应用绝热毡和保温隔热板的钢包外壳表征平均温度降低了45℃，钢包内钢水温度下降平均速度降低了0.27。上述对钢包的研究，着重于研究钢包外壳温度的控制和不同内衬材料对钢包温度控制以及应力分布的影响，但研究结果显示包壳的应力分布并不理想。
6.鉴于此需要一种用于新型钢包多场耦合分析的有效方法，克服目前新型钢包多场
耦合分析的局限性，提升新型钢包的在温度分布和应力分布上的均衡性，为后面的钢包透气砖的位置和均混时间提供一个理论依据，可以提高钢包精炼效果，从而进一步提高新型钢包的保温性能和使用寿命。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于新型钢包多场耦合分析方法，可以利用仿真软件对钢包的温度场和应力场进行分析，验证其新型结构的保温性和轻质化的性能，为后续钢包的长寿化分析提供数据支持和研究基础。
8.本发明所采用的技术方案是：一种用于新型钢包多场耦合分析方法，包括以下步骤：
9.步骤1：根据钢包实际形状和尺寸建立三维模型，通过对新型钢包的一些部位进行简化处理，完成三维建模，将在solidworks画好的钢包三维图另存为格式为.xt格式，然后将其导入到workbench软件中，进入workbench中的dm中，通过有限元法建立钢包的网格模型，并设置钢包参数；其中的钢包参数包括材料属性、密度及弹性模量、屈服应力、最小抗拉强度、泊松比。
10.步骤2：在dm中创建6个草图，然后分别形成6个面体，再形成一个多体构件模型，接着再对钢包的内衬进行材料的输入，确定钢包在典型工作条件下的边界条件。
11.步骤3：利用ansys有限元软件进行有限元模型的网格划分，对连接处的部分进行网格细分，其他部分进行稀疏划分；在划分单元过程中将单元节点设置在结构的连接点、交叉点和界面曲率突变点；在物理量发生较大变化的场所，可以适当增加网格数，在物理量平稳变化的情况下，可以适当减少网格密度；当一个物体出现材料变化的情况时，在材料变化处应划分新的网格单元，在载荷集中点处或是载荷突变处应设立节点，并且在其周围适当加密网格密度。
12.步骤4：使用workbench中steady-state thermal模块分析钢包稳态热分析。
13.步骤5：将钢包稳态热分析得到的温度场结果加载在钢包力分析的模块中，得到钢包的应力云图。
14.步骤6：在钢包底的透气砖的缝隙之间进行吹氩气的操作，对钢包内部的流场的情况进行分析。
15.进一步地，步骤2中多体构件模型由dm中创建的6个草图分别形成的6个面体构成，赋予工作层、永久层、保温层、绝缘层和钢包外壳相应的材料属性，当材料的弹性属性突然变化时，应该用突变线作为单元的边界线。
16.进一步地，步骤4中分析钢包的一个径向截面，然后用2d分析的轴对称进行处理；单独提取工作层和永久层的温度分布状况。
17.进一步地，步骤5中，首先对钢包壳和箍板、肋板及耳轴的区域单独进行网格细密划分，然后利用二维轴对称模型先对钢包进行温度场求解，提取包壳温度载荷，并利用二维轴对称模型求取包衬在高温载荷下，由于热膨胀的产生对包壳的热膨胀压力，再将温度单元转化为结构单元，读取温度载荷，施加外界外力和约束，具体的外力和约束主要是钢包自身的重力、钢包受到的拉力和钢包受到热膨胀所受到的约束力，最后再进行应力场分析。
18.进一步地，步骤6中，首先在gambit中建立新型钢包二维模型，设置网格格式，细分
网格，设置钢包的进气口和出气口的位置、进气口的大小，将计算划分好的网格结果导入fluent中，进行流场分析。
19.本发明的有益效果在于，在solidworks中建立了新型钢包的三维模型，保存特定格式，然后导入到workbench中，在分析前首先确定钢包在典型工作条件下的边界条件，在相同的工况下，利用仿真软件对钢包的温度场和应力场进行分析，验证其新型结构的保温性和轻质化的性能，最后对钢包进行流场的分析，为后续的钢包精炼提供理论研究基础，为后续钢包的长寿化分析提供数据支持和研究基础。
20.确定新型钢包内衬结构，列出了钢包的新型结构每层的物性参数，对钢包进行烤包下和盛钢下两种工况下的温度场计算，结果发现两种工况下温度分布大致相同，将新型钢包的温度云图和传统钢包相比较，结果发现，新型钢包壳的平均温度和传统钢包壳的平均温度相比较，发现钢包壳平均温度降低了100℃左右，接着对新型钢包和传统钢包的盛钢期间钢水的温降进行对比，发现新型钢包的钢水温度比传统钢包的钢水温度平均提高17℃左右，从新型钢包包壳的温度低和钢水的下降温度的速率低两个方面来说明钢包的保温性能，实验结果表明新型钢包比传统钢包保温性能好，接着在热应力理论的基础上对钢包进行应力场的仿真，这里只对盛钢工况下进行模拟仿真，结果表明新型钢包的包壳和传统钢包包壳在应力方面相比较，发现新型钢包的包壳比传统钢包的包壳在应力水平上低了30mpa，从应力云图发现，应力分布也比较均匀，从而钢包的内衬使用寿命得到增加，相应的钢包寿命也得到延长，最后对新型钢包的流场进行模拟分析，为钢包透气砖的位置和均混时间提供理论研究基础。
附图说明
21.图1为本发明的新型钢包多场耦合分析方法的流程框图。
22.图2为传统钢包和新型保温绝热钢包钢水温度下降的速度对比图。
23.图3为热-应力耦合场分析流程图。
24.图4为边界条件模拟图。
25.图5为新型钢包流场分析二维网格图。
具体实施方式
26.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
27.参见图1，本发明提供的一种新型钢包多场耦合分析方法，包括以下步骤：
28.(1)根据钢包实际形状和尺寸建立三维模型，将在solidworks中画好的钢包三维图另存为格式为.xt格式，然后将其导入到workbench软件中，进入workbench中的dm中，对钢包的模型进行一些细微处理。通过有限元法建立钢包的网格模型，并设置钢包参数。其中的钢包参数包括材料属性、密度及弹性模量。具体地，还包括屈服应力、最小抗拉强度、泊松比等。
29.具体建模需要考虑的以下几种情况：
①
钢包其他附加装置在分析中对结果的影响较小比如钢包的倾翻装置可以在画图的时候省略；
②
对钢包一些部位进行简化处理为了计
算的方便性，由于钢包是轴对称的，在建立模型时对轴对称处理，为了简化计算量，取模型的二分之一作为分析对象。
30.(2)进行有限元分析前首先进行建模，在dm中创建6个草图，然后分别形成6个面体，再形成一个多体构件，接着在对钢包的内衬进行材料的输入，最后是边界条件的设置。
31.(3)进行有限元模型的网格划分需要手动画网格，对连接处的部分进行网格细分，其他部分进行稀疏划分。在划分单元过程中应尽可能的将单元节点设置在结构的连接点、交叉点和界面曲率突变点等地方。
32.(4)分析钢包的温度场时，只分析钢包稳态热分析的问题，需要使用workbench中steady-state thermal模块，由于钢包是对称的桶型物体，为了简化计算，对模型进行处理，只需要分析其一个径向截面，然后用2d分析的轴对称进行处理。
33.(5)分析结果显示钢包整体的温度在128℃～1000℃之间。其中，钢包包壳的温度最低，平均温度在128℃左右，最高温度出现在工作层内表面与钢水接触部分，最高温度为1000℃。为了更好的观察包壳的温度分布以及钢包包壳与永久层接触面上的热载荷分布情况，单独提取工作层和永久层的温度分布状况。
34.从温度云图可以得出，新型钢包的内衬的最大温度和最小温度和传统钢包相比较，两者的温度低于100℃，新型钢包的内衬温度得以提高，在外散发的热量就会大大减小。这里分析的钢包的二维温度场云图，由钢包的三维模型可以得到，新型钢包的包壳大部分区域处在128℃到224℃，其最高温集中在包壳上沿、钢包底半径位置处、包壳下半部，还有包壳中部位置。由于上下箍板、肋板及耳轴与热源距离较远且与空气对流换热作用较强，热量散失较大，所以包壳中间部位的温度较低。
35.从图2可以看出新型钢包对盛钢过程钢水温度变化的影响是非常明显的，能大大降低钢水的温降，在其它条件相同的情况下，浇注开始时，新型钢包的钢水温度比传统钢包的钢水温度平均提高17℃左右。在盛钢工况下，新型结构的保温层和复合绝热层起到了很大的作用，阻碍了钢水向外传热的效率，提高了钢包内衬的温度，减小了钢包壳的温度和钢水的温度下降速度。
36.利用二维轴对称模型先对钢包进行温度场求解，提取包壳温度载荷，并利用二维轴对称模型求取包衬在高温载荷下，由于热膨胀的产生对包壳的热膨胀压力，再将温度单元转化为结构单元，读取温度载荷，施加外界外力和约束，具体的外力和约束主要是钢包自身的重力和钢包受到的拉力和钢包受到热膨胀所受到的约束力，最后在进行应力场分析。
37.热应力方程的建立。有限元方程式的推导过程如下：
38.将物体划分成e个有限元单元。
39.假设单元“e”内部的位移模型是
[0040][0041]
利用最小势能原理推导出单元刚度的矩阵以及载荷的向量，忽略其他因素，只考虑体力以及面力的情况下得出势能π
p
的推导式如下：
[0042][0043]
在上式中，忽略其他因素的影响，单独考虑体力和面力。如果是节点力的向量，那么结构总势能的方程如下：
[0044][0045]
用上式的条件可得到结构静力的平衡式为：
[0046][0047]
结构或者物体整体刚度的矩阵表达为：
[0048][0049]
单元刚度的矩阵表达式：
[0050]
[k
(e)
]＝[b]
t
[d][b]
·
dv
[0051]
结点的位移整量的表达式：
[0052]
结点力的总向量表达式：
[0053][0054]
集中荷载的向量:
[0055]
单元结点力的向量表达式：
[0056][0057]
初应变而引起单元结点力的向量表达式：
[0058][0059]
面力而引起单元结点力的向量表达式：
[0060][0061]
由于体力而引起单元结点力的向量表达式：
[0062][0063]
通过以上表达式，整体的结构或者是物体的所要求的有限元方程表达式为：
[0064]
[0065][0066]
代表集合整体的刚度的矩阵以及
[0067][0068]
作为整体的节点荷载的向量。
[0069]
由此可求解出节点位移的解以及所需的单元的应力。
[0070]
应力场分析前，首先对钢包进行网格的划分，网格的划分是有一定的原则，在这里对钢包壳和箍板、肋板及耳轴的区域单独进行划分，需要进行细密的网格，接着将上述的温度场的结果加载到应力分析中，对结果进行分析计算。
[0071]
由质量守恒方程可以计算出出钢水流动的连续性方程:
[0072][0073]
能量守恒方程：
[0074][0075]
式中γ
eff
有效温度扩散系数，s
t
为热源项，无内热源时为零。
[0076]
动量守恒方程(n-s方程)：
[0077][0078]
其中有效粘度系数μ
eff
由湍流模型确定。
[0079]
时均处理的n-s方程：
[0080][0081]
k-ε双方程模型：
[0082][0083]
将上式代入有雷诺应力的n-s方程，可得：
[0084][0085]
湍动能(k)方程：
[0086][0087]
湍动能耗散率(ε)方程：
[0088][0089]
湍流粘性系数由下式确定：
[0090]
μ
t
＝ρc
μ
k2/ε
[0091]
上述方法所出其中系数按劳德和斯伯丁所推荐的数据,c1取1.44，c2取1.92，c
μ
取o.09，σk取1.0，σ
ε
取1.3。
[0092]
热-应力耦合场分析流程如图3所示。
[0093]
(6)在gambit中建立新型钢包二维模型，设置网格格式，细分网格，设置钢包的进气口和出气口的位置，进气口的大小。将计算划分好的网格结果导入fluent中，进行流场分析。其他边界条件为氩气入口设为速度入口即钢包底部透气砖的缝隙，气体速度为0.3l/s，流场分析的上边界是压力出口，压力为1个大气压，其余边界设为墙，钢液的高度设为2m，气口的直径为0.1m，距底面圆心0.45r，r为钢包半径。边界设置简图如图4所示。
[0094]
本发明提出的一种用于新型钢包多场耦合分析方法，克服目前新型钢包多场耦合分析的局限性，提升新型钢包的在温度分布和应力分布上的均衡性，为后面的钢包透气砖的位置和均混时间提供一个理论依据，可以提高钢包精炼效果，从而进一步提高新型钢包的保温性能和使用寿命。
[0095]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0096]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。