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高炉炉墙结构热应力分析

作　者: 李升龙
导　师: 陈良玉
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 内衬炉壳温度场热应力场弹塑性
分类号: TF573.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高炉长寿已经成为当代炼铁技术进步的重要标志和组成部分。为了提高生产力,降低炼铁成本,提高高炉寿命问题已经日益突出。依据我国对高炉寿命的调查结果显示,高炉耐火内衬的破损剥落以及炉壳的开裂是影响高炉寿命的决定性因素。高炉炉缸的传热结构是耐火砖+填料(捣打层)+冷却壁+炉壳。炉墙热面与高温炉气接触,体内冷却水强制冷却,形成很大的温度梯度和很高的热负荷。结构膨胀应力和温度差应力是造成炉墙耐材料及炉壳破损的主要原因,从而炉缸的受热变形分析以及热应力计算是实现高炉长寿的必要手段。分析高炉耐火材料和炉壳的温度场和热应力场情况,对指导高炉炉墙的设计、制造和使用维护,提高高炉的使用寿命有着重大的意义。把炉墙结构简化为轴对称模型。根据高炉炉墙传热结构中的冷却壁和炉壳的复合对流传热的传热特点,通过对水管冷却的等效折算和炉壳对流传热边界的等效置换,建立了基于大平板和长圆筒导热理论的两种一维等效简化计算方法。给出了根据冷却热流量推测内衬侵蚀位置和炉墙温度场的计算法,其计算结果与有限元数值计算结果作了对比,表明炉缸炉墙的冷却壁和炉壳复合对流换热一维等效简化计算方法具有较高精度。根据线性热弹性力学理论,给出了平面轴对称温度分布和受内外均布压力的作用下圆筒应力和变形计算式。针对高炉炉缸组合结构受热膨胀的力学特征,考虑冷却壁以及内外填料的热和弹性变形作用并作简化,建立了炉壳纵向开裂补强前后的结构的应力和变形计算方法。同时用有限元软件ANSYS建模仿真,算例的计算结果与有限元软件的计算结果一致。高炉服役过程中内衬侵蚀不可避免,导致炉墙温度梯度变大,热应力也相应变大。在炉壳温度较高或者炉内压力比较大的情况下炉壳会进入塑性变形状态,热弹性力学已不适用。因此根据塑性力学理论,给出了平面轴对称温度分布和受内外均布压力的作用下圆筒应力和变形计算式。并且计算比较了不同炉内(?)力对高炉炉壳热应力的影响。本课题的研究成果对提高高炉炉墙的研发设计水平以及高炉炉壳破损维修方案都具有重要的参考价值和借鉴意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 高炉炉缸结构简介  13-15
    1.2.1 高炉炉缸内衬侵蚀机理  14
    1.2.2 高炉炉缸传热机理  14-15
  1.3 高炉炉体破损机理  15-18
    1.3.1 内衬耐火砖的破损  15-16
    1.3.2 高炉冷却壁破损机理  16-17
    1.3.3 炉壳破损机理  17-18
  1.4 本课题的研究内容  18-20
第2章结构温度场的有限元法及基本理论  20-30
  2.1 有限单元法概述  20
  2.2 传热学理论  20-30
    2.2.1 热量传递的基本方式  21-22
    2.2.2 传热分析中的能量守恒  22
    2.2.3 导热理论的基本概念  22-23
    2.2.4 导热基本定律  23-24
    2.2.5 导热微分方程  24-27
    2.2.6 导热过程的单值性条件  27-30
第3章炉墙结构温度场的简化计算  30-45
  3.1 对流换热边界的等效置换与导热模型化简  30-36
    3.1.1 大平板问题的对流换热边界等效置换  30-31
    3.1.2 无限长圆筒问题的对流换热边界等效置换  31-32
    3.1.3 光面冷却壁—炉墙问题的对流换热边界等效置换  32-36
  3.2 炉缸炉墙冷却壁和炉壳复合散热简化计算  36-40
    3.2.1 冷却壁水冷却的等效  36-37
    3.2.2 炉壳对流传热边界的等效置换  37
    3.2.3 界面温度计算  37-39
    3.2.4 利用热流量计算内衬剩余厚度  39-40
  3.3 有限元计算模型  40-44
    3.3.1 几何尺寸和计算参数  40-41
    3.3.2 计算结果及对比  41-42
    3.3.3 计算误差的讨论  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章热弹性下炉缸的应力分析和炉壳开裂补强计算  45-61
  4.1 内衬体的自由热膨胀  45-52
    4.1.1 内衬的轴对称温度场  45-47
    4.1.2 轴对称温度作用下的内衬变形和应力  47-52
  4.2 内衬体+炉壳结构分析  52-54
    4.2.1 模型简化  52-53
    4.2.2 内衬炉壳组合结构的界面压力  53-54
  4.3 炉壳开裂并补强后的情形  54-56
    4.3.1 模型简化  54-55
    4.3.2 内衬炉壳组合结构的界面压力  55-56
  4.4 强度计算  56-58
    4.4.1 内衬  56-57
    4.4.2 炉壳  57
    4.4.3 炉壳允许最大开裂宽度计算  57-58
  4.5 计算例  58-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章炉壳热塑性分析  61-75
  5.1 单层圆筒的弹塑性分析  61-70
    5.1.1 屈服条件  62
    5.1.2 弹塑性分析  62-67
    5.1.3 弹塑性状态下的位移  67-68
    5.1.4 弹塑性状态下的位移  68-70
  5.2 计算例  70-71
  5.3 内衬厚度对炉壳应力分布的影响  71-74
  5.4 本章小结  74-75
第6章结论与展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表的学术论文  81

高炉炉墙结构热应力分析

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