孟慶海，鄧子玉

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

KR機械攪拌頭失效過程模擬研究

孟慶海，鄧子玉

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

基于最新耐高溫鋼筋混凝土材料的熱工性能和力學(xué)性能計算方法，結(jié)合KR機械攪拌器的材料組成，計算出KR機械攪拌頭的熱工性能和力學(xué)性能。以此為前提，使用UG建立KR機械攪拌器模型，利用ABAQUS軟件模擬合金熔煉脫硫環(huán)境，對KR機械攪拌器在鋼水脫硫過程中受到熱腐蝕進行研究，分析攪拌頭內(nèi)部普通位置和特殊位置溫度場分布情況。結(jié)果表明：KR機械攪拌器工作過程中其內(nèi)部的溫度分布不均勻，平均溫度梯度很大。模擬結(jié)果為攪拌器外襯破損原因提供理論支持。

KR機械攪拌頭；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；熱工-力學(xué)性能；數(shù)值模擬

合金熔煉行業(yè)高速發(fā)展以來，金屬液冶煉預(yù)處理顯得尤為重要，其中最具代表性且被廣泛應(yīng)用的主要是KR機械攪拌法和噴吹法[1]，比較兩種方法可知，KR機械攪拌法更適用于高硬度合金生產(chǎn)行業(yè)[2-5]。

KR機械攪拌頭是以鋼材為骨架材料，外部包裹一定厚度的耐高溫混凝土，將攪拌頭浸入金屬液罐內(nèi)，以預(yù)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)帶動金屬液環(huán)形流動，提高了流體的動力學(xué)性能，同時經(jīng)過給料器在金屬液中加入定量脫硫劑，脫硫劑與合金溶液混合后，在高溫條件下發(fā)生化合反應(yīng)，生成物為含硫的固體物質(zhì)，從而降低硫含量[6]。

國內(nèi)外的研究主要集中在動力輸入、優(yōu)化工藝參數(shù)和過程、改進脫硫設(shè)備及攪拌頭葉片形狀方面[7-9]。但對攪拌頭工作時熱傳遞與熱分布，以及因此引起的熱應(yīng)力產(chǎn)生形式、過程均未做系統(tǒng)的研究。本文總結(jié)前人的實踐經(jīng)驗，以理論研究為基礎(chǔ)，利用仿真軟件，嚴格按照實際生產(chǎn)條件設(shè)定各項參數(shù)，對KR攪拌頭的工況進行分析，彌補了KR攪拌頭內(nèi)溫度分布計算機數(shù)值模擬研究的缺陷。

1 攪拌頭熱工性能、機械性能

攪拌頭是鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)，多項熱工性能確定如下：

1)熱傳導(dǎo)系數(shù)[10]λC(w/(m·℃))

混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系：

20℃≤ΤS≤1300℃

(1)

鋼熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系：

20℃≤ΤS≤800℃

(2)

式(1)和式(2)中，TS表示材料所處的溫度,λC表示與溫度ΤS對應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

圖1為混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化規(guī)律曲線圖，圖2為鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化規(guī)律曲線圖。

2)比熱容[10]CC(J/kg·℃)

混凝土的比熱容與溫度的關(guān)系：

圖1 混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

圖2 鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

20℃≤ΤS≤1300℃

(3)

鋼材的比熱容與溫度的關(guān)系：

20℃≤ΤS≤800℃

(4)

式(3)和式(4)中CC表示與溫度ΤS對應(yīng)的比熱容。

圖3為混凝土比熱隨溫度變化規(guī)律曲線圖，圖4為鋼材比熱隨溫度變化規(guī)律曲線圖。

圖3 混凝土比熱隨溫度變化規(guī)律

3)熱膨脹系數(shù)[11]αS(1/℃)

混凝土的熱膨脹系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式為

(5)

鋼材的熱膨脹系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式為

αS=(11+0.0062ΤS)×10-6,

20℃≤ΤS≤800℃

(6)

式(5)和式(6)中αS表示與溫度TS對應(yīng)的熱膨脹系數(shù)。

圖4 鋼材比熱隨溫度變化規(guī)律

圖5為混凝土熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律曲線圖，圖6為鋼材熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律曲線圖。

圖5 混凝土熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

圖6 鋼材熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

2 建模與結(jié)果分析

2.1 建模

根據(jù)工廠生產(chǎn)攪拌頭尺寸建模。攪拌頭總長度為1000mm，總寬度為1000mm，總高度為1000mm，扇葉寬度為400mm；骨架總長度為780mm，總寬度為780mm，總高度為780mm，扇葉骨架寬180mm；骨架外部混凝土厚度均勻，均為110mm。如圖7、圖8所示。

圖7 外殼混凝土尺寸

圖8 內(nèi)部鋼骨架尺寸

根據(jù)工件尺寸用UG建立模型，由于攪拌頭是對稱結(jié)構(gòu)，因此截取攪拌頭的1/8作為實驗?zāi)M的工件，模型及截取的方法如圖9所示。

2.2 工況和載荷

工況和載荷的施加。對稱面的設(shè)置，將工件的三個截面設(shè)置為對稱面，對稱面的設(shè)置方法為相應(yīng)對稱面的法相坐標軸自由度為0。邊界條件設(shè)置，將三個截面的交點設(shè)置為各個方向自由度為0。分別設(shè)置混凝土和鋼材的彈性性能參數(shù)、塑性性能參數(shù)及熱性能參數(shù)，將設(shè)置好的參數(shù)表分別賦予給對應(yīng)的混凝土部件和鋼材部件，材料屬性賦予完成后，利用泊爾求和將兩部件以保留邊界條件的方式求和，使之成為一個部件。初始溫度，將攪拌頭的初始溫度設(shè)置為室溫20℃。網(wǎng)格劃分前進行分塊處理，使工件達到可劃分網(wǎng)格條件，根據(jù)工件尺寸選擇節(jié)點間距為20，網(wǎng)格數(shù)量18750個。載荷步設(shè)置時，將1300℃溫度載荷施加在三個外表面上，均勻分布。根據(jù)加熱曲線輸入幅值曲線。分析步設(shè)置，ABAQUS軟件有不可修改的initial初始步，Step-1設(shè)置載荷施加時間為1200s，初始步長0.1s。輸出場設(shè)置為溫度-位移耦合、作用力、應(yīng)力場輸出、塑性變形輸出以及熱流輸出的方式。完成上述設(shè)置后創(chuàng)建Job，檢查無誤后提交，提交成功后，在監(jiān)控欄中注意錯誤和警告項中信息，如若提示錯誤信息，則按照上述設(shè)置步驟檢查，直至計算無誤為止。

圖9 KR機械攪拌頭模型及截取位置

2.3 結(jié)果與分析

垂直Z軸距底面250mm截面溫度分布情況如圖10所示。

圖10 垂直Z軸距底面250mm截面

由圖10可見，普通表面處，外界高溫主要影響工件表面向內(nèi)較小范圍，外界高溫垂直表面?zhèn)魅肷疃葹?3mm。圖10中A處為同一扇葉兩外表面相交處，外界高溫垂直表面?zhèn)魅肷疃茸畲?，?28.5mm，平均溫度梯度最小，為9338℃/m；B處為兩扇葉外表面相交處，外界高溫垂直表面?zhèn)魅肷疃确秶钚?，?9.5mm，平均溫度梯度最大，為20168℃/m。

在圖10中分別按照線FED、EB、FB路徑，得到距離與溫度值分布情況，見圖11、圖12、圖13。

圖11 FED路徑距離與溫度關(guān)系曲線

圖12 EB路徑距離與溫度關(guān)系曲線

圖13 FB路徑距離與溫度關(guān)系曲線

圖11、圖12、圖13中a、b、c點對應(yīng)混凝土與鋼材的界面處。對比分析圖10和圖11發(fā)現(xiàn)，鋼材內(nèi)部溫度很低，接近于室溫，這是因為混凝土隔熱能力很強，高溫垂直表面?zhèn)魅肷疃扔邢?，未能到達鋼筋-混凝土截面；在距離表面100mm的范圍內(nèi)，溫度從20℃急速上升到了1300℃的表面溫度，曲線斜率逐漸增大，某點處曲線的斜率對應(yīng)該點處溫度梯度的大小，因此越接近表面，溫度梯度越大。

圖12 是EB路徑上的溫度分布曲線，曲線上c點對應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面處，由曲線可知，界面處溫度比較低，而在距離混凝土表面100mm范圍內(nèi)，越接近表面，溫度上升越快。

在工件中，B點是一個非常特殊的點，外界高溫在B處垂直表面?zhèn)魅肷疃茸钚?，即B處平均溫度梯度最大。因此，本文采集FB路徑上的點，得到溫度隨位置變化的曲線，如圖13所示。從圖13中可以看出：在距離表面200mm的范圍內(nèi)，溫度從50℃急速上升到1300℃的表面溫度。

綜合三個曲線圖，發(fā)現(xiàn)在接近表面的100mm內(nèi)，F(xiàn)B路徑的曲線斜率最大，這也驗證了：計算得到的B點處平均溫度梯度最大是正確的。

以A、B、G三個位置的棱為圓心畫圓，如圖10所示，假設(shè)圓半徑無限小。于A點位置，工件表面以外的3/4圓是高溫作用的區(qū)域，而這3/4圓的熱量傳遞給了工件內(nèi)部1/4圓區(qū)域；對于B點位置，工件表面以外的1/4圓是高溫作用的區(qū)域，而這1/4圓的熱量傳遞給了工件內(nèi)部3/4園區(qū)域；對于G點位置來說，工件表面以外的1/2圓是高溫作用的區(qū)域，這1/2圓范圍內(nèi)的熱量傳遞給了工件內(nèi)部1/2圓區(qū)域。對于混凝土表面來說，單位時間、單位面積上接收到的熱量相等。由比熱知識可以得到以下規(guī)律：

(1)相等熱量、相同比熱條件下，質(zhì)量小的物體溫度上升高；

(2)不同熱量、相同比熱、不同質(zhì)量條件下，熱量與質(zhì)量之比大的物體溫度上升高。

前文已經(jīng)假設(shè)混凝土是均質(zhì)的，因此質(zhì)量之比等于體積之比。而對于沒有厚度的平面，質(zhì)量之比等于所占平面面積之比。

通過上述規(guī)律以及A、B、G三點熱量與面積的對比，假設(shè)單位時間、單位面積上接收的熱量是1，A、B、G圓面積是1。進行如下計算：

通過上面的計算，可以得出：TA>TG>TB。

TA、TB、TG分別表示A、B、G三點的溫度。

對于A、B、G三個點，當溫度升高后，熱量會向內(nèi)部繼續(xù)傳遞，因此，從圖10上直接反映出的是：熱量在A、B、G三個點所在的區(qū)域向內(nèi)部傳遞的深度不同。A點是同一扇葉兩外表面相交處，溫度傳入深度是整個工件截面上最大的，相同溫降條件下，平均溫度梯度最??；B點是兩不同扇葉的外表面相交處，溫度傳入深度是整個工件截面上最小的，相同溫降條件下，平均溫度梯度最大；G點除A、B這種特殊位置以外的普通位置，溫度傳遞的深度介于AB中間，相同溫降條件下，平均溫度梯度也介于AB之間。

以上，詳細分析并解釋了A、B、G所代表的區(qū)域溫度分布存在差異的原因。

3 結(jié)論

(1)在距離底面250mm截面上，除A、B點以外的普通位置(即G點代表的外表面)外界溫度垂直工件表面向內(nèi)傳遞，鋼材-混凝土界面溫度基本沒有變化。

(2)在距離底面250mm截面上，同一扇葉兩外表面相交處(即A點位置)熱量傳入深度最大(128.5mm)，對應(yīng)的平均溫度梯度最小，為9338℃/m。

(3)在距離底面250mm截面上，兩不同扇葉的外表面相交處(及B點位置)熱量傳入深度最小(59.5mm)，對應(yīng)的平均溫度梯度最大，為20168℃/m。

[1]牟永國,吳明,李海軍.單噴和復(fù)噴及KR法脫硫工藝分析[J].冶金設(shè)備,2010,10(5):55-57.

[2]解中原.單噴顆粒鎂鐵水脫硫成套設(shè)備的開發(fā)[C]//全國鐵水預(yù)處理技術(shù)研討會集.北京:全國鐵水預(yù)處理研討會,2003:116-121.

[3]劉榴,陳黎明.KR法鐵水脫硫主體設(shè)備介紹及有關(guān)計算[J].冶金設(shè)備,2002,18(4):36-39.

[4]李鳳喜,喻承歡,周子華.對KR法與噴吹法兩種鐵水脫硫工藝的探討[J].煉鋼,2000,16(1):47-50.

[5]劉瀏.中國轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進步[J].鋼鐵,2005,40(2):1-5.

[6]歐陽德剛,王慶方,劉守堂.KR脫硫攪拌器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].武鋼技術(shù),2005,43(5):55-58.

[7]歐陽德剛,蔣揚虎,李具中,等.WG-3YKR脫硫攪拌器的研制與應(yīng)用[J].煉鋼,2012,28(5):20-23.

[8]白登濤.攪拌脫硫技術(shù)發(fā)展[J].世界鋼鐵,2014,14(4):9-13.

[9]WU Wei,HU Yanbin,LIU Liu,et al.Physical Simulation of New Desulphurization Technology Using Pulsed and Rotary Stirring-injection[J].Journal of Iron and Steel Research International,2008,15(1):15-18.

[10]T T Lie,B Celikkol.Method to calculate the fire resistance of circular reinforced concrete columns ACI[J].Material Journal,1991,88(1):84-91.

[11]王志偉.有約束應(yīng)力高溫全過程后鋼筋混凝土力學(xué)性能試驗研究[D].長沙:湖南大學(xué),2012:4-5.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Simulation of KR Mechanical Stirrer Failure Process

MENG Qinghai，DENG Ziyu

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Based on the thermal and mechanical properties latest calculation methods of reinforced concrete refractory materials,combined with KR mechanical stirrer material composition,thermal and mechanical properties of KR mechanical stirrer were obtained.The finite element model is established by Unigraphics software.Using ABAQUS software actual industrial desulfurization environment is simulated.Hot corrosion of KR mechanical stirrer by molten steel during desulfurization process is investigated.Finally,the temperature distribution inside the KR mechanical stirrer has been obtained.And distribution of temperature field on key points of stirrer provides theoretical support for stirrer damaged.

KR mechanical stirrer;reinforced concrete structure;thermal and mechanical properties;numerical simulation

2015-11-23

孟慶海(1988—),男,碩士研究生;通訊作者:鄧子玉(1961—),男,教授,研究方向:塑性成型工藝與設(shè)備，模具CAD/CAM。

1003-1251(2016)06-0028-05

TB35

A