孟慶海，鄧子玉

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，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 材料科學與工程學院，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性能計算方法，結合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，分析攪拌頭內部普通位置和特殊位置溫度場分布情況。結果表明：KR機械攪拌器工作過程中其內部的溫度分布不均勻，平均溫度梯度很大。模擬結果為攪拌器外襯破損原因提供理論支持。

KR機械攪拌頭；鋼筋混凝土結構；熱工-力學性能；數值模擬

合金熔煉行業(yè)高速發(fā)展以來，金屬液冶煉預處理顯得尤為重要，其中最具代表性且被廣泛應用的主要是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，以預定的轉速旋轉帶動金屬液環(huán)形流動，提高了流體的動力學性能，同時經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，生成物為含硫的固體物質，從而降低硫含量[6]。

國內外的研究主要集中在動力輸入、優(yōu)化工藝參數和過程、改進脫硫設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力產生形式、過程均未做系統(tǒng)的研究。本文總結前人的實踐經驗，以理論研究為基礎，利用仿真軟件，嚴格按照實際生產條件設定各項參數，對KR攪拌頭的工況進行分析，彌補了KR攪拌頭內溫度分布計算機數值模擬研究的缺陷。

1 攪拌頭熱工性能、機械性能

攪拌頭是鋼筋-混凝土結構，多項熱工性能確定如下：

1)熱傳導系數[10]λC(w/(m·℃))

混凝土熱傳導系數與溫度的關系：

20℃≤ΤS≤1300℃

(1)

鋼熱傳導系數與溫度的關系：

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對應的熱傳導系數。

圖1為混凝土熱傳導系數隨溫度變化規(guī)律曲線圖，圖2為鋼材熱傳導系數隨溫度變化規(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系：

圖1 混凝土熱傳導系數隨溫度變化規(guī)律

圖2 鋼材熱傳導系數隨溫度變化規(guī)律

20℃≤ΤS≤1300℃

(3)

鋼材的比熱容與溫度的關系：

20℃≤ΤS≤800℃

(4)

式(3)和式(4)中CC表示與溫度ΤS對應的比熱容。

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[11]αS(1/℃)

混凝土的熱膨脹系數與溫度的函數關系式為

(5)

鋼材的熱膨脹系數與溫度的函數關系式為

αS=(11+0.0062ΤS)×10-6,

20℃≤ΤS≤800℃

(6)

式(5)和式(6)中αS表示與溫度TS對應的熱膨脹系數。

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隨溫度變化規(guī)律曲線圖，圖6為鋼材熱膨脹系數隨溫度變化規(guī)律曲線圖。

圖5 混凝土熱膨脹系數隨溫度變化規(guī)律

圖6 鋼材熱膨脹系數隨溫度變化規(guī)律

2 建模與結果分析

2.1 建模

根據工廠生產攪拌頭尺寸建模。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 內部鋼骨架尺寸

根據工件尺寸用UG建立模型，由于攪拌頭是對稱結構，因此截取攪拌頭的1/8作為實驗模擬的工件，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。對稱面的設置，將工件的三個截面設置為對稱面，對稱面的設置方法為相應對稱面的法相坐標軸自由度為0。邊界條件設置，將三個截面的交點設置為各個方向自由度為0。分別設置混凝土和鋼材的彈性性能參數、塑性性能參數及熱性能參數，將設置好的參數表分別賦予給對應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置為室溫20℃。網格劃分前進行分塊處理，使工件達到可劃分網格條件，根據工件尺寸選擇節(jié)點間距為20，網格數量18750個。載荷步設置時，將1300℃溫度載荷施加在三個外表面上，均勻分布。根據加熱曲線輸入幅值曲線。分析步設置，ABAQUS軟件有不可修改的initial初始步，Step-1設置載荷施加時間為1200s，初始步長0.1s。輸出場設置為溫度-位移耦合、作用力、應力場輸出、塑性變形輸出以及熱流輸出的方式。完成上述設置后創(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)魅肷疃茸畲螅瑸?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路徑距離與溫度關系曲線

圖12 EB路徑距離與溫度關系曲線

圖13 FB路徑距離與溫度關系曲線

圖11、圖12、圖13中a、b、c點對應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)魅肷疃扔邢蓿茨艿竭_鋼筋-混凝土截面；在距離表面100mm的范圍內，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點對應復合結構的界面處，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，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。碆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，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，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圓范圍內的熱量傳遞給了工件內部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，質量小的物體溫度上升高；

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

前文已經假設混凝土是均質的，因此質量之比等于體積之比。而對于沒有厚度的平面，質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，平均溫度梯度最小；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.單噴和復噴及KR法脫硫工藝分析[J].冶金設備,2010,10(5):55-57.

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

[3]劉榴,陳黎明.KR法鐵水脫硫主體設備介紹及有關計算[J].冶金設備,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.中國轉爐煉鋼技術的進步[J].鋼鐵,2005,40(2):1-5.

[6]歐陽德剛,王慶方,劉守堂.KR脫硫攪拌器的技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].武鋼技術,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用[J].煉鋼,2012,28(5):20-23.

[8]白登濤.攪拌脫硫技術發(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.有約束應力高溫全過程后鋼筋混凝土力學性能試驗研究[D].長沙:湖南大學,2012:4-5.

(責任編輯：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:塑性成型工藝與設備，模具CAD/CAM。

1003-1251(2016)06-0028-05

TB35

A