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简谈力场转炉温度场及应力场国内外目前状况学位

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论文导读:
摘 要:
转炉炼钢在我国炼钢产量中占80%以上,但其主要载体转炉炉壳工作时存在机械应力、温度差应力和热膨胀应力,而机械应力在整个应力组成中所占比例较小,炉壳受的热应力大小直接影响到炉壳的结构强度,导致炉壳变形从而影响其寿命。为了我们今后更好的开展转炉炉体热力学行为的研究,对于指导现场实际生产和炉壳冷却技术的开发,延长炉壳的使用寿命,我们有必要了解目前国内外转炉温度场及应力场的研究现状。
关键词:转炉;温度场;应力场;研究现状
16723198(2013)10018002
1 概述
目前,我国已经是产钢一亿吨的钢铁大国,根据我国资源能源的条件,预测下世纪初转炉炼钢生产仍将占主导地位,转炉温度场和应力场的研究对于指导现场实际生产和炉壳冷却技术的开发,延长炉壳的使用寿命,具有较大的经济效益和社会效益。
2 转炉温度场及应力场国内的研究状况
1988年汪顺兴等人首次对宝钢300吨转炉炉体的温度场及应力场进行分析研究。在温度场求解的基础上,对转炉炉壳进行有限元强度分析。给300吨转炉改成顶底复吹炉底源于:论文的基本格式www.7ctime.com
开孔提供理论依据,也对炉底的不同开孔方案引起的应力变化进行了有限元分析和计算。2000年黄钢华等人再次对宝钢300t转炉新炉型炉壳进行有限元强度分析,计算结果表明新炉型炉壳在机械荷载,温度及热膨胀应力等联合作用下,所产生的综合应力在转炉炉壳的许用应力允许值之内;产生的变形也在新炉型炉壳的刚度设计的范围内。其中重力为主的机械荷载对炉壳的强度影响较小,在总的应力所占的份额只有2%~3%;而温度应力在炉顶和炉底区域中应力值较大,炉壳热膨胀应力的主要分布区域在炉身处,达90%以上。
2001年任学平等人根据实际转炉建立实体模型并以有限元为手段,考虑了炉衬和炉壳材料的物性参数随温度变化的特点和炉衬与炉壳之间膨胀间隙,计算了转炉炉壳在温度载荷和炉衬膨胀压力同时作用下的热应力,所得结果可为转炉炉壳设计提供依据。2005年,杨治立等人对重钢50t转炉进行了炉壳(炉身段)温度场及热应力分析,提出了通过加隔热层石棉板降低炉壳表面温度的方法。
目前在转炉内衬热应力问题的建模、分析计算过程中,一般是将其内衬作为一个整体来考虑,而忽略了内衬膨胀间隙对热应力的影响。担任学平利用有限元热一结构耦合场的接触分析方法对二维转炉炉衬膨胀间隙进行分析,说明转炉炉衬砌筑时设置的膨胀间隙不同会导致炉衬与炉壳之间的接触压力不同,进而导致炉衬的热应力不同找出了膨胀间隙对炉衬热应力的影响规律,为求解炉衬的热应力奠定必要的基础。
马学东认为因炉体的热膨胀应力十分巨大,为了使其值不至于太大,其人为地在砖与砖之间设置一定的空隙,用空隙来减缓热应力;以有限元为手段,采用ANSYS软件包,利用单元生死来描述膨胀缝的尺寸和位置,对炉体进行热膨胀应力计算。陈荣用ANSYS接触分析方法,对钢包工作层内衬在砌筑过程中的膨胀缝进行研究计算,得到在烤包结束工况下砖缝对内衬热应力的影响规律,并根据工业生产要求提出适合的砖体缝隙值,降低钢包内衬砖体热应力分布。而张江伟为了进行转炉炉壳应力分析研究了两个模型,第一个模型全面限制了横向膨胀即无径向砖缝;另一个模型允许砖变形而不加任何限制。分析揭示出:对于给定的条件和参数来说,应力σx和σv主要是压力,仅在靠近热面附近才有非常有限的区域得到了小的抗拉应力约0.4MPa。主要应力的方向保持在径向和周围的方向上。王朴把砖之间的环向间隙和径向间隙以膨胀吸收系数来简化处理,取0.58;用连续的模型代替带摩擦的温度接触模型,比较好的分析计算模型是采用热接触问题来处理,计算的精度会提高。孟超平以包钢210吨转炉为模型分别计算了其温度场、应力场、及膨胀间隙对转炉炉壳热应力的影响,对现场起到了实际指导作用。
3 转炉温度场及应力场国外的研究状况
国外对炉体和炉壳的温度场、应力场和变形的理论分析计算工作主要集中在日本和美国,但两国科技工作者的侧重点有所不同。
日本钢铁界对转炉的炉壳变形和长寿化研究工作开展得较早,所取得的成果也较为丰富。从内容来看,其研究工作可划分为两个方向:一是在对炉壳冷却方式进行实验研究的同时,还对炉衬耐火材料的砌筑、修补进行了研究,这一方面论文导读:
的报告主要是结合实际生产和试验结果讨论了影响变形及炉壳寿命的因素。另一个方向则是利用有限元数值求解方法对炉体进行分析,计算所用的模型从一维到三维都有,研究对象则包括了炉衬或整个炉体。美国学者的研究重点侧重于考虑耐火衬的热机械行为,主要讨论由于加热烘炉造成的炉衬耐火砖开裂剥落现象。他们的研究以对合理设置膨胀间隙为特长,但对炉壳变形的报道、研究比较少。针对转炉设置膨胀间隙具体情况如下:
日本的野村修等人利用有限元计算了转炉炉衬的膨胀系数与热应力的关系,并对转炉衬的设计进行了修改。内山欲之等人分析炉壳变形与应力时,既考虑了耐火衬对炉壳的热膨胀压力作用,也考虑了炉衬砌筑时预留膨胀间隙的作用,对炉壳蠕变变形的分析结果和实测数据也能较好地吻合,说明其研究具有较高水平。何鸣寿一等分析砖之间缝隙采用的方法为:当砖的热膨胀量小于砖之间的缝隙时的弹性系数几乎为零,作为不产生热应力的情况进行分析,当砖的热膨胀量大于砖之间的缝隙时,把砖的弹性系数看作实际的物理性能值作为产生热应力的情况进行分析。并且把砖作为不连续体处理,通过在砖之间使用间隙连接要素来考虑砖之间的滑移。
而美国学者Chen Ensheng通过修正材料的弹性模量实现Armco钢铁厂的225吨转炉热机械间隙应力分析模拟。在耐火材料结构体的强度分析技术及其应用一文中,针对由铁皮约束砖膨胀所产生的膨胀压力,采用把铁皮和衬砖模型化了的炉体剖面轴对称模型,把砖缝缝隙对膨胀的吸收采用非线性膨胀率进行了模型化。在B.Brezny和EN~Sheng Chen比较了含镁碳砖炉衬在有无膨胀间隙时的热机械应力,认为膨胀间隙的设定可以有效地控制炉衬内压缩应力的分布。计算表明需要设置合理的膨胀间隙才能保证炉衬中压缩应力在合理范围内。B.Brezny讨论了镁砖耐火材料的高度热传导性和高度热膨胀性对吹氧转炉内衬和外壳中热机械应力的影响,吹氧转炉内衬有无膨胀允许量时计算应力的有限元三维模型,并说明了高操作温度对Mg—C系耐火材料的化学稳定性和使用性能所起的反面作用,但计算时只考虑了随温度而产生的热传导性的变化,随温度而产生的其他物理特性的变化如在荷重下的变形和弹性模量等没有考虑,因而所提供的计算应力值高于实际值。通过对美国雀点厂的BOF炉内衬实际温度的测量和用有限元分析法计算热机械应力,确定了树脂结合MgO~C砖砌体间的最佳膨胀缝和通过缓慢地升温减小温度梯度而引起的热应力,从而提高了炉衬的寿命。文中经过测量有0.46%的膨胀是由水平压力造成的,0.62%的膨胀是由竖直压力造成的。通过提供膨胀允许值,并尽力确定适当的膨胀缝以减小热机械应力而使砖不破坏的范围。并分别与1993年和1994年衬留出纵向膨胀量0.36%~0.62%,衬留出水平膨胀量从0.13%增加到0.26%。国外学者对树脂结合MgO~C内衬的热膨胀缝进行接触热应力分析,提出了0.46%的水平膨胀缝,其中包括在砖的上部垫有0.26%的纸板和0.2%的砖层松动允许计算值。0.62%的垂直膨胀缝的内衬设计方案,即在水平方向每块砖之间垫0.4mm的纸板,垂直方向每隔3层垫

2.3mm的纸板,这样可以将内衬中热机械应力释放并减小至砖断裂的程度。

4 总结
由以上文献可见,转炉工作中所受的热应力是一个复杂问题。这种复杂性在于炉体材料特性、炉衬与炉衬作用、炉衬与炉壳作用以及边界条件等多方面因素对热应力的影响。要获得正确的分析结果,需要理论联系实际,除对转炉温度和变形进行现场实测以外,还需对炉衬和炉壳材料的机械性能和热特性进行深入研究。
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