(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111544403.9 (22)申请日 2021.12.16 (71)申请人 武汉科技大 学 地址 430000 湖北省武汉市青山区和平大 道947号 (72)发明人 孙瑛　黄鹏　袁忠平　李公法　 孔建益　蒋国璋　陶波　江都　 云俊童　刘颖　刘鑫　赵国军　 黎世东　曹永成　 (74)专利代理 机构 北京哌智科创知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11745 代理人 张元媛 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种用于新型钢包 多场耦合分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于新型钢包多场耦合 分析方法。 该方法可以为后续的钢包精炼提供理 论研究基础。 本发明步骤： 首先在SolidWorks中 建立新型钢包的三维模型， 保存特定格式， 然后 导入到workbench中， 在分析前首先确定钢包在 典型工作条件下的边界条件， 在相同的工况下， 利用仿真软件对钢包的温度场和应力场进行分 析， 验证其新型结构的保温性和轻质化的性能， 最后对钢包进行流场的分析， 钢包的多场耦合分 析为后续钢包的长寿化分析提供数据支持和研 究基础。 权利要求书1页 说明书7页 附图3页 CN 114297889 A 2022.04.08 CN 114297889 A 1.一种用于新型钢包多场耦合分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 根据钢包实际形状和尺寸建立三维模型， 通过对新型钢 包的一些部位进行简化 处理， 完成三维建模， 将在SolidWorks画好的钢包三维图另存为格式为.xt格式， 然后将其 导入到wor kbench软件中， 进入wor kbench中的DM中， 通过有限元法建立钢包的网格模型， 并 设置钢包参数； 其中的钢包参数包括材料属性、 密度及弹性模量、 屈服应力、 最小抗拉强度、 泊松比； 步骤2： 在DM中创建6个草图， 然后分别形成6个面体， 再形成一个多体构件模型， 接着再 对钢包的内衬进行 材料的输入， 确定钢包在典型工作条件下的边界条件； 步骤3： 利用ANSYS有限元软件进行有限元模型的网格划分， 对连接处的部分进行网格 细分， 其他部 分进行稀疏划分； 在划分单元过程中将单元节 点设置在结构的连接点、 交叉点 和界面曲率突变点； 在物理量 发生较大变化的场所， 可以适当增加网格数， 在物理量平稳变 化的情况下， 可以适当减少网格密度； 当一个物体出现材料变化的情况时， 在材料变化处应 划分新的网格单元， 在载荷集中点处或是载荷突变处应设立节点， 并且在其周围适当加密 网格密度； 步骤4： 使用w orkbench中steady ‑state thermal模块分析钢包稳态热分析； 步骤5： 将钢包稳态热分析得到的温度场结果加载在钢包力分析的模块中， 得到钢包的 应力云图； 步骤6： 在钢包底的透气砖的缝隙之间进行 吹氩气的操作， 对钢 包内部的流场的情况进 行分析。 2.如权利要求1所述的一种用于新型钢包多场耦合分析方法， 其特征在于， 步骤2中多 体构件模型由DM中创建的6个草图分别 形成的6个面体构成， 赋予工作层、 永久层、 保温层、 绝缘层和钢包外壳相应的材料属性， 当材料 的弹性属 性突然变化时， 应该用突变线作为单 元的边界线。 3.如权利要求1所述的一种用于新型钢包多场耦合分析方法， 其特征在于， 步骤4中分 析钢包的一个径向截面， 然后用2D分析的轴对称进行处理； 单独提取工作层和永久层的温 度分布状况。 4.如权利要求1所述的一种用于新型钢包多场耦合分析方法， 其特征在于， 步骤5 中， 首 先对钢包壳和箍板、 肋板及耳轴的区域单独进行网格细密划分， 然后利用二维轴对称模型 先对钢包进行温度场求解， 提取包壳温度载荷， 并利用二维轴对称模型求取包衬在高温载 荷下， 由于热膨胀的产生对包壳的热膨胀压力， 再将温度单元转化为结构单元， 读取温度载 荷， 施加外界外力和 约束， 具体的外力和约束主要 是钢包自身的重力、 钢包受到的拉力和钢 包受到热膨胀所受到的约束力， 最后再进行应力场分析。 5.如权利要求1所述的一种用于新型钢包多场耦合分析方法， 其特征在于， 步骤6 中， 首 先在Gambit中建立新型钢包二 维模型， 设置网格格式， 细分网格， 设置钢包的进气口和出气 口的位置、 进气口 的大小， 将计算划分好的网格结果 导入Fluent中， 进行流场分析。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114297889 A 2一种用于新型钢包多场耦合分析方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种新型钢包的温度场、 应力场和流场的分析方法， 该方法可以为后 续的钢包精炼提供理论研究基础， 为钢包的长寿化分析提供数据支持和研究基础， 属于炼 钢技术领域。 背景技术 [0002]钢包能够在生产中运用的最低要求是能够承受住钢水1500℃的温度， 并且要保证 钢包的内衬可以用2 ‑3年， 钢包壳能用到30年的要求。 钢包内衬里选择的影响直接影响钢包 的使用寿命， 其保温性能对钢水温降和后期熔炼过程有重要影响。 传统的寿命预测， 仅凭 “经验估算+运行调整 ”的传统方法难以明确复杂条件下内衬材料时变损伤机理， 保温效果 和寿命功效无法兼顾。 [0003]在钢铁生产过程中， 每一个流程都要求钢水在一定 的范围内， 生产节奏的变化可 能对钢包的扩容和轻质化的要求就会更加 严格。 钢包内的钢 水温控就很严格， 在每个炼钢 流程中要求钢水在一定的范围内， 不能低于最低温度， 不然将无法进 行下一步的操作。 新型 钢包的主要特点在于内衬所使用的耐火材料不同和结构的不同即增加保温层和绝热层。 钢 包内衬的耐火材料 的选择将直接影响钢包的使用寿命和质量， 其保温性能对钢水冷却， 钢 坯质量和冶炼过程有重要影响。 [0004]钢包在工作过程中， 不仅承受铁水和自身重力的作用， 而且还承受较高的温度载 荷产生的热应力， 钢包的热应力是因为钢 水温度变化时， 钢包受到自身的重力和外在的拉 力等外部因素和钢包内部各部 分之间相互的约束， 使钢包不能够完全自由的胀缩而产生应 力。 而热应力分析的实质就是在物体受热的基础上， 对于不同物体， 由于存在不同的热胀系 数， 而产生不同的应力效果。 在ANSYS有限元分析软件中利用workbench中热分析和力分析 两个模块相互联合， 计算钢包的应力场。 而钢包的热分析， 存在着两种不同的分析方法： 直 接法和间接法。 直接法是利用耦合单元， 将热载荷和结构载荷同时施加在有限元模型上直 接求解的方法。 间接法是先将温度场分布进 行求解， 再将温度载荷转化为结构单元， 再进 行 求解的一种方法。 [0005]在炼钢时， 钢包内衬的应力分布对降低生产成本、 优化生产工艺、 改善铸坯质量和 延长钢包内衬使用寿命来说具有非常重要的意义。 近几年对新结构钢包的研究结果表明, 在两种工况下新型钢包的温度分布均优于传统钢包,新型钢包包壳的最高温度明显低于传 统钢包包壳的最高温度,新型钢包的保温隔热性能比传统钢包更加优良。 通过在钢包工作 层表面覆盖一层10mm厚的保温绝热毡， 再在 永久层与钢包外壳之间加入30 mm后的保温隔热 板， 然后对其进行烤包和盛钢模拟， 结果发现应用绝热毡和保温隔热板的钢包外壳表征平 均温度降低了45℃， 钢包内钢水温度下降平均速度降低了0.27。 上述对钢包的研究， 着 重于 研究钢包外壳温度的控制和不同内衬材料对钢包温度控制以及应力分布的影响， 但研究结 果显示包壳的应力分布并不理想 。 [0006]鉴于此需要一种用于新型钢包多场耦合分析的有效方法， 克服目前新型钢包多场说　明　书 1/7 页 3 CN 114297889 A 3