基于ANSYS的工业建筑中转炉托圈热应力分析

引言

钢铁是工业建筑必不可少的原材料之一,钢铁材料在工业建筑中被大量使用。冶炼钢铁是钢铁行业的核心技术,目前大规模炼钢最普遍的方法就是转炉炼钢法,转炉炼钢具有安装费用低、生产速度快、品种多、质量好等优点。托圈作为转炉系统中的重要部件,在转炉系统运行中起着承载和传动的作用。目前已有许多学者对转炉托圈进行研究分析,但大多数研究都侧重于机械应力对托圈的作用,在转炉实际炼钢工作中,高温带来的热应力作用对托圈的受力变形是不能忽略的,而这一部分的研究相对来说较少。转炉托圈长期处于高温粉尘环境下,在复杂的工作环境中长期使用可能造成托圈出现疲劳裂纹,如果没有及时发现和采取相应防护措施容易造成事故,带来难以估计的经济损失和极大的社会负面影响,因此对转炉托圈进行热应力分析在工程建设中具有重要意义。

本文主要利用ANSYS软件建立了托圈的三维有限元模型,分析了高温工作环境下托圈的热应力变形,并给出了一定的优化处理措施,对工业建筑建设具有一定的借鉴意义。

1转炉托圈热传导过程分析

根据热力学第二定律,当出现温度差时,热量会自发从热量高的物体向热量低的物体转移。根据热量传递的不同工作机理,主要将热量传递分为三种方式:热传导、热对流以及热辐射。在转炉托圈工作中,热量主要以热传导的方式进行传递,因此,本文主要对托圈热传导过程进行阐述和归纳总结。

描述温度场一般性规律的微分方程式被称为导热微分方程式,即:

式中:β为物体的密度(kg/m3):c为物体的比热容:小为物体的内热源强度。

为了使导热微分方程式具有唯一解,需要给出方程的定解条件,不同的物件具有不同的导热条件,四类主要定解条件如下:

(1)几何条件。

在热传导过程中,物体的几何形状、尺寸大小等都会对温度场产生影响,在ANSYS有限元分析中,建立转炉托圈的三维有限元模型就是确定其几何条件。

(2)物理条件。

根据托圈工程材料的不同,其热传导性能也会存在差异,在ANSYS有限元分析中,通过定义托圈的材料弹性模量、泊松比、线膨胀系数等参数来确定其物理条件。

(3)时间条件。

根据随着时间的变化温度是否发生改变可以将导热过程分为稳态导热和非稳态导热。对于非稳态导热过程,需要给出初始时物体温度的分布规律:

当初始物体温度均匀分布时,tci=0=t0=常数。

(4)边界条件。

热边界条件反映了导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的相互作用,归纳总结主要有如下三种热边界条件:

1)第一类边界条件:明确表明导热物体表面的温度。关系式为:

边界上的温度为恒定值,即tw的数值不变。

2)第二类边界条件:指明热流率在物体边界表面的分布情况。关系式为:

3)第三类边界条件:给出了物体在边界上与和它直接接触的流体之间的换热状况。如炉体在炉温等于常数的炉内加热,热交换以辐射方式进行,关系式为:

在转炉实际运行过程中,炉体与托圈的热传导过程是相对复杂的,其时间条件和边界条件都是几种形式并存且共同作用的。本文主要对高温条件下转炉托圈的热应力变形进行分析研究,为了将实测得到的温度场比较准确地施加到有限元模型上,考虑炉体与托圈之间为接触传热,进行求解时确定边界条件为第一类边界条件以及时间条件为稳态导热。

2建立有限元模型

本文以某工厂生产的120t转炉托圈参数进行三维建模,如图1所示。

图1有限元模型

建模过程中使用的托圈材料参数均参照厂家规范标准,其中,钢材料密度为7850kg·m-3,泊松比为0.3,弹性模量为2x105MPa,线膨胀系数为3.5×10-6/℃:内环r0=4.3m,外环r1=5.1m,h=2.5m。上面经过分析已经确定托圈热传导的时间条件与边界条件,因此,通过测量托圈在0、90o、180o、270o四个横截面处的温度,按照线性插值的方式即可计算托圈各点的温度值,温度节点示意图如图2所示。

图2温度节点示意图

本文中托圈温度分布如表1所示。

3结果与分析

通过建立托圈模型并在托圈外部施加温度场对转炉工作中托圈部件进行热应力分析,托圈整体热应力云图如图3所示,托圈整体变形如图4所示。

图3托圈整体热应力云图

由图3可以看出,在高温环境中,托圈在温度荷载作用下,应力分布在内环与外环变化都较为均匀,最大应力值为202.91MPa,最大应力位于耳轴处:由图4可以看出,托圈最大变形约为35.4mm。高温作用下托圈受力与变形最严重的部分都位于托圈轴端耳轴处。当温度持续增加,转炉长期工作时,托圈在热应力作用下端部与炉体部件连接处容易发生变形甚至断裂损坏,导致炉体无法被托圈固定支撑而发生侧翻或塌落,造成人员伤亡和财产损失。

图4托圈整体变形图

为了使转炉能够安全工作,可以适当对转炉进行优化设计。本文主要通过调整外环半径分析托圈材料的厚度对托圈受力与变形的影响,结果如表2所示。

由表2可以看出,当托圈厚度增大时,转炉在工作中,托圈受到的最大热应力值降低,且随着厚度的均匀增大,最大热应力降低的幅度逐渐降低:托圈的最大变形减小,且随着厚度的均匀增大,最大变形值降低的幅度逐渐降低。因此,在实际工程中,可以通过适当增加托圈的厚度来保证转炉工作的安全性,并且从数据结果可以看出,一味增加厚度也不可取,应选择合理的厚度实现最大的安全效应和经济效应。

4结语

本文通过ANSYS软件建立了转炉托圈的三维有限元模型,考虑转炉工作中炉体部件与托圈之间的热传导方式,通过线性插值的方式将温度场施加到有限元模型上,对高温工作环境中的托圈进行了热应力分析。通过有限元分析可以得到托圈的最大应力与最大变形位于托圈轴端耳轴处,高温容易导致托圈变形与炉体连接部件脱落。为了提高转炉工作的安全性,通过调整外环半径分析了托圈材料的厚度对托圈受力与变形的影响,为了保证安全性和经济性,可以适当优化托圈内外半径,从而在一定程度上降低托圈的热应力变形影响,保证工程建设的正常进行。