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20世紀(jì)80年代以來，具有高度熱傳導(dǎo)性和熱膨脹性的鎂碳耐火材料在轉(zhuǎn)爐上廣泛使用，提高了鋼的品質(zhì)，延長了爐齡，但同時(shí)也帶來了較高的爐殼溫度，并產(chǎn)生了爐殼和爐襯熱應(yīng)力。如果這種熱應(yīng)力超過了材料的屈服極限，那么材料的變形會(huì)加劇甚至損壞、破裂，嚴(yán)重威脅到設(shè)備和生產(chǎn)安全。本文利用有限元分析方法來研究某鋼廠實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)爐的熱力學(xué)行為，具體包括轉(zhuǎn)爐溫度場的有限元模擬、彈塑性熱應(yīng)力行為的研究，以及膨脹間隙對轉(zhuǎn)爐熱應(yīng)力影響的分析。
首先根據(jù)某鋼廠實(shí)際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐爐體溫度場分布。
溫度場計(jì)算時(shí)涉及到的物性參數(shù)包括材料密度、材料比熱和材料沿不同方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)。1)材料密度的選取。在進(jìn)行溫度場計(jì)算時(shí)，材料密度參數(shù)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(dǎo)系數(shù)的選取。熱傳導(dǎo)性會(huì)影響整個(gè)內(nèi)襯的溫度分布，從而影響爐殼溫度。在計(jì)算轉(zhuǎn)爐溫度場時(shí)，定義材料熱性能參數(shù)是根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)確定，爐殼耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ按實(shí)際情況隨溫度變化進(jìn)行設(shè)置。
該轉(zhuǎn)爐屬于整體焊接結(jié)構(gòu)。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(hù)爐殼鋼板。轉(zhuǎn)爐在現(xiàn)場運(yùn)行過程中，工作層內(nèi)壁與鋼水直接接觸，在正常冶煉過程中溫度會(huì)有所波動(dòng)，但對兩層耐火材料及爐殼溫度分布的影響可忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)爐爐體的溫度場時(shí)，按照整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。選擇PLANE55，用于對二維熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行建模。
為更直觀地了解爐殼內(nèi)外表面的溫度分布情況，重新設(shè)置坐標(biāo)系，以溫度軸作為縱坐標(biāo)，起始設(shè)定為爐底最低點(diǎn)，并沿著內(nèi)外表面由低至高的距離設(shè)定為橫坐標(biāo)，得到爐殼內(nèi)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(shí)際狀況，為熱—應(yīng)力耦合場分析提供了溫度分布結(jié)果。
本文利用二維有限元模擬分析轉(zhuǎn)爐爐體熱彈塑性綜合熱應(yīng)力分布及變化規(guī)律。
爐體熱應(yīng)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(gè)熱分析過程中將PLANE55熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元PLANE42。
熱應(yīng)力計(jì)算時(shí)物性參數(shù)的選擇主要包括轉(zhuǎn)爐爐殼材料、爐襯耐火材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比，計(jì)算時(shí)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)確定。
轉(zhuǎn)爐分析模型為實(shí)際運(yùn)行爐體的1/2，分析轉(zhuǎn)爐熱應(yīng)力時(shí)，施加對稱約束在對稱面上，同時(shí)為了防止轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐爐殼外壁法蘭圓盤為軸向完全固定，爐殼的其他各點(diǎn)均自由。爐體熱應(yīng)力分析節(jié)點(diǎn)溫度由爐體溫度場模擬結(jié)果提供。
通過計(jì)算可知，爐身溫度差應(yīng)力僅占總等效應(yīng)力的9.6%～14.9%，而熱膨脹應(yīng)力在總的等效應(yīng)力中居首位，且總應(yīng)力(320MPa～448MPa)超出了爐殼的屈服極限(245.56MPa～272.91MPa)，為控制熱膨脹應(yīng)力可在砌爐時(shí)設(shè)置膨脹間隙。
在砌爐時(shí)設(shè)置膨脹間隙可以減小爐殼的熱膨脹應(yīng)力，從而導(dǎo)致爐殼總的熱應(yīng)力下降。下面從轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯膨脹間隙設(shè)置的不同出發(fā)，分析在高溫條件下轉(zhuǎn)爐爐殼應(yīng)力場分布的變化量，通過ANSYS接觸應(yīng)力分析方法確定出最佳的轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯熱膨脹縫隙。
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