基于ANSYS Workbench的干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道靜態(tài)側(cè)壓力分析

魏春滿，馬銀華，紀(jì)博文，尹德剛

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

干熄焦?fàn)t從上而下結(jié)構(gòu)依次為預(yù)存室、環(huán)形風(fēng)道、斜道區(qū)、冷卻室。環(huán)形風(fēng)道的出口與一次除塵器連接，下部與斜道區(qū)相連。環(huán)形風(fēng)道主要用于存儲(chǔ)焦炭和再煉焦。存儲(chǔ)在預(yù)存段上部的焦炭（1 000℃左右）逐步下落到冷卻段中進(jìn)行冷卻［1］。預(yù)存段能夠給鍋爐提供連續(xù)的熱源，穩(wěn)定鍋爐入口溫度，從而保證鍋爐蒸發(fā)和蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定；同時(shí)，預(yù)存段存貯的焦炭還能保證焦炭溫度均勻，使部分由于干餾不足的焦炭在預(yù)存室內(nèi)進(jìn)行再煉焦（燜爐），消除焦炭的不均勻性，達(dá)到改善焦炭質(zhì)量的目的［2］。環(huán)形風(fēng)道坍塌對(duì)干熄焦生產(chǎn)影響極大，必須停產(chǎn)才能進(jìn)行處理。

為了提高環(huán)形風(fēng)道強(qiáng)度，延長(zhǎng)環(huán)形風(fēng)道使用壽命，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉焦部（以下簡(jiǎn)稱鲅魚圈）建立了鲅魚圈1#160 t/h干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道及整體結(jié)構(gòu)模型，并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)環(huán)形風(fēng)道受到的焦炭堆積側(cè)壓力進(jìn)行了有限元分析，從理論上定量分析了環(huán)形風(fēng)道的受力情況。

1 干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況

鲅魚圈1#160 t/h干熄焦?fàn)t是國內(nèi)首座具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干熄焦?fàn)t，但由于1#干熄焦?fàn)t是引進(jìn)、吸收項(xiàng)目，存在一定問題，自2008年開工運(yùn)行以來，干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道內(nèi)環(huán)墻多次發(fā)生坍塌，給生產(chǎn)造成極大影響。自干熄焦修建以來鲅魚圈1#160 t/h干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況見表1。

表1 鲅魚圈1#160 t/h干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞統(tǒng)計(jì)Table 1 Damaged Statistics of Annular Air Duct of No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

環(huán)形風(fēng)道損壞情況如圖1所示。

圖1 干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況Table 1 Statistics for Damaged Annular Air Ducts to No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

2 干熄焦環(huán)形風(fēng)道受焦炭靜態(tài)側(cè)壓力分析

2.1 ANSYS Workbench軟件應(yīng)用

ANSYS Workbench是有限元分析中面向工程的一種，主要包括三個(gè)分析模塊：前處理模塊，計(jì)算分析模塊和后處理模塊。

（1）前處理模塊就是對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、劃分網(wǎng)格以及定義材料屬性，施加載荷和邊界條件等對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu)的前處理階段。

（2）計(jì)算分析模塊就是對(duì)已經(jīng)進(jìn)行前處理的有限元模型進(jìn)行結(jié)果分析。

（3）后處理模塊主要功能就是顯示計(jì)算分析模塊的結(jié)果。

2.2 建立模型

鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t整體為一個(gè)桶型，焦炭從上部裝入，從下部排出。干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道為圓形,具體內(nèi)部尺寸為高度4 524 mm，直徑7 800 mm。環(huán)形風(fēng)道直墻段由350 mm厚的GAM3053磚砌筑為環(huán)形，砌筑時(shí)由A級(jí)莫來石與火泥結(jié)合，烘爐后達(dá)到結(jié)合強(qiáng)度。在環(huán)形風(fēng)道圓形內(nèi)部存貯焦炭，主要裝的是紅焦，溫度在800～900℃，密度470 kg/m3，內(nèi)摩擦角為35°［4］。生產(chǎn)中，焦炭從下部旋轉(zhuǎn)密封閥定量排出，上部焦炭逐步下落到冷卻區(qū)進(jìn)行冷卻。環(huán)形風(fēng)道下部是牛腿部位，上部連接預(yù)存段。

為方便計(jì)算，同時(shí)表達(dá)出環(huán)形風(fēng)道的整體受力情況，將環(huán)形風(fēng)道及其周邊相互關(guān)系簡(jiǎn)化，干熄焦?fàn)t體模型簡(jiǎn)化圖如圖2所示，環(huán)形風(fēng)道模型簡(jiǎn)化圖如圖3所示。模擬時(shí)將環(huán)形風(fēng)道材料統(tǒng)一為均質(zhì)。

圖2 干熄焦?fàn)t體模型簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified Model Diagram for Furnace Body of Dry Quenching Coke Oven

圖3 環(huán)形風(fēng)道模型簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified Model Diagram for Annular Air Duct

2.3 計(jì)算環(huán)形風(fēng)道焦炭側(cè)壓力

對(duì)環(huán)形風(fēng)道受焦炭靜態(tài)側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，做以下幾個(gè)假設(shè)：

（1）焦炭下落為均勻下落，未發(fā)生偏心下料等情況；

（2）焦炭對(duì)側(cè)面的受壓力為靜態(tài)壓力，不考慮動(dòng)態(tài)卸料情況；

（3）焦炭在環(huán)形風(fēng)道內(nèi)密度等是均勻的，不考慮焦炭差異；

（4）環(huán)形風(fēng)道為圓形，不考慮因工況變化造成環(huán)形風(fēng)道變形等情況。

由于干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道符合筒倉外形，因此,采用筒倉方式進(jìn)行側(cè)壓力計(jì)算。

式中，A為筒倉高徑比；H為干熄焦?fàn)t排焦高度，mm；D為干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道直徑，mm。已知干熄焦?fàn)t自裝焦到排焦高度差為30 250 mm,根據(jù)式（1）計(jì)算得A=3.88，大于1.5，因此按深倉計(jì)算。

焦炭對(duì)環(huán)形風(fēng)道的側(cè)壓力為

式中，P為焦炭對(duì)環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力，kPa;Ch為深倉儲(chǔ)料水平壓力修正系數(shù)，取值1.1；γ為焦炭的重力密度，kN/m3；ρ為凈截面的水力半徑，m；μ為焦炭與倉壁的摩擦系數(shù)；k為側(cè)壓力系數(shù)；s為焦炭頂面距計(jì)算截面的距離，m；φ為焦炭?jī)?nèi)摩擦角，°；e為自然常數(shù)。

2.4 建立載荷面及坐標(biāo)原點(diǎn)

由于焦炭對(duì)環(huán)形風(fēng)道的側(cè)壓力會(huì)隨著裝焦高度的變化而變化，并不是一個(gè)固定數(shù)值，需用公式計(jì)算。將干熄焦環(huán)形風(fēng)道下平面，環(huán)形風(fēng)道與牛腿接觸部位定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，向上方向?yàn)檎较颍磞方向?yàn)檎较?，如圖4所示。將干熄焦環(huán)形風(fēng)道內(nèi)側(cè)面定義為載荷面B，如圖5所示。

結(jié)合式（2）、（3），取向上距離為 s，可得焦炭對(duì)環(huán)形風(fēng)道s處側(cè)壓力值為P=50.407(1-e-0.027 8s)。

2.5 采用ANSYS Workbench計(jì)算結(jié)果

圖4 建立原點(diǎn)Fig.4 Origin Establishment

圖5 建立環(huán)形風(fēng)道載荷面Fig.5 Establishment of Load Surface of Annular Air Duct

ANSYS Workbench軟件簡(jiǎn)化了網(wǎng)格的劃分，由于模型巨大，采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分模式。載荷采用APDL導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，最終形成環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力應(yīng)力云圖和變形云圖，分別如圖6、圖7所示。可以看出，焦炭裝焦高度對(duì)干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力最大值約為0.62 MPa，環(huán)形風(fēng)道受力最大部位在1/3到2/3位置，焦炭裝焦高度對(duì)環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力有一定的影響。因此，為保證干熄焦環(huán)形風(fēng)道使用壽命，應(yīng)對(duì)裝焦高度進(jìn)行調(diào)整。

圖7 環(huán)形風(fēng)道變形云圖Fig.7 Deformation Nephogram for Annular Air Duct

3 采取的措施

基于以上模擬分析結(jié)果，為提高鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道使用壽命，對(duì)干熄焦?fàn)t進(jìn)行了一系列改造，其中一項(xiàng)是對(duì)干熄焦裝焦高度進(jìn)行規(guī)定，將裝焦料位操作范圍降低到伽馬射線以下2 m處，即在環(huán)形風(fēng)道上部約2 m處；同時(shí)，為了將焦炭對(duì)環(huán)形風(fēng)道的影響降到最低，且部分保證預(yù)存段的作用，在兼顧了環(huán)形風(fēng)道壽命和降低料位對(duì)生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合料位降低情況對(duì)部分生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。改造后，鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道沒有再發(fā)生倒塌情況，干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道壽命大幅度提高。

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司1#160 t/h干熄焦?fàn)t開工后多次發(fā)生環(huán)形風(fēng)道坍塌情況，給生產(chǎn)造成極大影響，應(yīng)用ANSYS Workbench進(jìn)行受力分析，得出環(huán)形風(fēng)道受焦炭側(cè)壓力最大值約為0.62 MPa，裝焦高度對(duì)環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力有一定影響。通過采取改造措施，調(diào)整裝焦高度，將裝焦料位操作范圍降低到伽馬射線以下2 m處，即環(huán)形風(fēng)道上部約2 m處，干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道沒有再發(fā)生倒塌情況，有效延長(zhǎng)了干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道的使用壽命。