基于热应力的耐火材料测温管裂纹扩展的研究

• 作 者: 孙文俊
• 机 构: 东北大学
• 出 处: 东北大学
• 发表日期: 2012年01期
• 关键词: 温度场 热应力 裂纹扩展 应力强度因子

测温管是钢水连续测温系统中感知钢水温度的元件,其断裂是主要的损坏形式,而在使用中产生的裂纹是断裂产生的首要条件。测温管的裂纹不仅影响其使用的准确性,而且影响使用寿命。本文首先建立了测温管的温度场模型,分析了温度场的变化梯度,依此为基础建立了测温管的热应力场模型,进而建立了裂纹扩展模型,研究影响测温管寿命的因素并对其进行分析。该研究对优化测温管的结构,提高测温管的寿命有实际的意义。(1)建立测温管的温度场模型,施加边界条件和初始条件得到温度场分布和温度梯度,为热应力计算做基础。(2)基于温度场建立测温管热应力模型,把温度场计算结果施加到结构场进行计算,研究预热温度、测温管壁厚变化等因素对测温管应力分布的影响,并提取测温管关键点应力变化曲线,比较应力最大值和测温管材料抗折强度的关系。(3)建立测温管裂纹模型,重点研究裂纹的扩展机理,以及热震对含裂纹测温管寿命的影响。研究结果表明：温度场仿真值与测量值相比最大差值小于6℃,所建模型是正确的。测温管在上线测温过程中,短时间内温度变化相当剧烈,温度从测温管底部沿轴向变化明显,且呈阶梯状分布；测温管与钢水接触的外壁热应力值较小,内壁热应力大于外壁,但随着测温时间的增加,热应力分布逐渐减小；预热温度越高,测温管热应力值越低。渣线处壁厚变化后使渣线处的应力值增大,加剧了测温管的破坏；测温管存在裂纹时,其强度急剧降低,在热震的条件下裂纹开始扩展,并造成测温管的断裂。裂纹的存在将极大地降低测温管的寿命。若渣线处存有2mm的裂纹,则经过4次测温(即热震次数)测温管就会由于裂纹的扩展而断裂。