4800m~3高炉炉顶封罩孔洞周边受力性能研究

论文摘要

炉顶封罩位于高炉炉壳顶部,包括煤气封罩段、炉喉段及部分炉身段。该区域承受多种荷载,如炉顶外部设备、进料、上升管膨胀、炉内气体的高压作用,以及生产后期因内衬减薄可能存在的高温状态。同时,为满足高炉炼铁的工艺要求,炉顶封罩处开有四个外径达2.4m的煤气导出管连接孔和一个3.93mx1.945m的溜槽更换孔等大开孔;一个1.065mx0.765m的人孔和三个直径φ420mm的探测孔等小开孔,这些大孔洞和小开孔的存在大大地削弱了炉壳的截面面积,造成孔洞边缘出现较大的应力集中,使得炉顶封罩的受力状况十分复杂,弄清楚炉顶封罩孔洞周边在各种影响因素下的受力性能显得尤为为重要。但目前国内外所做的研究工作基本上是对整体受力性能的研究,或是单个开孔产生应力集中的影响等,但针对高炉炉顶封罩孔洞在不同的影响因素下的局部受力性能的研究仍未见报道。本文在分析研究国内外有关高炉研究状况的基础上,依据设计院提供的高炉结构几何形状尺寸、受力载荷等资料,利用有限元ANSYS软件建立4800m3大型高炉炉顶封罩模型,对影响孔洞周边受力性能的四个因素(包括下部冷却壁开孔率、炉顶封罩采用不同壁厚、导出管和溜槽孔采用不同厚度加劲肋及不同温度条件)进行了研究分析。本文的研究工作主要分为以下几个部分:①通过对12个炉顶封罩孔洞周边不同细度网格划分模型进行弹性受力分析对比,确定了兼顾计算精度和计算时长的有限元网格划分要求;②根据同组成员提供成果,建立7个下部炉身段采用不同开孔率的炉顶封罩模型,分析下部炉身段开孔率对炉顶封罩孔洞周边受力性能的影响,最后确定建立炉顶封罩局部模型的底部约束;③建立5个不同壁厚的炉顶封罩模型,计算分析不同壁厚对炉顶封罩孔洞周边受力性能的影响,对现有的高炉设计公式安全性做出评估;④建立6个不同厚度加劲肋厚度的炉顶封罩模型,计算分析孔洞周边采用不同加劲肋后对应力集中的控制作用,并提出加劲肋厚度的选取原则;⑤针对生产后期高炉可能在高温下工作,建立了5种温度下炉顶封罩模型,计算分析不同温度条件对炉顶封罩孔洞周边受力性能的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 我国炼铁工业的发展现状及未来发展趋势
• 1.1.2 炼铁高炉炉壳的基本介绍及受力特点
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外对高炉炉壳结构设计发展及炉壳受力性能的研究现状
• 1.2.2 国内对高炉炉壳结构设计发展及炉壳受力性能的研究现状
• 1.2.3 国内外针对压力容器的研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究意义
• 1.3.1 本文的研究目的
• 1.3.2 本文的研究意义
• 1.4 本文研究的主要研究内容和技术路线
• 1.4.1 本文的主要研究内容
• 1.4.2 本文研究的技术路线
• 3 高炉炉顶封罩孔洞周边受力性能有限元分析的相关理论'>2 4800m³高炉炉顶封罩孔洞周边受力性能有限元分析的相关理论
• 2.1 有限元法简介
• 2.1.1 有限元法概念
• 2.1.2 有限元法的发展概况
• 2.1.3 有限元法的基本原理
• 2.1.4 线弹性有限元分析方法
• 2.1.5 非线弹性有限元分析方法
• 2.2 壳体理论简介
• 2.2.1 壳体理论基本假设
• 2.2.2 壳体理论采用的正交曲线坐标系
• 2.2.3 壳体的几何方程
• 2.2.4 壳体的物理方程
• 2.2.5 薄壳体的平衡方程
• 2.3 ANSYS 有限元分析软件介绍
• 2.4 本章小结
• 3 高炉炉顶封罩开孔受力性能有限元建模'>3 4800m³高炉炉顶封罩开孔受力性能有限元建模
• 3.1 概述
• 3.2 高炉炉顶封罩几何模型的建立和简化
• 3.2.1 高炉炉顶封罩模型的简化
• 3.2.2 高炉炉顶封罩几何模型的建立
• 3.3 高炉炉顶封罩有限元模型建模
• 3.3.1 材料的本构关系
• 3.3.2 有限元单元的选取
• 3.3.3 荷载和边界条件
• 3.3.4 高炉炉顶封罩最合适单元划分
• 3.4 本章小结
• 4 高炉炉身段不同开孔率对炉顶封罩开孔受力性能的影响
• 4.1 概述
• 4.2 炉身段不同开孔率下建立有限元模型
• 4.3 炉身段不同开孔率对炉顶封罩开孔受力性能影响因素分析
• 4.3.1 标准荷载下炉身段不同开孔率对炉顶封罩开孔受力性能的影响
• 4.3.2 整体炉壳极限承载（2.1P）下炉身段不同开孔率对炉顶封罩开孔受力性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 炉顶封罩改变壁厚对开孔受力性能的影响
• 5.1 概述
• 5.2 炉顶封罩改变壁厚有限元模型的建立
• 5.3 改变壁厚对炉顶封罩开孔受力性能影响因素分析
• 5.3.1 改变炉壳壁厚对炉顶封罩承载能力的影响
• 5.3.2 改变炉壳壁厚对炉顶封罩开孔周边危险点应力水平的影响
• 5.3.3 改变炉壳壁厚对炉顶封罩开孔周边区域应变的影响
• 5.4 本章小结
• 6 导出管及溜槽孔采用不同厚度加劲肋对开孔受力性能的影响
• 6.1 概述
• 6.2 导出管及溜槽孔采用不同厚度加劲肋建立有限元模型
• 6.3 导出管及溜槽孔采用不同厚度加劲肋对炉顶封罩开孔受力性能影响因素分析
• 6.3.1 导出管和溜槽孔采用不同厚度加劲肋对炉顶封罩承载能力的影响
• 6.3.2 导出管和溜槽孔采用不同厚度加劲肋对开孔周边危险点应力水平的影响
• 6.3.3 导出管和溜槽孔采用不同厚度加劲肋对开孔周边区域应变的影响
• 6.4 本章小结
• 7 不同温度条件对炉顶封罩开孔受力性能的影响
• 7.1 概述
• 7.2 选取不同温度条件时炉顶封罩建立有限元模型
• 7.3 不同温度条件对炉顶封罩开孔受力性能影响因素分析
• 7.3.1 不同温度条件对炉顶封罩极限承载能力的影响
• 7.3.2 不同温度条件对炉顶封罩开孔周边危险点应力水平的影响
• 7.3.3 不同温度条件对炉顶封罩开孔周边区域应变的影响
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录