大型高炉炉壳出铁口受力性能及其影响因素分析

论文摘要

高炉的出铁口位于高炉的炉缸段上,这个区域炉内气压和铁水压力较大,而且,铁口还要承受开口机的冲击力,有时候由于炉内砖衬破损还存在着在高温下工作的可能性。关于高炉出铁口的研究属于压力容器的大开孔问题,对于压力容器开孔的问题中外学者研究的比较多,但是专门针对于高炉出铁口研究不是很多,特别是大型高炉出铁口的受力性能及其影响因素的分析,更是不多见。本文正是在这样的背景下,利用ANSYS有限元软件对4800m3炉容的大型高炉出铁口的受力性能及其影响因素进行了较为系统的分析,取得了一些有意义的研究成果。在研究理论上,本文采用弹性应力分析和塑性准则相结合的分析方法,该方法非常适用于高炉炉壳出铁口这种整体弹性局部塑性的结构模型。本文较为系统的介绍了利用ANSYS有限元软件建模、单元选择及网格划分、荷载及约束的施加的过程。并找出了适用于高炉出铁口的有限元网格尺寸范围。本文对出铁口及其周边区域进行了详细的弹性受力分析,找出了铁口附近的最大应力及其所在位置,并根据应力集中理论对本文所研究的高炉出铁口进行了安全性评定;接着又对该区域进行了弹塑性的极限分析,找出了高炉出铁口附近塑性区的分布规律和变形特点,求得结构的极限荷载。由于高炉出铁口存在着高温下工作的可能性,因此,本文从高温会使材料屈服强度和弹性模量下降的角度出发,对比分析高炉出铁口在不同温度下应力变形、塑性区开展情况及高炉的极限荷载。通过对比发现,高炉出铁口在高温下的塑性区面积、应变和变形远大于常温下的情况,极限承载力也有一定程度的下降。虽然如此,高炉在250OC高温下仍然不会马上破坏,结构仍然具有一定承载能力,况且出铁口在高温下工作的时间一般较短,所以,本文认为此高炉模型在偶然高温下是安全的。为了改善炉壳出铁口的受力性能,在高炉炉壳出铁口上一般都要设置加劲肋,本文系统的研究了加劲肋对出铁口受力性能的影响。通过改变加劲肋的长度、加设位置和加劲肋的厚度,建立多个模型,并对各模型进行弹性分析和弹塑性极限分析。分析结果表明:加劲肋的长度越大,对高炉出铁口的高额名义弹性应力限制效果越明显,且在两侧设置加劲肋要优于单侧设置的效果;加劲肋厚度在一定范围内增大也能明显降低出铁口高额名义弹性应力,但是当加劲肋超过一定厚度时,降低的幅度将比较小;加劲肋的长度及厚度的增大均能够有效的限制铁口塑性区的开展,在约束铁口的变形方面,厚度变化的影响更为明显。加劲肋的长度及厚度增大均可提高结构的极限承载能力及变形能力,特别是加劲肋厚度的增大对提高结构的延性效果更好。本文在建模过程中没有开设炉身部分大量的孔洞,这些孔洞的存在会削弱上部结构的刚度。为了判断上部刚度的削弱是否会对铁口的受力性能产生影响以及本文所做简化处理是否合理,本文建立了上部刚度相差较大的两个模型,对两个模型进行弹性和弹塑性分析,并对分析结果进行对比。对比发现:本文所做的简化处理,对于弹性分析及1倍标准荷载下的弹塑性分析完全能够满足要求,但对结构极限荷载的影响较大。因此,本文所求的极限荷载并非结构的真实极限荷载,虽然如此,本文对影响极限荷载因素的分析仍然具有参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及现实意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究目的及内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 研究方法及技术路线
• 2.1 研究方法
• 2.2 技术路线
• 2.2.1 有限元的基本理论
• 2.2.2 有限元法分析过程概述
• 2.2.3 ANSYS 有限元软件介绍
• 2.3 本章小结
• 3 高炉炉壳出铁口有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 几何模型的建立
• 3.3 材料属性及单元选择
• 3.3.1 材料属性
• 3.3.2 单元选择
• 3.4 网格划分
• 3.4.1 网格划分的形式
• 3.4.2 网格划分的精度
• 3.5 荷载及边界条件
• 3.5.1 荷载的施加
• 3.5.2 边界条件
• 3.6 本章小结
• 4 常温下高炉炉壳出铁口受力性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 高炉炉壳出铁口的弹性分析
• 4.3 高炉炉壳出铁口的弹塑性分析
• 4.3.1 高炉炉壳出铁口在1 倍标准荷载下的弹塑性分析
• 4.3.2 高炉炉壳极限荷载下的塑性分析
• 4.4 本章小结
• 5 高温对高炉炉壳出铁口受力性能的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 分析思路
• 5.3 温度对炉壳出铁口名义弹性应力的影响
• 5.4 温度对炉壳出铁口塑性分析结果的影响
• 5.4.1 1 倍标准荷载下高炉炉壳出铁口的塑性分析结果对比
• 5.4.2 不同温度下高炉炉壳出铁口极限承载力的对比
• 5.5 本章小结
• 6 影响炉壳出铁口区域应力及变形的因素分析
• 6.1 引言
• 6.2 铁口加劲肋尺寸对孔洞边缘应力及变形的影响
• 6.2.1 加劲肋长度的影响
• 6.2.2 加劲肋厚度的影响
• 6.3 上部炉壳刚度对出铁口应力变形的影响
• 6.3.1 弹性分析结果的对比
• 6.3.2 弹塑性分析结果的对比
• 6.4 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录