高炉干砌砖衬炉缸结构的应力计算

摘要

高炉是企业进行钢铁生产的重要设备，也是钢铁生产整体流程中最重要的设备，高炉的长寿化对于提升经济效益有重要作用。高炉炉缸的寿命与其结构的安全性是限制高炉一代炉役的主要因素。炉缸砖衬侵蚀包括高温铁水与砖衬的氧化和溶解，碱金属和锌的侵蚀，热负荷和热应力，以及来自铁水的侵蚀和机械应力等。其中，铁水环流和热应力被认为是造成炉缸砖衬破坏的关键因素。近年来，以砖衬（含砖缝）+填料+炉壳（外表面洒水冷却方式）的干砌砖衬炉缸结构已经在高炉上有所应用，但对于干砌砖衬炉缸结构的力学特性研究鲜有报道。此外，在以往高炉炉缸结构力学模型研究中，所用材料热物性等为简化计算多取为定值，导致计算结果准确度降低，为了计算的精确，本文对干砌砖衬炉缸填料层捣打料的热物性进行了实验测定，并结合传热学、弹塑性力学等对高炉干砌砖衬炉缸结构的热力学特性进行数值模拟分析，具体内容如下: (1)对填料层捣打料分别进行抗压强度、导热系数、线膨胀系数随成型压力、固化温度变化的实验，得到抗压强度-成型压力、导热系数-温度、线膨胀系数-温度的变化规律，并给以直观的曲线表示; (2)基于热弹性力学原理，建立了高炉炉缸干砌砖衬热弹性力学多接触面非线性模型，通过设计的相应有限元参数化求解程序来分析炉缸干砌砖衬受热膨胀的力学特性，包括:砖衬最大环向应力、砖缝最大开度、砖衬最大径向拉应力及其位置随砖衬热面温度等的变化规律，并对填料层捣打料抗压强度进行校核，最后通过算例验证了程序的正确性和可用性; (3)在求得砖缝闭合长度和炉壳环向应力与砖缝宽度等参数变化规律的基础上，基于响应面法对影响砖衬热面环向应力的几个重要因素进行灵敏度分析，定量化得出各随机变量对砖衬热面环向应力的影响程度，对影响大的因素严格控制，可以有效预防砖衬因应力过大而产生破裂，避免侵蚀进一步加快，延长高炉使用寿命。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景与目的

1．2高炉炉缸传热原理

1．3砖衬环裂产生的原因

1．4本课题主要内容

第2章应力计算的基础理论

2．1固体传热理论简介

2．1．1热量传递的基本方式

2．1．2传热学相关参数

2．1．3传热学应用简介

2．2弹性力学理论简介

2．2．1应力与应变

2．2．2广义胡克定律

2．3有限单元法简介

2．3．1有限单元法的特点

2．3．2有限单元法的计算机软件

2．4高炉单层干砌体的热应力计算

2．4．1单层干砌体的热应力计算和强度条件

2．5圆筒结构的热应力方程

2．5．1温度分布通式

2．5．2热弹性力学基本方程

2．5．3平面变形和应力

2．6本章小结

第3章高炉炉缸建模

3．1传热模型

3．2力学模型

3．2．1受热膨胀碳砖的力学特征分析

3．2．2接合界面压力

3．2．3力学模型分析

3．3 ANSYS建模分析

3．4捣打料热物性的测定

3．4．1捣打料热物性参数的测定

3．5本章小结

第4章环形干砌砖衬炉缸结构的应力特征

4．1砖衬热面温度对炉缸应力特征的影响

4．1．1相关材料的参数

4．1．2有限元模型计算过程

4．1．3计算结果与分析

4．2捣打料的抗压强度校核

4．3砖缝与砖衬内压力对炉缸应力的影响

4．3．1相关材料参数

4．3．2计算结果与分析

4．4炉壳强度校核

4．5砖衬热面环向应力的灵敏度响应面法分析

4．5．1响应面法简介

4．5．2响应面法的原理

4．5．3炉缸干砌砖衬热面环向应力的灵敏度分析

4．6本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢