轉爐爐殼熱應力的有限元分析

摘 要:目前，鋼主要通過轉爐生產，爐殼的壽命直接影響鋼廠的生產效率和成本，爐殼壽命主要取決于其應力水平.爐殼工作中承受的應力主要是由于熱膨脹和溫度不均引起的熱應力。通過對包鋼210噸轉爐爐體在空氣自然對流和熱輻射條件下熱彈塑性應力的多參數耦合非線性二維有限元模擬，并考慮了爐襯和爐殼材料的物性參數隨溫度變化的特點，研究了該條件下爐體綜合熱應力分布及變化規律。

關鍵詞:轉爐;熱應力;有限元

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)12-0349-01

1 熱應力相關問題概述

1.1 熱應力的概念

力和熱是自然界和人類生活實踐中廣泛存在的兩種能量表現形式，也是工程機械設備十分常見的能量傳遞現象。當物體溫度變化時，由于它和不能自由伸縮的其它物體之間，或者物體內部各部分之間相互約束產生的應力稱為“熱應力”。換句話說就是由于溫度影響而在物體內產生的應力稱為“熱應力”

1.2 轉爐爐殼的熱應力

轉爐爐殼是一個傾動的容器屬于軸對稱旋轉薄殼結構。爐殼是在高溫、重載和頻繁傾動的情況下工作不僅承受機械力負荷，而且還承受著熱負荷，由此在爐殼上產生三種應力:機械應力、熱膨脹應力和爐殼溫度不均而產生的熱應力。正常情況下，爐體機械應力普遍小于5.4MPa，僅在三點支撐根部等極少數局部應力集中的區域可達到38MPa。而爐體的綜合熱應力一般在150-260MPa范圍。即99%以上的爐殼所受熱應力是機械應力的30-50倍。因此本文忽略爐體機械應力的影響，而只探究穩態條件下爐體綜合熱應力的分布及變化規律。

1.3 熱應力分析方法

熱應力問題實際上是熱和應力兩個物理場之間的相互作用，屬于耦合場分析問題。利用ANSYS提供的熱應力分析方法中的間接法，先采用常規熱單元進行熱分析然后將熱單元轉換為相應的結構單元，并將求得的節點溫度作為體載荷施加到模型上再進行結構應力分析，本文選擇間接法穩態熱分析。

2 轉爐爐體熱應力模型

2.1 有限元模型

包鋼二煉鋼工程210噸轉爐，原為美國加洲鋼廠二手設備，根據具體結構尺寸建模，離散化實體模型時保證節點空間位置、編號、單元幾何性質等與溫度模型的一致，以實現熱—力的耦合計算。只是在整個熱分析過程中存在熱單元與結構單元的轉換問題，將PLANE55轉化為結構單元PLANE42。

2.2 熱應力計算涉及的物性參數的選擇

熱應力計算涉及的物性參數包括爐殼材料、永久層和工作層耐火材料的熱膨脹系數、彈性模量及泊松比。有限元計算中使用的相關參數主要根據文獻確定，計算除泊松比之外，彈性模量和熱膨脹系數考慮了不同溫度對其的影響。

2.3 邊界條件

因所建立的模型為真實爐體的二分之一，故應在對稱面上施加對稱約束。為防止模型水平方向的剛性位移，在爐體模型對稱軸線上施加水平位移約束，爐殼外壁的法蘭圓盤為軸向完全固定，其余方向自由，爐殼的其它各點均自由。

3 轉爐爐殼彈塑性熱應力行為的研究

3.1 爐殼應力場模擬結果

進行自然對流和熱輻射條件下熱彈塑性應力的多參數耦合非線性二維有限元模擬，得到該狀態下的爐殼綜合熱應力的變化，其中該轉爐爐殼的Von Mises等效應力的云圖如圖1所示，

圖1 爐體及爐殼應力場

3.2 轉爐爐殼應力結果分析

以爐底最低點位起始點，沿著內外表面從低向高的距離作為等效高度建立橫坐標，以熱應力作為縱坐標，得到爐殼外表面的熱應力分布如圖2所示。

仿真結果表明，初始狀態下，爐底綜合熱應力在590-600MPa范圍內，是爐殼熱應力最高的區域。這是因為，爐底部位的爐襯層最厚，受熱后膨脹量大，而此處爐殼溫度低膨脹量小，造成爐殼受到的膨脹壓力很大。由爐底到下爐

錐爐殼應力逐漸減小，而在爐底與下爐錐的過渡圓弧面處，

圖2 爐殼外表面等效應力

因自身結構及爐殼溫度較低等原因，造成此處應力略有升高。下爐錐的爐殼熱應力基本在550-590MPa范圍內。下爐身爐殼熱應力的變化幅度不是很大，其熱應力基本為500-550MPa。托圈所圍爐身的熱應力沿高度方向有所降低，由510-520MPa左右逐漸下降到320-340MPa。隨著爐殼溫度的改變及受爐體結構的影響，上爐身爐殼及下、上法蘭間的爐殼熱應力經歷上升后又回落的過程，該區域熱應力變化范圍為340-350MPa。下法蘭(三點支撐所在的平面)所圍爐殼表面的綜合熱應力是該段的高應力區域。被上法蘭包圍的爐殼應力也有所上升，但增加幅度不大。該區域爐殼應力的這種波動是和爐殼結構及所受約束緊密相關的。上爐錐爐殼外表面大部分區域的綜合熱應力在80-380MPa范圍內。

3.3 主要應力產生效果的比較

爐殼總的熱應力為由熱膨脹應力和溫度差不均產生的熱應力，在模型中將鎂碳磚的彈性模量取爐殼材質的萬分之一，去掉鎂碳磚熱膨脹應力的影響，模型輸出的等效應力可近似看作溫度差應力，將總的等效應力和僅由溫度差影響所產生的應力放到同一圖形當中區分其影響程度，取模型中爐身段輸出結果如圖3所示:

圖3 爐殼爐身段外表面應力分布情況

由圖可知爐身溫度差應力在31MPa-67MPa之間，而總的等效應力為320MPa-448MPa所以約占總等效應力的9.6%-14.9%，由此可知，熱膨脹應力在總的等效應力中占統治地位。

參考文獻

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