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热风炉炉壳力学分析及有限元应用软件

互联网 2012-09-19 14:24:40

[导读] 摘要:针对热风炉炉壳结构特点及受力状况,运用现代力学理论和计算机技术对热风炉炉壳结构进行空间力学分析。通过采用热风炉炉壳有限元分析程序,实现对炉壳结构的优化设计,以满足高风温、高压、长寿的设计要求。

  

  

  热风炉是高炉炼铁生产中的关键没备,它是一种蓄热式的热交换器。按照燃烧室和蓄热室的布置形式不同,热风炉分为内燃式、顶燃式及外燃式[1]。热风炉炉壳采用厚度不等的钢板制成,内衬为耐火材料,同时亦承受内压,在菜种意义上来说热风炉炉壳亦属于压力容器范畴的工艺钢结构。

  由于热风炉炉壳结构形式及受力状况复杂,开孔多且大,按现有KD经验公式很难进行精确计算。近年来,随着冶炼强度的不断提高,对热风炉提出了更高的要求,既要满足工艺的高温(拱顶最高温度可达l450℃)、高压(可达0.45 MPa)要求,又要满足长寿要求。目前,国内热风炉大都使用两代炉龄以上,达25~30年。因此,有必要对热风炉炉壳受力状况进行系统分析,优化炉型构造,以满足冶炼工艺的要求,并按照《钢铁企业冶炼工艺炉技术规范》(讨论稿)的要求,采用有限元进行分析,对热风炉炉壳结构进行优化,以满足精细化设计要求。

  1 热风炉炉壳受力状况分析

  1.1 壳体的薄膜内力

  热风炉外壳一般由炉身筒壳与炉顶半球壳连接而成,底板则为平板。热风炉多用霍戈文式或半球壳拱顶,任一剖面均为倒置的悬链线或近似悬链线,在一定条件下受薄膜内力或近似薄膜内力。为了防止炉底板变形引起漏风,炉底板和筒身宜采用弧线连接,形成变形的缓冲区。同时炉身各转折处爆可能平缓或圆滑过渡,以减小应力集中。这些措施对炉壳的耐久性是必要的。

  1.2 晶间应力腐蚀

  热风炉炉壳在高压煤气和炉衬热膨胀作用下引起双轴应力状态。其最大应力分布在炉衬承受强烈高温作用的上部区域。拱顶风温已超过l200℃,此时,空气中的氮分解并与空气中的氧形成氧的氮化物NOx,渗过炉内衬,遇炉壳内壁形成的冷凝水而生成硝酸HNO3,硝酸对钢壳具有腐蚀作用。这种腐蚀和拉应力的共同作用会导致炉壳出现裂纹,晶体之间形成的裂纹,再受硝酸侵蚀而削弱强度从而减少炉壳寿命。这种现象称作晶间应力腐蚀。拉应力越大,裂纹越大,腐蚀也就越严重;另外,炉壳与焊缝的高应力还与焊缝引起的收缩有很大关系[2]。

  为防止和减轻晶间应力腐蚀的产生,在设计炉壳时,应避免过高应力和应力集中。在制造和安装时,消除焊接、加工及装配过程中产生的残余应力,特别应采用退火的方法消除焊缝热影响区内的应力;在热风炉高温区炉壳内表面涂防酸漆,喷涂防酸可塑料,其外表面设保温层,提高炉壳温度避免氧化氮与冷凝永生成硝酸根离子水溶液腐蚀炉壳等。

  绝对避免晶间应力腐蚀,固然有一定困难,但是尽量避免和减轻腐蚀,对于炉壳长寿是必要的。

  1.3 重复应力

  热风炉是在加热和送风交替下工作的,因此,内压力是周期作用的。鼓风机冷风压力为O.5MPa,至高炉风口约为0.44MPa,故在送风时,风压值在O.44~0.5 MPa之间。而助燃空气与煤气在进入热风炉燃烧、加热格子砖时,压力仅约0.Ol MPa。由此看来,炉壳经常受到40余倍压差的反复作用,产生重复应力。周期荷载引起的弹-塑性变形,会降低炉壳的强度和耐久性。因此在选择钢种时,应尽最考虑采用塑性韧性好,耐高温、耐腐蚀性能好的钢种,如宝钢BB4l-BF,武钢WSM4lC等。

  1.4 设备荷载与风、雪、地震等外力

  热风炉炉壳,不仅是热风系统的外壳,而且根据工艺需要还承受设备和操作平台的集中荷载,在壳体上造成应力集中,不利于壳体的局部稳定,故应尽量做到:

  (1)要尽量避免沿壳体法线方向传递集中荷载,以防薄壳在弯曲应力作用下局部丧失稳定。应使外力沿切线方向传递给薄壳,使壳内不产生弯曲应力,而拉压力可以在壳内很快分散开。

  (2)沿圆柱壳母线方向的应力集中衰减很慢,在几种集中荷载条件下,荷载间的距离不可太近,否则要将应力迭加起来验算,但最好不要把支座集中到同一母线上。

  (3)附跨平台梁和炉壳尽量不连接,各自受力,必须连接时支座的布置不应影响壳体的自由膨胀或收缩。

  当然,热风炉结构本身作为一座室外的构筑物,必须考虑风、雪、地震等荷载的作用。为应对恶劣的环境,炉壳外表面应涂耐高温防护漆,可以延长炉壳的使用寿命。

2 热风炉炉壳有限元分析

  针对热风炉炉壳结构特点及受力状况,运用现代力学理论和计算机技术对热风炉炉壳结构进行空间力学分析、研究。ANSYS是一款功能十分强大的有限元分析软件,采用ANSYS对热风炉炉壳进行空间结构有限元分析是可行的。

  2.1 有限元分析的理论和方法

  (1)组合壳体空间结构分析。组合壳体的传统计算方法是在组合壳体的各分段接头处,运用内力平衡和变形协调来求解内力和位移,进而根据物理方程来求得应力。在线弹性和均匀荷载下,对于长壳的组合壳可以列出线性方程组并由相关的数值计算软件来求解。但是对于短壳的组合壳,由于要考虑到壳体边缘效应的相互影响而使情况变得更加复杂而不易求解。因此,要对计算模型进行合理简化和计算假设,用有限元技术对任意边界条件、任意荷载作用下、任意壳体组合进行求解,就能得到合理的结果。

  通过对结构整体建模的途径,并采用现代力学分析方法—有限元法对结构进行全面的受力分析,考虑结构的整体作用,可以更真实、更全面地认识热风炉炉壳的受力状况。

  (2)洞口加固理论假定及加固后应力分析。对于各管道如热风管、助燃空气管、烟气管、煤气管等开孔处,采用围壁加厚板加固理论进行计算。以开有围壁加强的圆形切口的应力系数的计算为基础,再计入加厚板的加强效应,便可导出有围壁加厚板组合加强的圆形切几的应力系数的简化计算方法。通常,应力最高区域一般在孔洞、转折、几何突变处,而其他部位应力较小,为充分利用材料的翅性,允许这些部位部分进入屈服。因此这些部位可以运用塑性理论进行应力分析。

  (3)全面的单工况及组合工况计算。如上述热风炉在施工和生产过程中,需要抵抗多种荷载的作用。用传统的计算方法几乎没有办法考虑温度对结构的影响,也很难详细地考虑风、地震等倚载对内力影响。通过对各种单荷载工况及各种组合工况进行计算分析,可以全面、详细地了解各种荷载的作用。

  (4)有限无模型的简化。用于计算的有限元模型必须对实际结构作可行性简化,它包括结构形式、构件间的连接以及位移边界条件和力边界条件的简化。

  具体来说,用炉壳内表面代替炉壳建立有限元模型,单元采HJ弹性壳单元,能同时考虑中面力和弯曲力,每个节点有6个自由度,即3个线位移和3个角位移,对结构进行有限元网格划分时按程序提供的默认值进行网格划分。

  在以上壳体理论和开孔加固理论的指导下,就可以建立热风炉炉壳有限元分析的合适模型。首先,对单工况按荷载作用的部位及方向进行加载,求解各相应单工况的结果;然后,对各个单工况进行荷载组合得到组合结果,输出炉壳各种云图以供分析使用,并可以得到孔洞处板带的应力影响范围及方向,为孔洞处设计加厚板的方向及范围提供依据。某工程1 800m3高炉的热风炉炉壳计算结果如图l所示。

  

 

  2.2 有限元分析软件

  近年来对于热风炉工程我们一直在运用有限元进行辅助分析计算,在对本公司多年来积累的热风炉炉壳设计经验与成果进行收集、分类、整理的基础上,总结出内燃式、顶燃式及外燃式热风炉炉壳的设计参数,以及荷载状况,在有限元程序ANSYS平台上编制出《热风炉炉壳有限元分析软件》。为了保持软件的先进性,选择Visual Basic 2008语言作为编程语言。计算本体借助有限元软件ANSYS,力求计算结果的精确性。本软件是在ANSYS平台上开发的ANSYS前后处理软件。目的是在热风炉炉壳有限元分析软件中实施炉壳计算参数的输入,生成ANSYS的命令文件,再导入ANSYS进行求解。这样简化了计算过程,并力求计算结果的精确性。

  本软件涵盖的热风炉炉型包括内燃式、顶燃式与外燃式。针对某一炉型热风炉如内燃式,可以进行不同高炉容积的热风炉计算,只需在进行计算前根据工艺资料整理出炉身尺寸、孔洞数据、内压数据,另外根据荷载规范的风荷载数据(基本风压、风载体型系数)、地震荷载数据(地震烈度、地震分组、场地类别、地震基本加速度)等,以及材料参数(温度、泊松比)。以上数据组织整理好后,直接进入计算界面输入数据就可以进行计算。其计算速度快,调整计算也可很快实现,大大提高效率。

  3 结语

  经过多年生产实践,对生产后热风炉炉壳随内衬膨胀而上涨、拱顶晶间应力腐蚀,以及在高温、高压差重复作用的工作状态等方面,认识逐步加深。从而在设汁、构造处理以及采取相应措施等方面,逐步加以改进,以满足现代冶炼技术对热风炉的高风温、高压、长寿、节能、环保的要求。

热风炉炉壳为受力状况极为复杂的空间薄壳结构,运用有限元技术来分析热风炉炉壳,较以往的KD经验公式设计方法是很大进步。通过编制的热风炉炉壳有限元分析软件来分析、设计热风炉炉壳是又一进步。通过这些先进的技术手段,使我们对热风炉炉壳的应力分布有了更全面的、更深人的了解和认识,使我们财热风炉设计更有把握,既可以进行精心化设计,又可以进行优化设计,还可以提高设计效率。如某工程1800m3高炉的热风炉炉壳,烟道管开孔处的板厚优化后比常规减少约6mm,应力为227.1 MPa,以现在的《规范》讨论稿来看仍较低,应该还有优化的余地。该工程于2005年投产,并很快达到设计要求。通过监测,投产至今,热风炉炉壳未发现异常状况,是安全可靠的。

  当然,由于热风炉工作状况的复杂性,既使运用了有限元技术对热风炉炉壳进行分析计算,其结果也不能完全反映炉壳的受力状况,更不能反映介质等工作状况的影响。因此,一座优秀的热风炉设计,既是以先进技术为后盾的成果,更是以优秀设计师不断提升的经验为保障的成果。

  4 参考文献

  [1] 中国冶金设备公司编著.现代人型高炉设备及制造技术[M].北京:冶金工业出版社.1996.

  [2] 宁平.关于高炉系统结构设计[M].2003.

[整理编辑:中国测控网]
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