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國內(nèi)某鋼鐵研究設(shè)計(jì)院與國外技術(shù)公司合作，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型爐體結(jié)構(gòu)。爐身為模塊式，將厚壁冷卻水管以把手型直接焊接在各塊爐殼鋼板上，再將各塊對(duì)接起來構(gòu)成一個(gè)整體框架，以此框架為基礎(chǔ)澆注一定厚度的耐火混凝土。爐缸結(jié)構(gòu)為陶瓷杯式，爐底強(qiáng)行風(fēng)冷。
還原爐爐殼承受的載荷條件很復(fù)雜，它處在高溫、高壓和高載荷及爐內(nèi)有時(shí)產(chǎn)生的爆震、沖擊條件下工作，同時(shí)爐殼開孔很多，形狀各異。開孔后的殼體，由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，在開孔處產(chǎn)生相當(dāng)大的局部應(yīng)力，因此開孔附近就成為殼體的薄弱環(huán)節(jié)。還原爐爐殼的任何缺陷都會(huì)影響到安全運(yùn)轉(zhuǎn)，因此采用有限元分析對(duì)此新型結(jié)構(gòu)的爐殼進(jìn)行了靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析，為還原爐的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。
還原爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，耐火材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。耐火材料、散熱水管、爐殼的傳熱系數(shù)見表。耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)不是指某一具體耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而是綜合考慮了被簡化掉的耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)。爐殼材料為18 MnMoNb，該材料的屈服極限為490 MPa，強(qiáng)度極限為635 MPa。
根據(jù)還原爐爐體的實(shí)際外形尺寸建立高爐三維立體模型。為了與實(shí)際情況接近，避免在彈塑性分析中出現(xiàn)虛假的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模型上所有開有大孔的地方都施加了孔邊約束，例如在頂部廢氣導(dǎo)出孔處和噴槍座處，分別用實(shí)體單元模擬了一段廢氣導(dǎo)出管和一段噴槍，并在廢氣導(dǎo)出管孔邊緣和噴槍孔邊緣附加了彈簧單元，以模擬管道與波紋管的連接。支撐爐底的工字鋼格排梁在水平方向上不完全固定，梁與固定錨板間留有膨脹間隙。由此，在梁的邊緣附加了非線性彈簧單元，以模擬膨脹間隙，在間隙量范圍內(nèi)彈簧的剛度很小，超過了膨脹間隙量，則彈簧剛度變的很大。
模型單元?jiǎng)澐只?strong>ANSYS的智能劃分，并在開孔洞處和預(yù)計(jì)為高應(yīng)力的危險(xiǎn)部位進(jìn)行加密劃分。單元類型選擇8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，求解器程序選擇為稀疏矩陣直接求解法，它是以消元法為基礎(chǔ)的直接求解法，可以得到十分精確的解。計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為163982個(gè)，單元總數(shù)為533419個(gè)，其中彈簧單元474個(gè)，實(shí)體單元532945個(gè)。
在冶煉時(shí)，爐體與鐵水及爐殼與周圍環(huán)境的熱交換行為是復(fù)雜的，為簡化起見，可以把還原爐穩(wěn)定工作狀態(tài)下的溫度場(chǎng)看成是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。在爐內(nèi)存在兩種傳熱途徑：一是鐵水和爐壁及高溫氣體與爐壁是接觸傳熱，求解時(shí)按第一類邊界條件處理，即已知爐體內(nèi)表面溫度，與熔池和爐渣接觸的表面溫度Tdown=1 500℃，其余內(nèi)表面(即爐渣區(qū)以上的爐壁)溫度Tup=1 600℃；二是耐火澆注料中水管壁與冷卻水間對(duì)流傳熱，求解時(shí)按第三類邊界條件考慮，即已知冷卻水的流量和進(jìn)口、出口溫度，則可求出平均換熱系數(shù)。在爐體外部即爐殼外表面，傳熱也有兩種途徑：一是與周圍空氣的自然對(duì)流傳熱(爐殼圓形外表面和前爐膛外表面)或強(qiáng)迫對(duì)流傳熱(鼓風(fēng)機(jī)對(duì)爐體底板和固定座強(qiáng)行風(fēng)冷，風(fēng)速10 m/s)；二是通過輻射向周圍環(huán)境散熱。爐殼外表面按第三類邊界條件考慮，即已知周圍環(huán)境溫度T=20℃，將對(duì)流換熱和輻射換熱折合成綜合換熱系數(shù)。
1)位移 對(duì)支撐爐底的工字鋼格排梁施加垂向約束，對(duì)彈簧單元施加完全約束。
2)力和溫度邊界條件 還原爐爐殼受到的載荷情況比較復(fù)雜，其中有爐殼自重Fw、附屬物荷重Fa及內(nèi)襯材料荷重Fin等引起的作用于爐殼的豎向力；此外還有爐內(nèi)煤氣內(nèi)壓力Pg、內(nèi)襯膨脹產(chǎn)生的側(cè)壓力Ps、爐渣和鐵水的側(cè)壓力Ph以及爐殼內(nèi)外溫差引起的環(huán)向應(yīng)力等多種載荷，載荷示意圖見圖。
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