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20世紀80年代以來，具有高度熱傳導性和熱膨脹性的鎂碳耐火材料在轉爐上廣泛使用，提高了鋼的品質，延長了爐齡，但同時也帶來了較高的爐殼溫度，并產生了爐殼和爐襯熱應力。如果這種熱應力超過了材料的屈服極限，那么材料的變形會加劇甚至損壞、破裂，嚴重威脅到設備和生產安全。本文利用有限元分析方法來研究某鋼廠實際運行轉爐的熱力學行為，具體包括轉爐溫度場的有限元模擬、彈塑性熱應力行為的研究，以及膨脹間隙對轉爐熱應力影響的分析。
首先根據某鋼廠實際轉爐，建立幾何模型，以有限元為手段，模擬在空氣自然對流和熱輻射條件下轉爐爐體溫度場分布。
溫度場計算時涉及到的物性參數包括材料密度、材料比熱和材料沿不同方向的熱傳導系數。1)材料密度的選取。在進行溫度場計算時，材料密度參數一般選用體積密度，且不考慮密度隨溫度的變化。其中爐殼材料的密度為7.85e3kg/m3，永久層材料的密度為2.45×e3kg/m3，工作層材料的密度為2.91×e3kg/m3。2)材料熱傳導系數的選取。熱傳導性會影響整個內襯的溫度分布，從而影響爐殼溫度。在計算轉爐溫度場時，定義材料熱性能參數是根據有關文獻確定，爐殼耐火材料的導熱系數λ按實際情況隨溫度變化進行設置。
該轉爐屬于整體焊接結構。爐襯耐火材料大體分為工作層和永久層。工作層爐襯為鎂碳磚，永久層為鎂磚，緊貼爐殼，用以保護爐殼鋼板。轉爐在現(xiàn)場運行過程中，工作層內壁與鋼水直接接觸，在正常冶煉過程中溫度會有所波動，但對兩層耐火材料及爐殼溫度分布的影響可忽略不計。轉爐爐體的溫度場時，按照整體結構進行分析。選擇PLANE55，用于對二維熱傳導問題進行建模。
為更直觀地了解爐殼內外表面的溫度分布情況，重新設置坐標系，以溫度軸作為縱坐標，起始設定為爐底最低點，并沿著內外表面由低至高的距離設定為橫坐標，得到爐殼內外表面的溫度分布。
以上溫度場模擬得到的爐體溫度場分布情況較能反映實際狀況，為熱—應力耦合場分析提供了溫度分布結果。
本文利用二維有限元模擬分析轉爐爐體熱彈塑性綜合熱應力分布及變化規(guī)律。
爐體熱應力的幾何模型與上面分析爐體溫度場的模型一致，只是在整個熱分析過程中將PLANE55熱單元轉化為結構單元PLANE42。
熱應力計算時物性參數的選擇主要包括轉爐爐殼材料、爐襯耐火材料的熱膨脹系數、彈性模量和泊松比，計算時根據有關文獻確定。
轉爐分析模型為實際運行爐體的1/2，分析轉爐熱應力時，施加對稱約束在對稱面上，同時為了防止轉爐在水平方向發(fā)生剛性位移，在對稱軸線上施加水平方向位移約束，除了轉爐爐殼外壁法蘭圓盤為軸向完全固定，爐殼的其他各點均自由。爐體熱應力分析節(jié)點溫度由爐體溫度場模擬結果提供。
通過計算可知，爐身溫度差應力僅占總等效應力的9.6%～14.9%，而熱膨脹應力在總的等效應力中居首位，且總應力(320MPa～448MPa)超出了爐殼的屈服極限(245.56MPa～272.91MPa)，為控制熱膨脹應力可在砌爐時設置膨脹間隙。
在砌爐時設置膨脹間隙可以減小爐殼的熱膨脹應力，從而導致爐殼總的熱應力下降。下面從轉爐內襯膨脹間隙設置的不同出發(fā)，分析在高溫條件下轉爐爐殼應力場分布的變化量，通過ANSYS接觸應力分析方法確定出最佳的轉爐內襯熱膨脹縫隙。
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