影響鋼包內(nèi)襯使用壽命的力學(xué)因素(revise)

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1、影響鋼包內(nèi)襯使用壽命的力學(xué)因素DietmarGruber等鋼包內(nèi)襯的耐材在工作期間承受化學(xué)和機(jī)械負(fù)荷。機(jī)械負(fù)荷來自于耐材的熱膨脹，而耐材的熱膨脹受到鋼殼或耐材內(nèi)不同溫度區(qū)的制約。本研究工作的目的在于研究影響鋼包耐材內(nèi)襯機(jī)械壽命的因素并澄清內(nèi)襯的破壞機(jī)理。尤其是壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的工作襯熱面不可逆應(yīng)變會(huì)引起熱面接縫開口。不可逆應(yīng)變的另一個(gè)后果是工作襯的穩(wěn)定性下降。以襯磚的受控膨脹來抵消不可逆壓縮應(yīng)變，是本文的興趣所在。關(guān)鍵詞：耐材鋼包非線性FEM分析渣區(qū)1前言鋼包內(nèi)襯有許多砌筑方法，使用的材料包括成型和未成型、堿性和非堿性的耐材。不管采用哪種砌筑方法，通常，鋼包渣線區(qū)域都采用鎂

2、碳磚砌筑。許多情況下，鋼包熔池區(qū)域采用非堿性澆注料搗打結(jié)合，但也可以完全采用耐火磚砌筑而成。因熱機(jī)械破壞造成的耐材蝕損已有人進(jìn)行過模擬試驗(yàn)研究，如參考文獻(xiàn)[1-3]。本文將關(guān)注有關(guān)渣線區(qū)域的專門問題。有時(shí)，服役幾爐后鋼包內(nèi)襯在軸向形成徑向裂紋，造成襯磚破壞。典型的裂紋是在工作襯磚結(jié)合的接縫處形成的。圖1顯示出這種特殊的耐材破壞方式。圖1渣區(qū)工作襯上的裂紋（箭頭指向裂紋）為了弄清裂紋形成的原因并找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施，特進(jìn)行數(shù)值模擬。為達(dá)到此目的，數(shù)值模擬過程中考慮了鋼包和包襯的構(gòu)造、材料參數(shù)和工藝操作（包括鋼包烘烤制度）等因素。2模型描述本研究建立了的模型是通過兩個(gè)對(duì)稱的半

3、塊耐火磚水平截取的斷面，由里往外依次是熱面、工作襯、永久襯、絕熱層和鋼殼，如圖2所示。圖2模型1，從熱面至冷端：工作襯、永久襯、絕熱層和鋼殼7材料行為裂紋開始產(chǎn)生前的材料反應(yīng)可采用線性彈性材料的行為來描述。用塑變屈服標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測材料對(duì)壓應(yīng)力的反應(yīng)。為此，根據(jù)Mohr和Coulonb原理，用主應(yīng)力（σ1、σ2、σ3）建立了破裂標(biāo)準(zhǔn)，方法如下（圖3）：圖3Mohr-Coulomb構(gòu)成模型示意圖圖中I1、J2和J3是所謂的應(yīng)力不變量；I1量化流體靜壓，J2為偏應(yīng)力。σM=1/3(σ1+σ2+σ3)I1=1/3(σ1+σ2+σ3）J2=1/2(σ1-σM)2+(σ2-σM)2+(σ

4、3-σM)2J3=(σ1-σM)﹒(σ2-σM)﹒(σ3-σM)（1）=應(yīng)力不變量可由多種方法定義。在公式（1）中涉及到的應(yīng)力不變量定義在DIANA專業(yè)有限元結(jié)構(gòu)分析軟件的FEM編碼做了描述[4]。這一標(biāo)準(zhǔn)在主應(yīng)力空間中由一個(gè)金字塔式主體來表示（圖3b）。圖3a描述了穿過該金字塔的垂直于流體靜壓軸ξ的一個(gè)切片。在該切片的平面中，應(yīng)力洛徳角（Lodeangle）θ也如圖3a所示那樣描述。應(yīng)力洛徳角的一條邊位于純剪力方向，當(dāng)它的這條邊接近破裂曲線時(shí)，作為極坐標(biāo)來確定應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)定義，純剪切的應(yīng)力洛徳角θ為零。在圖3中是摩擦角，c為材料粘合力，ψ則為剪脹角。摩擦角描述了在剪

5、切破壞發(fā)生情況下剪切強(qiáng)度隨流體靜壓和剪脹角增大而增加的體積行為。剪脹角ψ的定義請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)[5]。對(duì)材料行為的描述中考慮了依賴于溫度的粘合力。由于尚不能進(jìn)行高溫三軸試驗(yàn)，所以用單軸抗壓試驗(yàn)測定了高溫下的粘合力，然后用公式（2）計(jì)算出粘合力。（2）公式（2）中，fc是單軸抗壓強(qiáng)度。假設(shè)摩擦角φ和剪脹角ψ不受溫度影響。用超音速測定法測量了所有應(yīng)用溫度范圍內(nèi)隨溫度變化的楊氏模量[6]。內(nèi)襯磚的膨脹由可逆的熱膨脹和因內(nèi)襯磚中發(fā)生相變引起不可逆的受控膨脹組成。熱膨脹用膨脹測定法測量（如圖4所示）。7圖40.01MPa負(fù)荷下有、無膨脹劑時(shí)襯磚的膨脹行為和映像溫度曲線不可逆受控膨脹

6、根據(jù)長期高溫膨脹測定值確定，從長期和短期測量值之差中計(jì)算得出。短期測量值用依賴于膨脹函數(shù)的離散時(shí)間模擬得出。表1列出了模擬試驗(yàn)所用材料的特性。表1模擬試驗(yàn)材料的輸入特性；*與溫度相關(guān)特性符號(hào)包襯磨損楊氏模量泊松數(shù)粘合力摩擦角膨脹角熱膨脹傳熱率比熱容EvcφψαλcP30～60GPa*0.25～40MPa*20°0°10-5K-17.5-10.5W/mK*1.0KJ/kgK邊界條件包襯、鋼殼和環(huán)境的初始溫度是20℃。兩種預(yù)熱方案的參數(shù)如表2所示。假設(shè)在閑置時(shí)間內(nèi)和冷卻期間的鋼包內(nèi)表面是絕熱的。表2時(shí)序邊界條件方案1方案2預(yù)熱單爐耗時(shí)（包括閑置時(shí)間）閑置時(shí)間爐次數(shù)冷卻耗時(shí)-

7、2.5h(6h)3.5h2～810h預(yù)熱72h至1100℃2.5h(6h)3.5h2～810h包襯的熱機(jī)械行為因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)條件（這里指足夠的預(yù)熱烘烤并且沒有過早損壞）下的新包襯是經(jīng)過壓縮預(yù)應(yīng)力處理的，所以不易拉伸破壞。但如果接縫出現(xiàn)開口，情況就會(huì)發(fā)生明顯變化。描述鋼包渣線裂紋的關(guān)鍵問題是弄清導(dǎo)致接縫開口的過程。接縫開口7導(dǎo)致接縫開口的可能機(jī)理有好幾種。最常見的起因是不可逆應(yīng)變，由工作襯熱面的壓應(yīng)力和包襯冷端溫度的不斷上升引起。下面描述不可逆應(yīng)變的產(chǎn)生過程[7]。1．當(dāng)一個(gè)相對(duì)較冷的鋼包被使用時(shí)，熱面上會(huì)產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力，這可能導(dǎo)致壓縮破壞。鋼