基于ANSYS的250 t轉(zhuǎn)爐溫度場(chǎng)有限元仿真分析

嚴(yán)愛(ài)軍

(武漢鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,湖北武漢,430083)

轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一,在工作過(guò)程中不但受到爐體自重、爐液自重及傾動(dòng)力矩等機(jī)械載荷的作用,還要受到來(lái)自爐內(nèi)高溫爐液熱傳導(dǎo)而引起的熱負(fù)荷的作用,且熱負(fù)荷引起的熱應(yīng)力水平遠(yuǎn)比機(jī)械應(yīng)力水平高。轉(zhuǎn)爐溫度場(chǎng)是熱應(yīng)力求解的基礎(chǔ),要完成轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的強(qiáng)度分析,必須首先獲得轉(zhuǎn)爐的溫度分布情況。由于計(jì)算時(shí)所涉及材料物性參數(shù)值與溫度相關(guān),加之結(jié)構(gòu)形狀和求解邊界條件的復(fù)雜性,采用解析方法確定轉(zhuǎn)爐的溫度場(chǎng)十分困難。本文以武漢鋼鐵股份有限公司煉鋼總廠250 t轉(zhuǎn)爐為對(duì)象,應(yīng)用有限元技術(shù),對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

1 轉(zhuǎn)爐的結(jié)構(gòu)

圖1為250 t轉(zhuǎn)爐的幾何模型。該轉(zhuǎn)爐主要由爐體(含爐殼、爐襯)、托圈以及聯(lián)結(jié)裝置、懸掛傾動(dòng)裝置組成。整個(gè)爐殼由鋼板焊接而成,尺寸較大,高度達(dá)10.87 m,外殼直徑為8.52 m。爐殼從結(jié)構(gòu)上可分為爐口、上錐段、爐身、下錐段和爐底,其中上錐段布置有水冷系統(tǒng)。爐襯分為工作層和永久層,在結(jié)構(gòu)的不同位置其厚度有所不同。整個(gè)爐體結(jié)構(gòu)近似為一個(gè)以中心線為軸線的回轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

托圈采用箱形焊接斷面整體式構(gòu)造,整體呈圓形,在托圈內(nèi)部布置有不同形狀的立式筋板以增強(qiáng)托圈的剛性。為了降低爐體熱輻射對(duì)托圈的影響,托圈內(nèi)部采用冷卻水強(qiáng)制對(duì)流換熱以降低托圈的溫度,考慮到檢修的方便,在托圈外腹板上不同部位開(kāi)有圓形和橢圓形檢修孔。

爐體和托圈間的聯(lián)結(jié)采用柔性螺栓式爐體聯(lián)結(jié)裝置。該爐體聯(lián)結(jié)裝置由20束柔性螺栓組成,每束柔性螺栓由210～312根直徑為7 mm的鋼筋構(gòu)成。

圖1 250 t轉(zhuǎn)爐幾何模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Geometric model of the 250 t converter

2 模型的建立

2.1 有限元模型

為了對(duì)轉(zhuǎn)爐溫度場(chǎng)進(jìn)行研究,以轉(zhuǎn)爐整體(含爐體、托圈、爐體聯(lián)結(jié)裝置等)為研究對(duì)象,建立轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分析模型。建模時(shí),按照各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸選擇合適的單元類型,并根據(jù)材料的不同,分別賦予相應(yīng)的材料屬性。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的溫度場(chǎng)ANSYS分析模型如圖2所示。

2.2 傳熱數(shù)學(xué)模型

除出鋼時(shí)爐體因受到鋼水罐內(nèi)鋼液的熱輻射作用導(dǎo)致溫度有所升高外,在其他煉鋼階段,轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的溫度變化不大,其傳熱過(guò)程可以看作穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程,滿足如下導(dǎo)熱微分方程:

式中:x,y,z為系統(tǒng)的坐標(biāo),m;T為溫度函數(shù),K;t為時(shí)間,s;k為材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ρ為材料的密度,kg/m3;Cp為材料的比熱容,J/(kg·K)。

圖2 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)有限元模型Fig.2 FEA model of the converter system

求解上述導(dǎo)熱微分方程應(yīng)滿足以下3類邊界條件[1]:

第一類邊界條件:

第二類邊界條件:

第三類邊界條件:

式中:Γ為物體邊界;t(x,y)為已知溫度函數(shù),K;q(x,y,t)為熱流密度函數(shù),W/m2;Tf為流體介質(zhì)的溫度,K;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)。

2.3 邊界條件的確定

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的熱邊界條件有兩種,爐襯內(nèi)壁按第一類邊界條件處理,與爐液接觸的內(nèi)襯壁面溫度取為1 720℃,其他部分爐襯的內(nèi)壁溫度取為1 600℃。轉(zhuǎn)爐表面與外界的換熱主要是對(duì)流傳熱和輻射傳熱。

根據(jù)傳熱學(xué)理論,轉(zhuǎn)爐表面與周?chē)橘|(zhì)的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按下式[2]計(jì)算:

式中:hc為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(又稱對(duì)流換熱系數(shù)),W/(m2·K);Nu為努塞爾(Nusselt)數(shù);L為特征長(zhǎng)度,m。

轉(zhuǎn)爐表面與周?chē)橘|(zhì)除了進(jìn)行對(duì)流傳熱外,還存在輻射傳熱。為計(jì)算方便起見(jiàn),工程上通常將輻射傳熱折算成表面?zhèn)鳠徇M(jìn)行計(jì)算,即

式中:hr為輻射傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K),ε1為黑度;σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù),W/(m2·K4),σ=5.67×10-8W/(m2·K4);T1、T2分別為轉(zhuǎn)爐和介質(zhì)的表面溫度,K。

因此,復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為

按照上述理論,對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)各部位的復(fù)合傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行計(jì)算,并將其作為第三類邊界條件(見(jiàn)表1)施加到相應(yīng)的表面上。

表1 部分表面?zhèn)鳠徇吔鐥l件Table 1 Transfer boundary condition of parts surface

2.4 材料物性參數(shù)

轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要由3種材料構(gòu)成:鎂碳磚(爐襯工作層)、鎂磚(爐襯永久層)和鋼(爐殼、托圈等)。這3種材料常溫下的體積密度分別為7 800、2 900、2 700 kg/m3。在溫度場(chǎng)分析過(guò)程中,材料的物性參數(shù)是隨溫度而變化的。轉(zhuǎn)爐溫度場(chǎng)仿真分析時(shí)采用的物性參數(shù)[3-5]如表2所示。

表2 不同溫度下材料的物性參數(shù)Table 2 Parameters of thermal physical property of materials

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

圖3所示為轉(zhuǎn)爐除爐襯外的金屬部分的溫度場(chǎng)分布云圖。由圖3中可知,轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)金屬部分的最高溫度為352℃,位于爐殼內(nèi)部與爐襯貼合處。圖4所示為爐體(含爐襯工作層、爐襯永久層和爐殼)的溫度場(chǎng)分布云圖。由圖4中可知,轉(zhuǎn)爐爐體的溫度分布范圍為857～1 720℃,且由爐內(nèi)至爐外溫度急速下降。

圖3 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)金屬部分的溫度場(chǎng)Fig.3 Tem perature field distribution of the metal in converter

圖4 轉(zhuǎn)爐爐體溫度場(chǎng)分布云圖Fig.4 Temperature field distribution of furnace lining

表3列出了爐體不同部位的溫度。從表3中可見(jiàn),鎂碳磚構(gòu)成的工作層沿徑向方向的溫度下降速率比由鎂磚構(gòu)成的永久層的溫度下降速率小。而由于存在水冷強(qiáng)制冷卻,爐體上錐段部分工作層的溫度梯度比爐身、爐體下錐段及爐底等部位工作層的溫度梯度要大。

表3 爐體不同部位的溫度Table 3 Temperature in different parts of convector

金屬爐殼的溫度分布圖如圖5所示。從圖5中可以看出,與托圈相對(duì)的部分的爐殼溫度最高,其外表面的最高溫度為335℃,與之對(duì)應(yīng)的爐殼內(nèi)表面的溫度為352℃。爐殼的材料為WStE 355,其蠕變溫度為400℃。由仿真結(jié)果可知,工作時(shí)爐殼的最高溫度低于其材料的蠕變溫度。爐殼上錐段由于有強(qiáng)制水冷,其溫度最低,約為91℃;爐殼下錐段和爐底由于自然對(duì)流的條件好,以及永久層厚度較厚,故溫度比其他部位低,為115～140℃。

圖5 轉(zhuǎn)爐爐殼的溫度場(chǎng)分布云圖Fig.5 Temperature field distribution of the shell

托圈的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6中可知,由于爐殼的熱輻射作用,托圈內(nèi)腹板的溫度比托圈其他部位的溫度高,內(nèi)腹板的最高溫度為127℃,托圈其他各部位溫度并不高。

圖6 托圈溫度場(chǎng)分布云圖Fig.6 Distribution of temperature field in supporting ring

柔性螺栓的溫度分布情況如圖7所示,柔性螺栓溫度分布于62～223℃之間,其中,8束垂直柔性螺栓的溫度變化范圍為84～120℃,下水平柔性螺栓的溫度變化范圍為62～108℃,上水平柔性螺栓的溫度變化范圍為84～223℃。

根據(jù)轉(zhuǎn)爐的安裝與維護(hù)手冊(cè),每束柔性螺栓在安裝時(shí)或爐役檢修時(shí)均要使用專用的液壓張拉器張拉,以使其產(chǎn)生一定的預(yù)緊力,而轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中柔性螺栓溫度升高會(huì)使柔性螺栓膨脹,從而使預(yù)緊力松弛,因此,掌握柔性螺栓的溫度分布可以更合理地確定柔性螺栓的預(yù)緊力。

圖7 柔性螺栓溫度場(chǎng)分布云圖Fig.7 Temperature field distribution of flexible bolts

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的比較

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果,在煉鋼過(guò)程中采用紅外點(diǎn)溫槍對(duì)轉(zhuǎn)爐金屬爐殼的溫度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并將實(shí)測(cè)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。從表4可以看出,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差基本上在5%以內(nèi),表明采用ANSYS模擬整個(gè)轉(zhuǎn)爐溫度場(chǎng)的結(jié)果是正確和有效的。

表4 爐殼實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算值對(duì)比Table 4 Comparison between the temperatures of computed and measured values

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