鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
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收稿日期： 作者简介：张永宏， 炼铁研究所硕士；向顺华， 宝钢研究院设备研究所博士。
张永宏等：鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
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的热膨胀应力。 （ ） 机械作用引起的损坏。主要指受铁、 倒罐时铁水对砖衬的冲刷、 磨损和运输、 预处理过 程中的振动引起的损坏。 关于热应力造成鱼雷罐工作层 曾对 砖的损坏， 国外文献早已有报导， 日本 田哲生等人 单砖进行热裂试验， 并进行了热应力模拟计算， 但在国内这方面的研究甚少。基于 砖的热应力分析， 研究热应力对鱼雷罐衬
张永宏等：鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
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上的! 、 三个方向的最大拉应力出现在离热面距离约为 !、 ! 分布曲线。由图可知， 处。 一 般 说 来， 砖的抗拉强度为 、 抗压强度为 。由表 数据可 看出， 在受铁时，最大拉应力在 方向， ! （距热面 处） ， 最大压应力为 ；在倒铁时， 最大拉应力仍在 ! 方向， ， 最大压应力也在 方向， ! 。这表明， 单砖在受铁过程中的 ! 热冲击压应力不会破坏 耐火砖， 而在单 砖的 轴上， 方向的拉应力会使砖体内部产 生裂纹源。 在倒铁过程中， 拉应力则会使单砖 在 方向的外棱上产生裂纹源， 而后， 裂纹由
由图 2 和表 l 中的数据可以看出， 受铁过程中拉应力的最大值出现在砖体长度方向的对 称中心 （ 轴上） ， 而倒铁过程的最大拉应力出现在砖体沿长度方向的棱上。如果拉应力会对 则裂纹源最有可能出现的位置在 轴或沿 方向的棱上。 ASC 砖产生破坏， 图 3 是受铁过程中 （单砖热面温度变化速率为 37 . 5C / min） 出现拉应力最大值时刻， 轴
有限元法的热应力计算是研究耐火材料龟裂、 剥落等损坏机理的有力工具， 本文试图通过对宝 山钢铁股份有限公司 （简称宝钢） 鱼雷罐所用 砖的破坏作用。 本文所作的热应力分析包括两方面的工作： 耐火砖作为计算对象， 分析 ! 选取单块 热冲击是否会使 耐火砖产生永久性破坏， 以及确定破坏后裂纹出现的位置与方向； "为 了分析工作层的整体热应力分布并根据应力集中区域判断工作层的破坏形貌， 对鱼雷罐整体 工作层进行热应力计算。热应力计算以弹性理论为基础， 即假定砖体内部没有类似玻璃相的 低熔点物质生成， 不存在塑性变形问题。计算用的数学模型为三维模型， 利用 行计算。 软件进
"
（ "
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" ・
） （
）
（ ）
式中： 耐火砖的热膨胀系数， ； " 为等效热膨胀系数， ； " 为 " 为砖缝材料 的热膨胀系数， ； 是 耐火砖 、 方向长度的平均值， ； 是砖缝的宽度， 。 弹性模量与泊松比也可用类似于热膨胀系数的等效方法去求得等效值。
・
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矿
冶
计算结果及分析 由于砖缝的抗拉强度很低， 鱼雷罐在倒罐时， 工作层由于收缩产生的整体拉应力首先将砖 缝拉裂， 作用在每块耐火砖上的应力状态与单砖时的情形完全相同。 空罐时间直接影响鱼雷罐工作层受铁时的温度， 空罐时间增加， 将导致受铁时工作层热面 温度变化速率增大， 使热冲击应力最大值增加， 但热应力分布趋势基本不变。空罐时间为 的最大压应力值为 ， 若空罐时间延至 ， 则 ! 向的最大压应力为 ， 砖的抗压强度为 ， 根据强度理论判断， 压应力的直接作用仍不会破坏 耐火砖。 鱼雷罐在维修时， 观察工作层耐火砖破损区域分布， 发现在工作层柱体与锥台结合部位的 耐火砖剥落较为严重。柱体部分与锥台部分结合区域的 耐火砖主应力方向有夹角 存在， 所以受铁过程中此区域的耐火砖承受的压应力比其他部位的大。此时， 压应力虽然不会 砖， 但是如果耐火砖在倒铁时由于拉应力作用， 砖体已出现裂纹源， 或耐火砖已渣 破坏 化， 则 砖的实际抗压能力已大大削弱， 压应力会使裂纹扩展或使耐火砖从裂纹处剥落。 所以， 最终导致结合部位易损坏的主要原因是此处的压应力比其他部位的压应力大。对比计 算结果与实际破损区的位置， 两者基本一致。 !"#
结
论
（ ） 分别计算了单砖的热应力变化和工作层三维整体热应力分布， 计算结果表明： ! 受铁 时热冲击产生的压应力不会破坏 耐火砖， 而在对称中心沿 " 方向的拉应力会使 耐 火砖产生平行于热面的裂纹； 耐火砖在 " 方向的四条 "倒罐时垂直于热面的拉应力会使 棱上产生平行于热面的裂纹。 工作层整体热应力分布的计算结果表明： 在鱼雷罐柱体与锥台结合部位压应力最大， （ ） 压应力促使裂纹扩展， 导致这个部位的耐火砖容易剥落， 与实际情况基本一致。 提高鱼雷罐周转率， 减少空罐时间、 在罐衬永久层和罐壳之间增设绝热层、 罐口加保温 （ ） 盖等减小罐衬热损失的措施， 不仅可以提高铁水温度， 而且可以减小 砖温度变化幅度， 有 利于降低鱼雷罐工作层的热冲击应力， 进而提高鱼雷罐寿命。 参考文献：
第
卷 第 期 年 月
矿
（ ）
冶
，
文章编号：
鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
张永宏 ， 张晓丽 ， 吴懋林 ， 向顺华 ， 刘铁树
（ 北京科技大学， 北京
摘
；
宝山钢铁股份有限公司， 上海
）
要：为了研究热冲击对鱼雷罐砖衬工作层的破坏作用， 使用有限元法分别计算了在
鱼雷罐受铁和倒铁过程中的单砖热应力和工作层整体热应力分布。根据计算结果推测出 的应力危险区域与实际破损形貌对比， 两者基本吻合。在温度场与热应力场分析的基础 上， 探讨了既可减小铁水温降又可降低热冲击应力的措施。
关键词：鱼雷罐；砖衬；热应力；数学模型 中图分类号： 文献标识码：
， （
， ，
， ， ，
， ， ） ， ；
ABSTRACT：
， KEY WORDS： ； ； ；
引
言
砖 （简称 砖） 的损坏与许多因素有关， 归纳起来主要有以下三方面：
鱼雷罐是铁水运输的工具， 也是铁水预处理的容器， 工作条件比较恶劣。鱼雷罐工作层 （ ） 化学侵蚀。这是由高侵蚀性渣与工作层砖衬发生化学反应以及渣的渗入， 使得砖衬结 构改变、 性能恶化引起的损坏。 （ ） 热应力损坏。包括受铁、 倒罐时砖衬温度剧烈变化引起的热冲击， 以及砖衬处于高温
［ ］ ， ： #， わんガの ， ， ［ ］ 力下での變形舉動 ［ ］ 耐火物， ［ ］ ［ ］ ［ ］ ， ，（ ） ：
（ ） ： ［ ］ 田哲生， 坂口雅幸， 小口征男 混銑車用 ［ ］
， ： ［ ］ ， ， ， ，（ ） ： ［ ］ ， ， ， ［ ］ ［ ］ 倉田浩輔， 河野幸次 溶銑輸送用耐火物の損傷 ［ ］ 耐火物，
图!
受铁过程单砖中 ! 轴上的热应力分布
此扩展， 最终导致 耐火砖的剥落。观察 耐火砖的破损形貌， 发现破损时首先在距离 ） 处出现平行于热面的裂纹， 而后， 裂纹由表面向耐火砖内部扩 热面一定长度 （约 砖破损形 展， 最终导致接近热面部分的耐火砖发生剥落。对比热应力计算结果与实际 貌， 两者基本相符。 温度变化速率的增大会使单砖的热应力增加， 同时应力集中点向热面方向前移， 随着温度 变化速率的增加， 应力集中点前移幅度增大。应力集中点离热面越近， 裂纹距热面也就越近， 铁水容易渗入裂纹中导致耐火砖的剥落。如果采用砖衬保温措施， 减小受铁与倒铁过程中 耐火砖的热面温度变化速率， 便可降低热冲击应力， 有利于提高鱼雷罐寿命。
［ ］ ，（ ） ：
， ：
鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 张永宏， 张晓丽， 吴懋林， 向顺华， 刘铁树 张永宏,张晓丽,吴懋林(北京科技大学,)， 向顺华,刘铁树(宝山钢铁股份有限公 司,) 矿冶 MINING & METALLURGY 2001,10(3) 3次
TabIe l
The max . thermaI stress vaIues
节点应力最大值 / Mpa 0.3 l8 . 7 - 25 . 4 l9 . 6 - l8 . 2 7.4 - 2.9 - 0.7 - 39 . 8 l3 . 5 - l6 . 3 - 3.2
in the nOde Of singIe ASC brick
计算时段 受铁过程 倒铁过程 坐标值 （0， 0， 0） （52 . l， 0， 0） （33 . 7， 0， 0） （48 . 5， 47 . 5， l00）
应力值中， 负值表示压应力、 正值表示拉应力。
图 Fig . 2
受铁过程 （ ） 和倒铁过程 （ ） 单砖热应力状态 DistributiOn Of thermaI stress in singIe brick during tapping（a）and pOuring（ b）
(
)
(
)
(
)
所示。
（ ） 作为计算 耐火砖的尺
鉴于单砖的对称性， 选取单砖的 心。宝钢 鱼雷罐工作层单块
区域， 采用直角坐标系， 坐标原点为砖的热面对称中 寸及所取坐标系如图
在热应力分析时， 与材料的显热相比， 认为因变 形产生的热量可以忽略不计， 即可不考虑应力场与 温度场的耦合。从理论上讲， 对于非稳态温度场、 应
单砖热应力分析
数学模型 热应力主要由物体内温度分布不均， 或物体温度出现剧烈变化而引起的。所以， 热应力问 题与温度场密切相关， 进行热应力分析必须先进行温度场计算。从鱼雷罐工作层的传热来看， 可分两种情况： 重罐时， 的砖 方程为： 砖的内侧被铁水加热； 空罐时， 砖的内侧被快速冷却。这是典型 面加热或冷却问题， 砖内温度场具有非稳态性质。描述单砖非稳态温度场的三维导热
表 单块 砖的节点最大热应力
表示剪应变， 第 l 个下标表示剪应变作用面的法线方向， 第 2 个下标表示剪应变方
2 ） 〔2 （l 2（ 〔 （l ）
2 2（
）
}
（ 4）
； 为拉梅系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
量； 为抗剪切弹性模量，
张永宏等：鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
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的热膨胀应力。 （ ） 机械作用引起的损坏。主要指受铁、 倒罐时铁水对砖衬的冲刷、 磨损和运输、 预处理过 程中的振动引起的损坏。 关于热应力造成鱼雷罐工作层 曾对 砖的损坏， 国外文献早已有报导， 日本 田哲生等人 单砖进行热裂试验， 并进行了热应力模拟计算， 但在国内这方面的研究甚少。基于 砖的热应力分析， 研究热应力对鱼雷罐衬
张永宏等：鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
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上的! 、 三个方向的最大拉应力出现在离热面距离约为 !、 ! 分布曲线。由图可知， 处。 一 般 说 来， 砖的抗拉强度为 、 抗压强度为 。由表 数据可 看出， 在受铁时，最大拉应力在 方向， ! （距热面 处） ， 最大压应力为 ；在倒铁时， 最大拉应力仍在 ! 方向， ， 最大压应力也在 方向， ! 。这表明， 单砖在受铁过程中的 ! 热冲击压应力不会破坏 耐火砖， 而在单 砖的 轴上， 方向的拉应力会使砖体内部产 生裂纹源。 在倒铁过程中， 拉应力则会使单砖 在 方向的外棱上产生裂纹源， 而后， 裂纹由
由图 2 和表 l 中的数据可以看出， 受铁过程中拉应力的最大值出现在砖体长度方向的对 称中心 （ 轴上） ， 而倒铁过程的最大拉应力出现在砖体沿长度方向的棱上。如果拉应力会对 则裂纹源最有可能出现的位置在 轴或沿 方向的棱上。 ASC 砖产生破坏， 图 3 是受铁过程中 （单砖热面温度变化速率为 37 . 5C / min） 出现拉应力最大值时刻， 轴
有限元法的热应力计算是研究耐火材料龟裂、 剥落等损坏机理的有力工具， 本文试图通过对宝 山钢铁股份有限公司 （简称宝钢） 鱼雷罐所用 砖的破坏作用。 本文所作的热应力分析包括两方面的工作： 耐火砖作为计算对象， 分析 ! 选取单块 热冲击是否会使 耐火砖产生永久性破坏， 以及确定破坏后裂纹出现的位置与方向； "为 了分析工作层的整体热应力分布并根据应力集中区域判断工作层的破坏形貌， 对鱼雷罐整体 工作层进行热应力计算。热应力计算以弹性理论为基础， 即假定砖体内部没有类似玻璃相的 低熔点物质生成， 不存在塑性变形问题。计算用的数学模型为三维模型， 利用 行计算。 软件进
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式中： 耐火砖的热膨胀系数， ； " 为等效热膨胀系数， ； " 为 " 为砖缝材料 的热膨胀系数， ； 是 耐火砖 、 方向长度的平均值， ； 是砖缝的宽度， 。 弹性模量与泊松比也可用类似于热膨胀系数的等效方法去求得等效值。
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计算结果及分析 由于砖缝的抗拉强度很低， 鱼雷罐在倒罐时， 工作层由于收缩产生的整体拉应力首先将砖 缝拉裂， 作用在每块耐火砖上的应力状态与单砖时的情形完全相同。 空罐时间直接影响鱼雷罐工作层受铁时的温度， 空罐时间增加， 将导致受铁时工作层热面 温度变化速率增大， 使热冲击应力最大值增加， 但热应力分布趋势基本不变。空罐时间为 的最大压应力值为 ， 若空罐时间延至 ， 则 ! 向的最大压应力为 ， 砖的抗压强度为 ， 根据强度理论判断， 压应力的直接作用仍不会破坏 耐火砖。 鱼雷罐在维修时， 观察工作层耐火砖破损区域分布， 发现在工作层柱体与锥台结合部位的 耐火砖剥落较为严重。柱体部分与锥台部分结合区域的 耐火砖主应力方向有夹角 存在， 所以受铁过程中此区域的耐火砖承受的压应力比其他部位的大。此时， 压应力虽然不会 砖， 但是如果耐火砖在倒铁时由于拉应力作用， 砖体已出现裂纹源， 或耐火砖已渣 破坏 化， 则 砖的实际抗压能力已大大削弱， 压应力会使裂纹扩展或使耐火砖从裂纹处剥落。 所以， 最终导致结合部位易损坏的主要原因是此处的压应力比其他部位的压应力大。对比计 算结果与实际破损区的位置， 两者基本一致。 !"#
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（ ） 分别计算了单砖的热应力变化和工作层三维整体热应力分布， 计算结果表明： ! 受铁 时热冲击产生的压应力不会破坏 耐火砖， 而在对称中心沿 " 方向的拉应力会使 耐 火砖产生平行于热面的裂纹； 耐火砖在 " 方向的四条 "倒罐时垂直于热面的拉应力会使 棱上产生平行于热面的裂纹。 工作层整体热应力分布的计算结果表明： 在鱼雷罐柱体与锥台结合部位压应力最大， （ ） 压应力促使裂纹扩展， 导致这个部位的耐火砖容易剥落， 与实际情况基本一致。 提高鱼雷罐周转率， 减少空罐时间、 在罐衬永久层和罐壳之间增设绝热层、 罐口加保温 （ ） 盖等减小罐衬热损失的措施， 不仅可以提高铁水温度， 而且可以减小 砖温度变化幅度， 有 利于降低鱼雷罐工作层的热冲击应力， 进而提高鱼雷罐寿命。 参考文献：
第
卷 第 期 年 月
矿
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文章编号：
鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
张永宏 ， 张晓丽 ， 吴懋林 ， 向顺华 ， 刘铁树
（ 北京科技大学， 北京
摘
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宝山钢铁股份有限公司， 上海
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要：为了研究热冲击对鱼雷罐砖衬工作层的破坏作用， 使用有限元法分别计算了在
鱼雷罐受铁和倒铁过程中的单砖热应力和工作层整体热应力分布。根据计算结果推测出 的应力危险区域与实际破损形貌对比， 两者基本吻合。在温度场与热应力场分析的基础 上， 探讨了既可减小铁水温降又可降低热冲击应力的措施。
关键词：鱼雷罐；砖衬；热应力；数学模型 中图分类号： 文献标识码：
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引
言
砖 （简称 砖） 的损坏与许多因素有关， 归纳起来主要有以下三方面：
鱼雷罐是铁水运输的工具， 也是铁水预处理的容器， 工作条件比较恶劣。鱼雷罐工作层 （ ） 化学侵蚀。这是由高侵蚀性渣与工作层砖衬发生化学反应以及渣的渗入， 使得砖衬结 构改变、 性能恶化引起的损坏。 （ ） 热应力损坏。包括受铁、 倒罐时砖衬温度剧烈变化引起的热冲击， 以及砖衬处于高温
［ ］ ， ： #， わんガの ， ， ［ ］ 力下での變形舉動 ［ ］ 耐火物， ［ ］ ［ ］ ［ ］ ， ，（ ） ：
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受铁过程单砖中 ! 轴上的热应力分布
此扩展， 最终导致 耐火砖的剥落。观察 耐火砖的破损形貌， 发现破损时首先在距离 ） 处出现平行于热面的裂纹， 而后， 裂纹由表面向耐火砖内部扩 热面一定长度 （约 砖破损形 展， 最终导致接近热面部分的耐火砖发生剥落。对比热应力计算结果与实际 貌， 两者基本相符。 温度变化速率的增大会使单砖的热应力增加， 同时应力集中点向热面方向前移， 随着温度 变化速率的增加， 应力集中点前移幅度增大。应力集中点离热面越近， 裂纹距热面也就越近， 铁水容易渗入裂纹中导致耐火砖的剥落。如果采用砖衬保温措施， 减小受铁与倒铁过程中 耐火砖的热面温度变化速率， 便可降低热冲击应力， 有利于提高鱼雷罐寿命。
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鱼雷罐砖衬工作层热应力研究
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 张永宏， 张晓丽， 吴懋林， 向顺华， 刘铁树 张永宏,张晓丽,吴懋林(北京科技大学,)， 向顺华,刘铁树(宝山钢铁股份有限公 司,) 矿冶 MINING & METALLURGY 2001,10(3) 3次
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The max . thermaI stress vaIues
节点应力最大值 / Mpa 0.3 l8 . 7 - 25 . 4 l9 . 6 - l8 . 2 7.4 - 2.9 - 0.7 - 39 . 8 l3 . 5 - l6 . 3 - 3.2
in the nOde Of singIe ASC brick
计算时段 受铁过程 倒铁过程 坐标值 （0， 0， 0） （52 . l， 0， 0） （33 . 7， 0， 0） （48 . 5， 47 . 5， l00）
应力值中， 负值表示压应力、 正值表示拉应力。
图 Fig . 2
受铁过程 （ ） 和倒铁过程 （ ） 单砖热应力状态 DistributiOn Of thermaI stress in singIe brick during tapping（a）and pOuring（ b）
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所示。
（ ） 作为计算 耐火砖的尺
鉴于单砖的对称性， 选取单砖的 心。宝钢 鱼雷罐工作层单块
区域， 采用直角坐标系， 坐标原点为砖的热面对称中 寸及所取坐标系如图
在热应力分析时， 与材料的显热相比， 认为因变 形产生的热量可以忽略不计， 即可不考虑应力场与 温度场的耦合。从理论上讲， 对于非稳态温度场、 应
单砖热应力分析
数学模型 热应力主要由物体内温度分布不均， 或物体温度出现剧烈变化而引起的。所以， 热应力问 题与温度场密切相关， 进行热应力分析必须先进行温度场计算。从鱼雷罐工作层的传热来看， 可分两种情况： 重罐时， 的砖 方程为： 砖的内侧被铁水加热； 空罐时， 砖的内侧被快速冷却。这是典型 面加热或冷却问题， 砖内温度场具有非稳态性质。描述单砖非稳态温度场的三维导热
表 单块 砖的节点最大热应力
表示剪应变， 第 l 个下标表示剪应变作用面的法线方向， 第 2 个下标表示剪应变方
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量； 为抗剪切弹性模量，
