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摘 要:目前,钢主要通过转炉生产,炉壳的寿命直接影响钢厂的生产效率和成本,炉壳寿命主要取决于其应力水平.炉壳工作中承受的应力主要是由于热膨胀和温度不均引起的热应力。通过对包钢210吨转炉炉体在空气自然对流和热辐射条件下热弹塑性应力的多参数耦合非线性二维有限元模拟,并考虑了炉衬和炉壳材料的物性参数随温度变化的特点,研究了该条件下炉体综合热应力分布及变化规律。
关键词:转炉;热应力;有限元
中图分类号:TB
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)12-0349-01
1 热应力相关问题概述
1.1 热应力的概念
力和热是自然界和人类生活实践中广泛存在的两种能量表现形式,也是工程机械设备十分常见的能量传递现象。当物体温度变化时,由于它和不能自由伸缩的其它物体之间,或者物体内部各部分之间相互约束产生的应力称为“热应力”。换句话说就是由于温度影响而在物体内产生的应力称为“热应力”
1.2 转炉炉壳的热应力
转炉炉壳是一个倾动的容器属于轴对称旋转薄壳结构。炉壳是在高温、重载和频繁倾动的情况下工作不仅承受机械力负荷,而且还承受着热负荷,由此在炉壳上产生三种应力:机械应力、热膨胀应力和炉壳温度不均而产生的热应力。正常情况下,炉体机械应力普遍小于5.4MPa,仅在三点支撑根部等极少数局部应力集中的区域可达到38MPa。而炉体的综合热应力一般在150-260MPa范围。即99%以上的炉壳所受热应力是机械应力的30-50倍。因此本文忽略炉体机械应力的影响,而只探究稳态条件下炉体综合热应力的分布及变化规律。
1.3 热应力分析方法
热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用,属于耦合场分析问题。利用ANSYS提供的热应力分析方法中的间接法,先采用常规热单元进行热分析然后将热单元转换为相应的结构单元,并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析,本文选择间接法稳态热分析。
2 转炉炉体热应力模型
2.1 有限元模型
包钢二炼钢工程210吨转炉,原为美国加洲钢厂二手设备,根据具体结构尺寸建模,离散化实体模型时保证节点空间位置、编号、单元几何性质等与温度模型的一致,以实现热—力的耦合计算。只是在整个热分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题,将PLANE55转化为结构单元PLANE42。
2.2 热应力计算涉及的物性参数的选择
热应力计算涉及的物性参数包括炉壳材料、永久层和工作层耐火材料的热膨胀系数、弹性模量及泊松比。有限元计算中使用的相关参数主要根据文献确定,计算除泊松比之外,弹性模量和热膨胀系数考虑了不同温度对其的影响。
2.3 边界条件
因所建立的模型为真实炉体的二分之一,故应在对称面上施加对称约束。为防止模型水平方向的刚性位移,在炉体模型对称轴线上施加水平位移约束,炉壳外壁的法兰圆盘为轴向完全固定,其余方向自由,炉壳的其它各点均自由。
3 转炉炉壳弹塑性热应力行为的研究
3.1 炉壳应力场模拟结果
进行自然对流和热辐射条件下热弹塑性应力的多参数耦合非线性二维有限元模拟,得到该状态下的炉壳综合热应力的变化,其中该转炉炉壳的Von Mises等效应力的云图如图1所示,
图1 炉体及炉壳应力场
3.2 轉炉炉壳应力结果分析
以炉底最低点位起始点,沿着内外表面从低向高的距离作为等效高度建立横坐标,以热应力作为纵坐标,得到炉壳外表面的热应力分布如图2所示。
仿真结果表明,初始状态下,炉底综合热应力在590-600MPa范围内,是炉壳热应力最高的区域。这是因为,炉底部位的炉衬层最厚,受热后膨胀量大,而此处炉壳温度低膨胀量小,造成炉壳受到的膨胀压力很大。由炉底到下炉
锥炉壳应力逐渐减小,而在炉底与下炉锥的过渡圆弧面处,
图2 炉壳外表面等效应力
因自身结构及炉壳温度较低等原因,造成此处应力略有升高。下炉锥的炉壳热应力基本在550-590MPa范围内。下炉身炉壳热应力的变化幅度不是很大,其热应力基本为500-550MPa。托圈所围炉身的热应力沿高度方向有所降低,由510-520MPa左右逐渐下降到320-340MPa。随着炉壳温度的改变及受炉体结构的影响,上炉身炉壳及下、上法兰间的炉壳热应力经历上升后又回落的过程,该区域热应力变化范围为340-350MPa。下法兰(三点支撑所在的平面)所围炉壳表面的综合热应力是该段的高应力区域。被上法兰包围的炉壳应力也有所上升,但增加幅度不大。该区域炉壳应力的这种波动是和炉壳结构及所受约束紧密相关的。上炉锥炉壳外表面大部分区域的综合热应力在80-380MPa范围内。
3.3 主要应力产生效果的比较
炉壳总的热应力为由热膨胀应力和温度差不均产生的热应力,在模型中将镁碳砖的弹性模量取炉壳材质的万分之一,去掉镁碳砖热膨胀应力的影响,模型输出的等效应力可近似看作温度差应力,将总的等效应力和仅由温度差影响所产生的应力放到同一图形当中区分其影响程度,取模型中炉身段输出结果如图3所示:
图3 炉壳炉身段外表面应力分布情况
由图可知炉身温度差应力在31MPa-67MPa之间,而总的等效应力为320MPa-448MPa所以约占总等效应力的9.6%-14.9%,由此可知,热膨胀应力在总的等效应力中占统治地位。
参考文献
[1]李维特.热应力理论分析及应用[M].北京:中国电力出版社,2004,(6).
[2]孟超平,任学平.转炉炉壳温度场的有限元模拟[J].现代制造技术与装备,2007,(6):44-46.
[3]李黎明.Ansys有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
关键词:转炉;热应力;有限元
中图分类号:TB
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)12-0349-01
1 热应力相关问题概述
1.1 热应力的概念
力和热是自然界和人类生活实践中广泛存在的两种能量表现形式,也是工程机械设备十分常见的能量传递现象。当物体温度变化时,由于它和不能自由伸缩的其它物体之间,或者物体内部各部分之间相互约束产生的应力称为“热应力”。换句话说就是由于温度影响而在物体内产生的应力称为“热应力”
1.2 转炉炉壳的热应力
转炉炉壳是一个倾动的容器属于轴对称旋转薄壳结构。炉壳是在高温、重载和频繁倾动的情况下工作不仅承受机械力负荷,而且还承受着热负荷,由此在炉壳上产生三种应力:机械应力、热膨胀应力和炉壳温度不均而产生的热应力。正常情况下,炉体机械应力普遍小于5.4MPa,仅在三点支撑根部等极少数局部应力集中的区域可达到38MPa。而炉体的综合热应力一般在150-260MPa范围。即99%以上的炉壳所受热应力是机械应力的30-50倍。因此本文忽略炉体机械应力的影响,而只探究稳态条件下炉体综合热应力的分布及变化规律。
1.3 热应力分析方法
热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用,属于耦合场分析问题。利用ANSYS提供的热应力分析方法中的间接法,先采用常规热单元进行热分析然后将热单元转换为相应的结构单元,并将求得的节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析,本文选择间接法稳态热分析。
2 转炉炉体热应力模型
2.1 有限元模型
包钢二炼钢工程210吨转炉,原为美国加洲钢厂二手设备,根据具体结构尺寸建模,离散化实体模型时保证节点空间位置、编号、单元几何性质等与温度模型的一致,以实现热—力的耦合计算。只是在整个热分析过程中存在热单元与结构单元的转换问题,将PLANE55转化为结构单元PLANE42。
2.2 热应力计算涉及的物性参数的选择
热应力计算涉及的物性参数包括炉壳材料、永久层和工作层耐火材料的热膨胀系数、弹性模量及泊松比。有限元计算中使用的相关参数主要根据文献确定,计算除泊松比之外,弹性模量和热膨胀系数考虑了不同温度对其的影响。
2.3 边界条件
因所建立的模型为真实炉体的二分之一,故应在对称面上施加对称约束。为防止模型水平方向的刚性位移,在炉体模型对称轴线上施加水平位移约束,炉壳外壁的法兰圆盘为轴向完全固定,其余方向自由,炉壳的其它各点均自由。
3 转炉炉壳弹塑性热应力行为的研究
3.1 炉壳应力场模拟结果
进行自然对流和热辐射条件下热弹塑性应力的多参数耦合非线性二维有限元模拟,得到该状态下的炉壳综合热应力的变化,其中该转炉炉壳的Von Mises等效应力的云图如图1所示,
图1 炉体及炉壳应力场
3.2 轉炉炉壳应力结果分析
以炉底最低点位起始点,沿着内外表面从低向高的距离作为等效高度建立横坐标,以热应力作为纵坐标,得到炉壳外表面的热应力分布如图2所示。
仿真结果表明,初始状态下,炉底综合热应力在590-600MPa范围内,是炉壳热应力最高的区域。这是因为,炉底部位的炉衬层最厚,受热后膨胀量大,而此处炉壳温度低膨胀量小,造成炉壳受到的膨胀压力很大。由炉底到下炉
锥炉壳应力逐渐减小,而在炉底与下炉锥的过渡圆弧面处,
图2 炉壳外表面等效应力
因自身结构及炉壳温度较低等原因,造成此处应力略有升高。下炉锥的炉壳热应力基本在550-590MPa范围内。下炉身炉壳热应力的变化幅度不是很大,其热应力基本为500-550MPa。托圈所围炉身的热应力沿高度方向有所降低,由510-520MPa左右逐渐下降到320-340MPa。随着炉壳温度的改变及受炉体结构的影响,上炉身炉壳及下、上法兰间的炉壳热应力经历上升后又回落的过程,该区域热应力变化范围为340-350MPa。下法兰(三点支撑所在的平面)所围炉壳表面的综合热应力是该段的高应力区域。被上法兰包围的炉壳应力也有所上升,但增加幅度不大。该区域炉壳应力的这种波动是和炉壳结构及所受约束紧密相关的。上炉锥炉壳外表面大部分区域的综合热应力在80-380MPa范围内。
3.3 主要应力产生效果的比较
炉壳总的热应力为由热膨胀应力和温度差不均产生的热应力,在模型中将镁碳砖的弹性模量取炉壳材质的万分之一,去掉镁碳砖热膨胀应力的影响,模型输出的等效应力可近似看作温度差应力,将总的等效应力和仅由温度差影响所产生的应力放到同一图形当中区分其影响程度,取模型中炉身段输出结果如图3所示:
图3 炉壳炉身段外表面应力分布情况
由图可知炉身温度差应力在31MPa-67MPa之间,而总的等效应力为320MPa-448MPa所以约占总等效应力的9.6%-14.9%,由此可知,热膨胀应力在总的等效应力中占统治地位。
参考文献
[1]李维特.热应力理论分析及应用[M].北京:中国电力出版社,2004,(6).
[2]孟超平,任学平.转炉炉壳温度场的有限元模拟[J].现代制造技术与装备,2007,(6):44-46.
[3]李黎明.Ansys有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.