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高炉炉缸炉墙传热和应力的有限元计算

韩义  
【摘要】:高炉长寿已经成为当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分。为了提高生产力,降低炼铁成本,提高高炉寿命问题已经日益突出。依据我国对高炉寿命的调查结果显示,高炉耐火内衬的破损剥落以及炉壳的开裂是影响高炉寿命的决定性因素。 高炉炉缸的传热结构是耐火砖+填料(捣打层)+冷却壁+炉壳。炉墙热面与高温铁水接触,体内冷却水强制冷却,形成很大的温度梯度和很高的热负荷。结构膨胀应力和温度差应力是造成炉墙耐火材料及炉壳破损的主要原因,此外,炉缸中的碱金属化合物以环缝形式出现,对内衬和炉壳都将产生极大的破坏作用,因此对炉缸部分炉墙的受热变形分析以及热应力计算是实现高炉长寿的必要手段。分析高炉耐火材料和炉壳的温度场和热应力场情况,对指导高炉炉墙的设计、制造和使用维护,提高高炉的使用寿命有着重大的意义。 本文根据炉墙复合体的结构特点和工作情况,根据三维稳态传热理论和热弹塑性力学原理,采用周期对称模型,建立了高炉开裂前后炉墙复合体工作状态下的传热和热应力计算模型,该模型比以往研究中采用平板模型更为精确。 有限元法是工程分析最主要的计算工具。由于本文的研究对象是炉壳局部开裂的情况,因而采用有限元法可以较准确的计算出温度场和应力场。在高炉服役过程中,随着内衬侵蚀程度不断增大,炉墙温度梯度也将随之变大,而炉壳开裂是由炉壳的环向应力和材质缺陷决定的,所以在有限元软件ANSYS平台下,建立高炉开裂前后计算模型,并且模拟实际情况进行边界条件的加载,有助于分析炉壳开裂前后内衬及炉壳的应力及温度的变化。 对开裂前后的炉壳及内衬外缘的径向和环向应力及变形进行对比,分析其导致变化的原因,同时对影响炉壳及内衬的温度和应力的若干因素进行探讨。 本课题的研究成果对提高高炉炉墙的研发设计水平以及高炉炉壳破损维修方案都具有重要的参考价值和借鉴意义。


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