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基于有限单元法评价长水口的抗热震性能.pdf
2015 年 6 月
186 ~189 第49卷第3期
基于有限单元法评价长水口的抗热震性能
刘 辉 敏
洛阳理工学院材料科学与工程系河南洛阳471023
摘 要:为正确评价长水口的抗热震性能,采用有限单元法对遭受热冲击试样的热应力进行了分析。首先研究
材料物性参数和温差对普通及复合长水口热应力的影响,然后建立其热震断裂数学模型,最后对结果进行分析
和验证。结果表明:有限单元法是评价长水口抗热震断裂性能的一种有效理论方法,它可以综合考虑其材质、
结构和使用条件;普通长水口和复合长水口材质的抗热震性能可分别用第一和第二热应力断裂抵抗因子评价。
关键词:有限单元法;长水口;抗热震性能;热应力
中图分类号:TQ175 文献标识码:A 文章编号:1001 -1935(2015)03 -0186 -04
DOI:10.3969/j.issn.1001 -1935.2015.03.007
长水口是实现钢水保护浇铸以提高钢坯质量的 此必须找到其他合适的方法。当然,最有效的方法是
重要功能耐火材料,其使用情况将直接影响到整个连 直接计算出材料在具体使用条件下所受到的最大热应
[1]
铸工艺能否正常进行 。然而在浇钢初期,当炽热的 力,并将其与材料极限强度进行比较。有限单元法可
钢水流经长水口时,会在其内部产生很大的热应力, 计算出材料热的应力分布及其随时间的变化,而且还
[2]
从而导致其开裂 。为提高长水口的抗热震性能,主 能够考虑材料物性参数、试样结构和使用条件的变化。
要通过以下两种途径实现:一是改善其材质,如使用 因此,本研究中依据热弹性理论并结合有限单元法的
[3]
低热膨胀系数和低弹性模量的材料 ;二是改变其结 优势,探讨长水口抗热震性的理论评价方法。
[4]
构,即在其内孔复合一层低热导率的隔热层 。 0
长水口抗热震性能的测试不宜采用传统的冷热 1 计算模型
循环法,因为采用该方法很难在材料中产生易于观察 本研究中所用长水口如图1(a)所示,在其ABC
的裂纹,这就要求提高试样所承受的热冲击力。已有
的几种抗热震法有通钢法、铝热法、电弧法和浸钢
法[5 -6]。前三种方法可同时考虑长水口的材质、结构
和使用条件对其抗热震性能的影响,较为接近实际使
用情况;而浸钢法只能测试材质对长水口抗热震性能
的影响,不过由于该法比较容易实现,因而更为常用。
长水口的损毁主要表现为热震断裂,因而热应力
断裂抵抗因子的大小可作为评价材质变化影响其抗
热震性能的理论方法。第一热应力断裂抵抗因子R
[7]
适用于急冷急热的情况(比奥数 20) ;第二热应
β≥
力断裂抵抗因子R′考虑了材料热导率的影响,适用于
[8]
表面传热系数较低的情况( 0.5) ;第三热应力
β≤
断裂抵抗因子R″考虑了材料热导率、密度和比热容的 图1 长水口的结构简图
影响,其使用前提是材料以恒定的速率加热或冷却。 Fig.1 Structural sketch of long nozzle
由于热应力断裂抵抗因子仅能评价材料本身的抗热
震性能,而且当比奥数 介于0.5 ~20 时(实际上 有 刘辉敏:男,1970 年生,博士,副教授。
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