热风炉炉壳力学分析.docVIP

热风炉是高炉炼铁生产中的关键没备，它是一种蓄热式的热交换器。按照燃烧室和蓄热室的布置形式不同，热风炉分为内燃式、顶燃式及外燃式[1]。热风炉炉壳采用厚度不等的钢板制成，内衬为耐火材料，同时亦承受内压，在菜种意义上来说热风炉炉壳亦属于压力容器范畴的工艺钢结构。 　　由于热风炉炉壳结构形式及受力状况复杂，开孔多且大，按现有KD经验公式很难进行精确计算。近年来，随着冶炼强度的不断提高，对热风炉提出了更高的要求，既要满足工艺的高温(拱顶最高温度可达l450℃)、高压(可达0.45 MPa)要求，又要满足长寿要求。目前，国内热风炉大都使用两代炉龄以上，达25～30年。因此，有必要对热风炉炉壳受力状况进行系统分析，优化炉型构造，以满足冶炼工艺的要求，并按照《钢铁企业冶炼工艺炉技术规范》(讨论稿)的要求，采用有限元进行分析，对热风炉炉壳结构进行优化，以满足精细化设计要求。 　　1 热风炉炉壳受力状况分析 　　1.1 壳体的薄膜内力 　　热风炉外壳一般由炉身筒壳与炉顶半球壳连接而成，底板则为平板。热风炉多用霍戈文式或半球壳拱顶，任一剖面均为倒置的悬链线或近似悬链线，在一定条件下受薄膜内力或近似薄膜内力。为了防止炉底板变形引起漏风，炉底板和筒身宜采用弧线连接，形成变形的缓冲区。同时炉身各转折处爆可能平缓或圆滑过渡，以减小应力集中。这些措施对炉壳的耐久性是必要的。 　　1.2 晶间应力腐蚀 　　热风炉炉壳在高压煤气和炉衬热膨胀作用下引起双轴应力状态。其最大应力分布在炉衬承受强烈高温作用的上部区域。拱顶风温已超过l200℃，此时，空气中的氮分解并与空气中的氧形成氧的氮化物NOx，渗过炉内衬，遇炉壳内壁形成的冷凝水而生成硝酸HNO3，硝酸对钢壳具有腐蚀作用。这种腐蚀和拉应力的共同作用会导致炉壳出现裂纹，晶体之间形成的裂纹，再受硝酸侵蚀而削弱强度从而减少炉壳寿命。这种现象称作晶间应力腐蚀。拉应力越大，裂纹越大，腐蚀也就越严重;另外，炉壳与焊缝的高应力还与焊缝引起的收缩有很大关系[2]。 　　为防止和减轻晶间应力腐蚀的产生，在设计炉壳时，应避免过高应力和应力集中。在制造和安装时，消除焊接、加工及装配过程中产生的残余应力，特别应采用退火的方法消除焊缝热影响区内的应力;在热风炉高温区炉壳内表面涂防酸漆，喷涂防酸可塑料，其外表面设保温层，提高炉壳温度避免氧化氮与冷凝永生成硝酸根离子水溶液腐蚀炉壳等。 　　绝对避免晶间应力腐蚀，固然有一定困难，但是尽量避免和减轻腐蚀，对于炉壳长寿是必要的。 　　1.3 重复应力 　　热风炉是在加热和送风交替下工作的，因此，内压力是周期作用的。鼓风机冷风压力为O.5MPa，至高炉风口约为0.44MPa，故在送风时，风压值在O.44～0.5 MPa之间。而助燃空气与煤气在进入热风炉燃烧、加热格子砖时，压力仅约0.Ol MPa。由此看来，炉壳经常受到40余倍压差的反复作用，产生重复应力。周期荷载引起的弹-塑性变形，会降低炉壳的强度和耐久性。因此在选择钢种时，应尽最考虑采用塑性韧性好，耐高温、耐腐蚀性能好的钢种，如宝钢BB4l-BF，武钢WSM4lC等。 　　1.4 设备荷载与风、雪、地震等外力 　　热风炉炉壳，不仅是热风系统的外壳，而且根据工艺需要还承受设备和操作平台的集中荷载，在壳体上造成应力集中，不利于壳体的局部稳定，故应尽量做到： 　　(1)要尽量避免沿壳体法线方向传递集中荷载，以防薄壳在弯曲应力作用下局部丧失稳定。应使外力沿切线方向传递给薄壳，使壳内不产生弯曲应力，而拉压力可以在壳内很快分散开。 　　(2)沿圆柱壳母线方向的应力集中衰减很慢，在几种集中荷载条件下，荷载间的距离不可太近，否则要将应力迭加起来验算，但最好不要把支座集中到同一母线上。 　　(3)附跨平台梁和炉壳尽量不连接，各自受力，必须连接时支座的布置不应影响壳体的自由膨胀或收缩。 　　当然，热风炉结构本身作为一座室外的构筑物，必须考虑风、雪、地震等荷载的作用。为应对恶劣的环境，炉壳外表面应涂耐高温防护漆，可以延长炉壳的使用寿命。 2 热风炉炉壳有限元分析 　　针对热风炉炉壳结构特点及受力状况，运用现代力学理论和计算机技术对热风炉炉壳结构进行空间力学分析、研究。ANSYS是一款功能十分强大的有限元分析软件，采用ANSYS对热风炉炉壳进行空间结构有限元分析是可行的。 　　2.1 有限元分析的理论和方法 　　(1)组合壳体空间结构分析。组合壳体的传统计算方法是在组合壳体的各分段接头处，运用内力平衡和变形协调来求解内力和位移，进而根据物理方程来求得应力。在线弹性和均匀荷载下，对于长壳的组合壳可以列出线性方程组并由相关的数值计算软件来求解。但是对于短壳的组合壳，由于要考虑到壳体边缘效应的相互影响而使情况变得更加复杂而不易求解。因此，要对计算模型进行合理简化和计算假设，用有限