引言

鋼鐵是工業(yè)建筑必不可少的原材料之一,鋼鐵材料在工業(yè)建筑中被大量使用。冶煉鋼鐵是鋼鐵行業(yè)的核心技術,目前大規(guī)模煉鋼最普遍的方法就是轉爐煉鋼法,轉爐煉鋼具有安裝費用低、生產(chǎn)速度快、品種多、質量好等優(yōu)點。托圈作為轉爐系統(tǒng)中的重要部件,在轉爐系統(tǒng)運行中起著承載和傳動的作用。目前已有許多學者對轉爐托圈進行研究分析,但大多數(shù)研究都側重于機械應力對托圈的作用,在轉爐實際煉鋼工作中,高溫帶來的熱應力作用對托圈的受力變形是不能忽略的,而這一部分的研究相對來說較少。轉爐托圈長期處于高溫粉塵環(huán)境下,在復雜的工作環(huán)境中長期使用可能造成托圈出現(xiàn)疲勞裂紋,如果沒有及時發(fā)現(xiàn)和采取相應防護措施容易造成事故,帶來難以估計的經(jīng)濟損失和極大的社會負面影響,因此對轉爐托圈進行熱應力分析在工程建設中具有重要意義。

本文主要利用ANSYS軟件建立了托圈的三維有限元模型,分析了高溫工作環(huán)境下托圈的熱應力變形,并給出了一定的優(yōu)化處理措施,對工業(yè)建筑建設具有一定的借鑒意義。

1轉爐托圈熱傳導過程分析

根據(jù)熱力學第二定律,當出現(xiàn)溫度差時,熱量會自發(fā)從熱量高的物體向熱量低的物體轉移。根據(jù)熱量傳遞的不同工作機理,主要將熱量傳遞分為三種方式:熱傳導、熱對流以及熱輻射。在轉爐托圈工作中,熱量主要以熱傳導的方式進行傳遞,因此,本文主要對托圈熱傳導過程進行闡述和歸納總結。

描述溫度場一般性規(guī)律的微分方程式被稱為導熱微分方程式,即:

式中:β為物體的密度(kg/m3):c為物體的比熱容:小為物體的內熱源強度。

為了使導熱微分方程式具有唯一解,需要給出方程的定解條件,不同的物件具有不同的導熱條件,四類主要定解條件如下:

(1)幾何條件。

在熱傳導過程中,物體的幾何形狀、尺寸大小等都會對溫度場產(chǎn)生影響,在ANSYS有限元分析中,建立轉爐托圈的三維有限元模型就是確定其幾何條件。

(2)物理條件。

根據(jù)托圈工程材料的不同,其熱傳導性能也會存在差異,在ANSYS有限元分析中,通過定義托圈的材料彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等參數(shù)來確定其物理條件。

(3)時間條件。

根據(jù)隨著時間的變化溫度是否發(fā)生改變可以將導熱過程分為穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱。對于非穩(wěn)態(tài)導熱過程,需要給出初始時物體溫度的分布規(guī)律:

當初始物體溫度均勻分布時,tci=0=t0=常數(shù)。

(4)邊界條件。

熱邊界條件反映了導熱物體邊界上的熱狀態(tài)以及與周圍環(huán)境之間的相互作用,歸納總結主要有如下三種熱邊界條件:

1)第一類邊界條件:明確表明導熱物體表面的溫度。關系式為:

邊界上的溫度為恒定值,即tw的數(shù)值不變。

2)第二類邊界條件:指明熱流率在物體邊界表面的分布情況。關系式為:

3)第三類邊界條件:給出了物體在邊界上與和它直接接觸的流體之間的換熱狀況。如爐體在爐溫等于常數(shù)的爐內加熱,熱交換以輻射方式進行,關系式為:

在轉爐實際運行過程中,爐體與托圈的熱傳導過程是相對復雜的,其時間條件和邊界條件都是幾種形式并存且共同作用的。本文主要對高溫條件下轉爐托圈的熱應力變形進行分析研究,為了將實測得到的溫度場比較準確地施加到有限元模型上,考慮爐體與托圈之間為接觸傳熱,進行求解時確定邊界條件為第一類邊界條件以及時間條件為穩(wěn)態(tài)導熱。

2建立有限元模型

本文以某工廠生產(chǎn)的120t轉爐托圈參數(shù)進行三維建模,如圖1所示。

圖1有限元模型

建模過程中使用的托圈材料參數(shù)均參照廠家規(guī)范標準,其中,鋼材料密度為7850kg·m-3,泊松比為0.3,彈性模量為2x105MPa,線膨脹系數(shù)為3.5×10-6/℃:內環(huán)r0=4.3m,外環(huán)r1=5.1m,h=2.5m。上面經(jīng)過分析已經(jīng)確定托圈熱傳導的時間條件與邊界條件,因此,通過測量托圈在0、90o、180o、270o四個橫截面處的溫度,按照線性插值的方式即可計算托圈各點的溫度值,溫度節(jié)點示意圖如圖2所示。

圖2溫度節(jié)點示意圖

本文中托圈溫度分布如表1所示。

3結果與分析

通過建立托圈模型并在托圈外部施加溫度場對轉爐工作中托圈部件進行熱應力分析,托圈整體熱應力云圖如圖3所示,托圈整體變形如圖4所示。

圖3托圈整體熱應力云圖

由圖3可以看出,在高溫環(huán)境中,托圈在溫度荷載作用下,應力分布在內環(huán)與外環(huán)變化都較為均勻,最大應力值為202.91MPa,最大應力位于耳軸處:由圖4可以看出,托圈最大變形約為35.4mm。高溫作用下托圈受力與變形最嚴重的部分都位于托圈軸端耳軸處。當溫度持續(xù)增加,轉爐長期工作時,托圈在熱應力作用下端部與爐體部件連接處容易發(fā)生變形甚至斷裂損壞,導致爐體無法被托圈固定支撐而發(fā)生側翻或塌落,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

圖4托圈整體變形圖

為了使轉爐能夠安全工作,可以適當對轉爐進行優(yōu)化設計。本文主要通過調整外環(huán)半徑分析托圈材料的厚度對托圈受力與變形的影響,結果如表2所示。

由表2可以看出,當托圈厚度增大時,轉爐在工作中,托圈受到的最大熱應力值降低,且隨著厚度的均勻增大,最大熱應力降低的幅度逐漸降低:托圈的最大變形減小,且隨著厚度的均勻增大,最大變形值降低的幅度逐漸降低。因此,在實際工程中,可以通過適當增加托圈的厚度來保證轉爐工作的安全性,并且從數(shù)據(jù)結果可以看出,一味增加厚度也不可取,應選擇合理的厚度實現(xiàn)最大的安全效應和經(jīng)濟效應。

4結語

本文通過ANSYS軟件建立了轉爐托圈的三維有限元模型,考慮轉爐工作中爐體部件與托圈之間的熱傳導方式,通過線性插值的方式將溫度場施加到有限元模型上,對高溫工作環(huán)境中的托圈進行了熱應力分析。通過有限元分析可以得到托圈的最大應力與最大變形位于托圈軸端耳軸處,高溫容易導致托圈變形與爐體連接部件脫落。為了提高轉爐工作的安全性,通過調整外環(huán)半徑分析了托圈材料的厚度對托圈受力與變形的影響,為了保證安全性和經(jīng)濟性,可以適當優(yōu)化托圈內外半徑,從而在一定程度上降低托圈的熱應力變形影響,保證工程建設的正常進行。