转炉热力学行为的有限元分析
孟超平，曹〓慧
(内蒙古机电职业技术学院机电工程系，内蒙古 呼和浩特〓010070)
为了获得炉体的热弹塑性综合应力分布及变化规律和合适的转炉内衬热膨胀缝隙，应用ANSYS软件，以某钢厂实际运行转炉为实体模型，开展转炉热力学行为的分析，具体包括转炉温度场的有限元模拟、弹塑性热应力行为的研究，以及膨胀间隙对转炉热应力影响的分析。结果显示：炉体的热弹塑性综合应力分布及变化规律中，热膨胀应力在总的等效应力中居统治地位，并且总的等效应力已超出了炉壳的屈服极限；通过接触应力分析得出了合适的转炉内衬热膨胀缝隙是径向膨胀间隙在0.8%左右，此时材料的最大等效应力控制在弹性范围内，该结果与国外学者研究结果相一致，因此研究结果对现场实际生产及炉壳冷却技术的开发、炉壳使用寿命的延长、炉衬砖使用时间的增加等有一定的借鉴意义。
20世纪80年代以来，具有高度热传导性和热膨胀性的镁碳耐火材料在转炉上广泛使用，提高了钢的品质，延长了炉龄，但同时也带来了较高的炉壳温度，并产生了炉壳和炉衬热应力。如果这种热应力超过了材料的屈服极限，那么材料的变形会加剧甚至损坏、破裂，严重威胁到设备和生产安全。本文利用有限元分析方法来研究某钢厂实际运行转炉的热力学行为，具体包括转炉温度场的有限元模拟、弹塑性热应力行为的研究，以及膨胀间隙对转炉热应力影响的分析。
1〓转炉温度场的有限元模拟〖HT5SS〗〖STBZ〗
首先根据某钢厂实际转炉，建立几何模型，以有限元为手段，模拟在空气自然对流和热辐射条件下转炉炉体温度场分布。
1.1〓温度场分析物性参数及边界条件的设置
1.1.1〓温度场计算时物性参数的选择
温度场计算时涉及到的物性参数包括材料密度、材料比热和材料沿不同方向的热传导系数［1-2］。
1）材料密度的选取。
在进行温度场计算时，材料密度参数一般选用体积密度，且不考虑密度随温度的变化。其中炉壳材料的密度为7.85×103kg/m3，永久层材料的密度为2.45×103kg/m3，工作层材料的密度为2.91×103kg/m3。
2）材料热传导系数的选取。
热传导性会影响整个内衬的温度分布，从而影响炉壳温度。在计算转炉温度场时，定义材料热性能参数是根据有关文献确定，炉壳耐火材料的导热系数λ按实际情况随温度变化进行设置［3］。
1.1.2〓温度场计算边界条件的设置
该转炉属于整体焊接结构。炉衬耐火材料大体分为工作层和永久层。工作层炉衬为镁碳砖，永久层为镁砖，紧贴炉壳，用以保护炉壳钢板。转炉在现场运行过程中，工作层内壁与钢水直接接触，在正常冶炼过程中温度会有所波动，但对两层耐火材料及炉壳温度分布的影响可忽略不计［4］。计算温度场时边界条件取值如图1所示。
1.2〓单元类型的选择及有限元模型的建立
分析转炉炉体的温度场时，按照整体结构进行分析。选择PLANE55, 用于对二维热传导问题进行建模［5］。
1.3〓炉体温度场模拟结果
为更直观地了解炉壳内外表面的温度分布情况，重新设置坐标系，以温度轴作为纵坐标，起始点
作者简介 ：〖HTSS〗孟超平（1982—），女，内蒙古兴和人，内蒙古机电职业技术学院讲师，硕士，主要研究方向为热力学分析。
（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）
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