钢包是冶金工业的重要容器件,起着储存、转运钢水的作用。随着现代冶金企业技术进步,连铸应用的不断拓展,钢包的作用显得尤为突出,其寿命的长短直接影响企业生产的正常运行和生产成本。钢包的使用寿命与内衬的热应力有着密切的关系,当内衬材料由于受到急剧的温度变化以及内衬材质的差异产生的拉、压应力超过材料的许用应力时,将导致材料内部微裂纹的产生并逐步扩展,而裂纹的存在加速内衬材料的化学侵蚀,最终降低内衬的使用寿命。 随着计算技术的发展,利用有限元软件的分析模块和计算机强大的计算功能可以较精确的得到高温容器件结构热应力分布。本课题从热力学的角度出发,运用有限单元法原理,基于ANSYS参数化建模方法建立钢包内衬温度场和应力场计算模型,并分析影响其温度和应力分布的主要因素。同时,以武钢钢包的实际生产为背景,利用在典型工况下钢包外壳的温度测试数据验证钢包内衬模型以及耐火内衬物性参数选取的合理性。通过改变钢包内衬结构并结合内衬砖膨胀缝等因素提出合理的钢包内衬设计方案,达到提高钢包的使用寿命的目的。 本课题研究中提出了在一次热循环中钢包经历两大温度载荷工况段的简化处理方法,模拟了钢包内衬在两大温度载荷段典型工况下的温度场和应力场分布,探明了钢包内衬温度场、应力场的变化规律。通过比较五种不同钢包包底结构热应力计算结果得到一种最优化包底结构方案,基于这种模型砌筑的钢包经现场实际试用,使用寿命有很大提高,表明本课题研究的可行性和实用性。 本文的创新之处在于: 1、利用参数化建模方法模拟钢包的实际生产状况以及钢包温度测试实验研究手段,系统研究了钢包内衬在不同工况、不同结构和材质条件的热力学行为,并提出优化钢包内衬的结构方案。 2、本课题从钢包内衬膨胀缝角度出发,探讨高温条件下内衬砖体膨胀变化情况以及膨胀缝对内衬应力场分布的影响,并运用ANSYS接触应力分析方法确定合适的钢包内衬热膨胀缝隙,从而更真实的模拟钢包内衬的工作状况。