內襯對高爐爐殼受力影響的參數化分析

鄭 蕾 （中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

0 前 言

高爐結構是一種特殊的冶金設備，其構造形式復雜，受力形式多種多樣，各部分的承載也較為復雜，很多問題尚沒有一個很好的結論。高爐的組成主要是由高爐內襯和高爐鋼爐殼組成；高爐內襯一般由粘土磚或高鋁磚等微膨脹或零膨脹保溫材料和構成。在設計過程中，工程師往往根據高爐內部的荷載工況，計算高爐鋼爐殼的受力、變形情況，從而確定爐殼的形狀和厚度，而不考慮保溫材料對爐殼受力和變形的影響。在大量關于高爐的內襯的研究中，也重點是研究內襯的侵蝕[1,2]。本文結合實際設計工程，參照相關的參考文獻[3,10]，對高爐結構進行系統的分析研究，采用大型有限元軟件模型進行有限元分析，得出一些有價值的結論，為工程設計提供參考。

1 建 摸

圖1 結構模型圖

在高爐結構中，分析內襯對爐殼影響最佳的部位為爐缸位置，爐缸的鐵水產生的側向荷載主要是通過爐壁內的爐缸陶瓷杯傳遞給高爐內襯，再傳給外面的爐殼的。在傳力的過程中，保溫磚也承受了部分的荷載，對這部分力產生了削弱的效應。內襯材料屬性不盡相同，而不同的材料屬性對這種傳力產生什么樣的效應尚不可而知，而分析采用參數化的方式，分析不同材料參數的材料對爐殼受力的影響，從而分析組合體的受力特性。

為節省計算空間，增加計算精度，模型只分析爐缸和爐底部分。建摸時取爐缸高度4.394m,爐底高度3.743m,鐵水深度3m。爐殼的爐缸部位鋼板厚度為36mm，爐底鋼板厚度為30mm，爐缸頂部的保溫層厚度為794mm,爐缸坡度為7∶1。

結構材料參數爐殼為Q345鋼，而保溫材料的參數由于相關的計算資料較少，分析時取彈性模量為0～30GPa區間進行參數化分析（彈性模量取值參照砌體和混凝土的相關參數）。

有限元模型基本屬性 表1

2 加 載

在分析時簡化結構的受力性能，只選取一種作用力（重力采用加載加速度方式）。鐵水的側向作用力主要為向外的壓應力，根據液體壓強公式P=ρgh可知，這種力為一沿側壁的三角形荷載，如圖2所示，在大型有限元軟件里，其主要由不同的顏色來區分的，如圖3所示。

圖2 結構受力簡圖

圖3 加載面加載示意圖

3 結果分析

分析上述模型的計算結果，主要針對2個參數來分析：爐殼的最大位移（Smax）和爐殼單元的最大Von mises應力。下面就圍繞這2個參數進行分析。

3.1 最大位移（Smax）

最大位移分析主要考慮中間內襯對爐殼位移的減小規律，由于在爐殼的設計中大都不考慮中部分砌體的影響，故定量的分析其對結構最大位移的減小規律還是很有必要的。在分析時先分析通過結構最大位移隨彈性模量參數的變化規律。

如圖4所示，在鐵水壓力作用下，在爐缸的中下部是最大位移的發生位置，而往上和往下遞減，呈紡錘形，所以在對高爐進行設計的時候，要特別注意這個部位的位移值是否控制在規定的范圍內。

幾種模型的最大位移（mm） 表2

由表2表示可知，當彈性模量值達30GPa時，爐殼的最大位移非常小，幾乎可以忽略不計，但是隨著砌體剛度的減小，爐殼的最大位移大幅增加，當不考慮砌體的剛度時，爐殼在鋼水的作用下的最大位移達0.682mm，且彈性模量對位移的影響基本分2個階段：當彈性模量小于1GPa時，彈性模量的參數變化對爐殼最大位移的影響非常明顯，而當彈性模量大于1GPa時，隨著彈性模量的增加，爐殼最大位移的減小趨勢減緩，如圖5所示。

圖4 結構位移變化圖

圖6 別為單元Von mises應力示意圖

綜上所述，對爐缸部位的爐殼來說，若考慮30GPa的彈性模量情況下的最大位移是不考慮內襯受力情況下最大位移的3.4%，實際工程中的內襯肯定不會大于30GPa，但哪怕很小的彈性模量也會對爐殼的位移產生極大的影響，所以在實際工程設計在位移設計中應根據內襯材料情況適當考慮內襯和爐殼組合受力的情況。

3.2 最大Von mises應力分析

對高爐結構來說，對結構的強度控制是十分敏感的，所以對應力的分析是十分必要的。在分析應力變化規律時本文選用Von mises應力作為衡量指標，通過比較不同內襯彈性模量的Von mises應力變化規律來研究其對爐殼受力的影響規律。

圖6 單元Von mises應力示意圖

圖6 別為單元Von mises應力示意圖。結構的單元最大Von mises應力發生在爐缸的中下部（盛鐵水部分），往上和往下均減小，最上和最下端由于沒有鐵水作用，應力最小，和圖4變形情況一致。

幾種模型的單元Von mises應力值 表3

表3別列出了幾種材料模型下單元最大Von mises應力值，由表可知，當內襯的剛度較大時，爐內鐵水對爐殼幾乎不會產生多少應力，單元最大Von mises應力是1MPa，這個值對爐殼的受力來說幾乎可以忽略不計，但是隨著內襯的剛度不斷增加，鐵水對爐殼產生的應力也越來越大，當不考慮內襯的剛度時鐵水對爐殼產生的最大Von mises應力已達到30MPa以上。

圖7 剛度變化其對結構Von mises應力的影響規律

圖7 所示為最大Von mises應力隨剛度變化其對爐殼產生的最大應力變化規律。由圖可知，對剛度變化來說，當砌體的剛度小于1GPa時，爐殼的最大Von mises應力隨砌體剛度的變化急劇增大，所以對爐殼的應力來說，當砌體的剛度較小時，爐殼的應力對砌體剛度的變化是十分敏感的。

綜上所述，可知內襯對爐殼應力的影響是十分明顯的。當對高爐內襯的彈性模量達30GPa時，鐵水的荷載基本上都是由內襯承擔，爐殼所承擔的應力均不大于1.5MPa，若爐殼按照Q345鋼設計時，這部分應力只占爐殼材料承載能力的0.45%不到，可以完全不考慮；當這部分內襯的剛度按照《砌體結構設計規范》（內襯可適當參照《砌體結構設計規范》）規定的值計算時（1GPa～10GPa）,爐缸內鐵水給爐殼產生的應力最大的值不到7MPa，只占爐殼材料承載能力的2%不到，雖然剛度小于1GPa時，鐵水對爐殼的應力產生較大的影響，但是這部分的值只能作為研究用，實際工程中，砌體的剛度均不會小于1GPa，所以鐵水對爐殼的影響很小，但是在設計中，采用的把鐵水的荷載直接加到爐殼上的方式對爐殼產生的應力為34.2MPa，占爐殼材料承載能力的10%，這樣就造成材料的極大浪費。

4 結 論

通過對爐缸部位內襯對爐殼的參數化分析，內襯材料對爐殼的受力有著較大的影響，特別是彈性模量在1GPa以上時，其承擔了大部分的荷載，當前關于內襯材料的材料屬性特別是力學屬性并沒有很好的研究，其砌筑方式、材料成分等影響因素非常多，而隨著研究的繼續，一種內襯和爐殼組合受力的設計方法必將出現，這將大大節省投資。

[1]楊劍.基于有限元的高爐爐襯侵蝕的分析方法[D].武漢:武漢科技大學，2011.

[2]沈磊.高爐侵蝕監測系統研究與實現[D].武漢:武漢科技大學，2010.

[3]陶修.大型高爐爐殼整體彈塑性分析[D].重慶:重慶大學，2008.

[4]郭志強,任學平,鄒家祥.轉爐爐殼熱膨脹應力和溫度差應力的分析[J].鋼鐵研究學報，2003(4).

[5]姜德進.關于高爐結構設計的若干問題探討[J].工業建筑，2003(6).

[6]郭志強,任學平.轉爐爐襯膨脹間隙對爐襯與爐殼間接觸壓力的影響[J].鋼鐵釩鈦，2003(3).

[7]高峰，唐貴士，劉軍.轉爐爐殼變形及處理措施的淺析[J].包鋼科技，2004(2).

[8]馬學東,高興岐,于曉光,李玲玲.BOF爐體熱膨脹應力的有限元分析[J].重型機械，2005(1).

[9]郭志強,任學平.轉爐爐襯膨脹間隙對爐襯與爐殼間接觸壓力的影響[J].鋼鐵釩鈦，2003(3).

[10]任學平,樊巍川,郭志強,傅照峰.轉爐爐殼熱彈塑性有限元分析[J].包頭鋼鐵學院學報，2004(1).