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寶鋼300噸轉爐的有限元強度FEA分析

發(fā)布于:2024-03-04 19:48
FEA分析

      寶鋼從日本新日鐵引進(jìn)的三座300噸氧氣頂吹轉爐巳先后投入生產(chǎn)。為了提高我國轉爐煉鋼的生產(chǎn)效益,現準備將其改造成頂底復合吹煉轉爐。根據工藝的要求,需在轉爐爐底開(kāi)若干個(gè)直徑為小500(mm)的孔,以安裝一套底部供氣系統及滿(mǎn)足底部透氣磚的自由折裝的需要。
      顯然,爐底開(kāi)孔以后,會(huì )使原來(lái)的爐底應力場(chǎng)發(fā)生變化,產(chǎn)生厲害的應力集中。只有了解清楚爐底開(kāi)孔后應力場(chǎng)的情況,才能為轉爐開(kāi)孔的設計及補強措施提供科學(xué)的依據。
      此外,對這樣大型的300噸轉爐進(jìn)行強度分析,也具有很大的經(jīng)濟價(jià)值。目前國內對之進(jìn)行有限元分析,本文尚屬首次。本文的分析結果為國內冶金部門(mén)自己設計、制造大型轉爐作了強度FEA分析的準備。
      本文采用二次分析方法對300噸轉爐進(jìn)行有限元分析,即先利用轉爐是回轉對稱(chēng)結構的特性,采用回轉體單元對其進(jìn)行整體分析,然后再利用它的計算結果,把爐底開(kāi)孔部分單獨取出來(lái),進(jìn)行三維實(shí)體分析,這樣既能保證計算精度,又不使計算規模很大,易于在微型計算機上實(shí)現。轉爐的爐體剖面圖內側是爐襯工作層,中間是永久層,外側由鋼殼組成。其妒殼特點(diǎn)是爐帽、爐身、11500(mm),爐底球面半徑為對稱(chēng)體。爐底為整體型。7000(mm)爐殼內徑為小8500(mm),爐身全高為H整個(gè)爐殼結構可以看作以中心線(xiàn)為軸的回轉。
      轉爐爐殼的結構和載荷是軸對稱(chēng)的,故用回轉對稱(chēng)單元將支承筋板與爐殼一起進(jìn)行應力分析,對其整體用粗網(wǎng)格單元分析,局部地方用精細網(wǎng)格分析。
      在強度計算時(shí)將載荷分為部分:
      (1)爐殼機械載荷:由爐殼、爐襯、鋼液和渣液的重量等組成。并認為爐襯的重量只均勻地作用在爐底上。鋼水和渣液對爐底球殼作用的靜壓力也假設是均勻的,其值P=H/Y,H液面高度,比重。
      (2)爐殼溫度梯度:轉爐長(cháng)期在高溫下工作,由于爐殼結構特點(diǎn)、磚襯厚度變化及導熱系數不均等因素,使爐殼各部分熱傳導差別較大,從而導致(tīng)t殼沿軸向和徑向產(chǎn)生溫度梯度,形成很大的溫度應力。因此,在對轉爐爐體的溫度場(chǎng)分析的基礎上,我們對爐殼還進(jìn)行了溫度應力的計算。
      (3)爐襯熱膨脹壓力:從爐體結構可知爐體內側是較厚的耐火磚,其外側是鋼殼,轉爐在高溫下工作,爐壁內外溫差較大,不同t時(shí)刻轉爐沿壁厚方向的溫度分布曲線(xiàn)。由于爐襯的平均溫度遠大于鋼殼的平均溫度,它們的熱膨脹系數也不相同,因而爐襯的熱膨脹要比爐殼大得多,其結果是爐殼受到爐襯的內壓力。根據對寶鋼300噸轉爐的瞬態(tài)與穩態(tài)的溫度場(chǎng)分析,可計算得到爐體各部分的熱膨脹壓力。
      (4)爐殼的工況分析:寶鋼300噸轉爐爐殼在作業(yè)過(guò)程中,承受了機械載荷、溫度梯度和熱膨脹壓力的同時(shí)作用,由于工況變化頻繁、爐體溫度不斷地在發(fā)生變化,這三者產(chǎn)生的綜合應力是時(shí)間才的函數。顯然,要反映爐殼的真實(shí)應力,為設丁計認員提供可靠的依據,應選擇一個(gè)三種應力之和為最大值的工況,計算其綜合應力。依據文獻進(jìn)行計算表明,在煉鋼第37小時(shí)時(shí)候,其溫度應力和熱膨脹應力都較大,因而就以該時(shí)刻下的綜合應力來(lái)分析爐底開(kāi)孔后的應力場(chǎng)變化。
      頂吹轉爐改為頂底復合吹煉轉爐,須在爐底開(kāi)孔以安裝透氣元件。根據工藝的要求在爐底有二種開(kāi)孔方案,需分別分析其強度情況。
      由于開(kāi)孔后的爐殼巳不再是回轉對稱(chēng)結構,所以,我們把開(kāi)孔的爐底單獨取出來(lái),用三維八節點(diǎn)塊單元對之進(jìn)行空間實(shí)體應力分析,在遠離開(kāi)孔的切出邊界處,加入整體分析得到的指定位移。又利用其結構和載荷的對稱(chēng)性,分別取八分之一和四分之一進(jìn)行有限元分析。兩種開(kāi)孔方案在微型計算機上。


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