基于ANSYS的工業(yè)建筑中轉(zhuǎn)爐托圈熱應(yīng)力分析

羅 霞 熊 燕 許科軍 陳中杰 陳英亮

（1.四川裕洪建筑安裝有限責(zé)任公司，四川 達(dá)州 635000；2.達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 達(dá)州 635001；3.中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司，北京 100018；4.大竹縣職業(yè)中學(xué)，四川 達(dá)州 635000）

0 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(shù)，目前大規(guī)模煉鋼最普遍的方法就是轉(zhuǎn)爐煉鋼法，轉(zhuǎn)爐煉鋼具有安裝費(fèi)用低、生產(chǎn)速度快、品種多、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。托圈作為轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中的重要部件，在轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)運(yùn)行中起著承載和傳動(dòng)的作用。目前已有許多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)爐托圈進(jìn)行研究分析，但大多數(shù)研究都側(cè)重于機(jī)械應(yīng)力對(duì)托圈的作用，在轉(zhuǎn)爐實(shí)際煉鋼工作中，高溫帶來的熱應(yīng)力作用對(duì)托圈的受力變形是不能忽略的，而這一部分的研究相對(duì)來說較少。轉(zhuǎn)爐托圈長(zhǎng)期處于高溫粉塵環(huán)境下，在復(fù)雜的工作環(huán)境中長(zhǎng)期使用可能造成托圈出現(xiàn)疲勞裂紋，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)防護(hù)措施容易造成事故，帶來難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失和極大的社會(huì)負(fù)面影響，因此對(duì)轉(zhuǎn)爐托圈進(jìn)行熱應(yīng)力分析在工程建設(shè)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(yīng)力變形，并給出了一定的優(yōu)化處理措施，對(duì)工業(yè)建筑建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1 轉(zhuǎn)爐托圈熱傳導(dǎo)過程分析

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)出現(xiàn)溫度差時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)從熱量高的物體向熱量低的物體轉(zhuǎn)移。根據(jù)熱量傳遞的不同工作機(jī)理，主要將熱量傳遞分為三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射。在轉(zhuǎn)爐托圈工作中，熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞，因此，本文主要對(duì)托圈熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行闡述和歸納總結(jié)。

描述溫度場(chǎng)一般性規(guī)律的微分方程式被稱為導(dǎo)熱微分方程式，即：

式中：ρ為物體的密度（kg/m）；c為物體的比熱容；?為物體的內(nèi)熱源強(qiáng)度。

為了使導(dǎo)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(dǎo)熱條件，四類主要定解條件如下：

（1）幾何條件。

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

（2）物理?xiàng)l件。

根據(jù)托圈工程材料的不同，其熱傳導(dǎo)性能也會(huì)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?xiàng)l件。

（3）時(shí)間條件。

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

當(dāng)初始物體溫度均勻分布時(shí)，t|=t=常數(shù)。

（4）邊界條件。

熱邊界條件反映了導(dǎo)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(jié)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(dǎo)熱物體表面的溫度。關(guān)系式為：

邊界上的溫度為恒定值，即t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(guān)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(nèi)加熱，熱交換以輻射方式進(jìn)行，關(guān)系式為：

在轉(zhuǎn)爐實(shí)際運(yùn)行過程中，爐體與托圈的熱傳導(dǎo)過程是相對(duì)復(fù)雜的，其時(shí)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(duì)高溫條件下轉(zhuǎn)爐托圈的熱應(yīng)力變形進(jìn)行分析研究，為了將實(shí)測(cè)得到的溫度場(chǎng)比較準(zhǔn)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(jìn)行求解時(shí)確定邊界條件為第一類邊界條件以及時(shí)間條件為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

2 建立有限元模型

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

建模過程中使用的托圈材料參數(shù)均參照廠家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其中，鋼材料密度為7850 kg·m，泊松比為0.3，彈性模量為2×10MPa，線膨脹系數(shù)為3.5×10/℃；內(nèi)環(huán)r=4.3 m，外環(huán)r=5.1 m，h=2.5 m。上面經(jīng)過分析已經(jīng)確定托圈熱傳導(dǎo)的時(shí)間條件與邊界條件，因此，通過測(cè)量托圈在0、90°、180°、270°四個(gè)橫截面處的溫度，按照線性插值的方式即可計(jì)算托圈各點(diǎn)的溫度值，溫度節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

本文中托圈溫度分布如表1所示。

3 結(jié)果與分析

通過建立托圈模型并在托圈外部施加溫度場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)爐工作中托圈部件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，托圈整體熱應(yīng)力云圖如圖3所示，托圈整體變形如圖4所示。

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(yīng)力分布在內(nèi)環(huán)與外環(huán)變化都較為均勻，最大應(yīng)力值為202.91 MPa，最大應(yīng)力位于耳軸處；由圖4可以看出，托圈最大變形約為35.4 mm。高溫作用下托圈受力與變形最嚴(yán)重的部分都位于托圈軸端耳軸處。當(dāng)溫度持續(xù)增加，轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)期工作時(shí)，托圈在熱應(yīng)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(dǎo)致爐體無法被托圈固定支撐而發(fā)生側(cè)翻或塌落，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

為了使轉(zhuǎn)爐能夠安全工作，可以適當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文主要通過調(diào)整外環(huán)半徑分析托圈材料的厚度對(duì)托圈受力與變形的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)托圈厚度增大時(shí)，轉(zhuǎn)爐在工作中，托圈受到的最大熱應(yīng)力值降低，且隨著厚度的均勻增大，最大熱應(yīng)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(shí)際工程中，可以通過適當(dāng)增加托圈的厚度來保證轉(zhuǎn)爐工作的安全性，并且從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，一味增加厚度也不可取，應(yīng)選擇合理的厚度實(shí)現(xiàn)最大的安全效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

4 結(jié)語

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