高炉炉缸内衬应力特征与砌筑结构分析

论文摘要

高炉是炼铁生产的重大设备,也是钢铁生产整体流程中的重大设备。高炉炉缸是盛装高温铁水的反应器,其结构由内衬耐火材料砌筑体、冷却器和钢制外壳组成。炉缸的主要功能是盛装铁水并保证铁水在侧孔的正常出流运动。由于直接与铁水接触,内衬的侵蚀是不可避免的,并随服役时间的增加而越加严重。通过局部更换耐火材料、修补炉衬来维护高炉的安全性和整体性,对炉顶和炉身是可行的,但对于炉底和炉缸却极为困难。因此,对高炉炉缸内衬应力特征的研究有重要意义。铁水的流动冲刷、热化学反应和热应力是造成炉缸内衬侵蚀破坏的主要原因。本文基于多学科交叉背景,利用温度场模型结果计算出高炉炉缸在设计炉型与理论操作炉型下的热应力,揭示了“象脚”型侵蚀的重要成因。通过炉缸填料的压缩试验,得出了其应力与应变的关系,并对膨胀缝进行了理论分析与计算,其具体内容如下：1.以宝钢4号高炉为例,在ANSYS环境下,编写APDL参数化文件,利用温度场模型结果对炉缸设计炉型和理论操作炉型下的内衬热应力进行了计算和分析。通过耦合铁水流场和温度场而建立的高炉炉缸三维内衬热应力计算模型,有助于更准确地对炉缸内衬的热应力进行研究。所得结果为长寿炉缸的设计和评估提供了有效的帮助。2.在炉缸砌筑的过程中,陶瓷垫与炭砖之间会加入填料。通过高炉炉缸膨胀缝填料的压缩试验,得出其非线性本构关系。将此关系带入高炉炉缸膨胀缝的应力计算中,从而建立了高炉炉缸膨胀缝填料非线性的弹塑性模型。3.在对膨胀缝进行分析时,分别对填料按不同的捣打程度进行炉缸热应力与热变形的计算,通过分析,其结果揭示了高炉设计中膨胀缝内填料的最佳捣打程度,进而为高炉砌筑结构的优化提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 高炉炉缸结构简介
• 1.2.1 我国高炉寿命的现状
• 1.2.2 高炉炉缸炉底传热原理
• 1.2.3 高炉炉缸内衬的侵蚀原理
• 1.3 本课题的研究内容
• 第2章 有限单元法与传热学概述
• 2.1 有限单元法概述
• 2.1.1 基于有限单元法分析的软件
• 2.1.2 利用有限单元法分析与求解温度场
• 2.2 传热学基本理论
• 2.2.1 热量传递的基本方式
• 2.2.2 传热分析中的能量守恒
• 2.2.3 导热理论的基本概念
• 2.2.4 导热基本定律
• 2.2.5 导热微分方程
• 2.2.6 导热过程的单值性条件
• 第3章 高炉炉缸炉底内衬热应力计算
• 3.1 概述
• 3.2 高炉炉缸内衬热应力计算数学模型
• 3.3 高炉炉缸设计炉型下的内衬热应力
• 3.3.1 物理模型和计算模型
• 3.3.2 有限元分析的步骤
• 3.3.3 ANSYS参数化程序
• 3.3.4 计算结果及讨论
• 3.4 高炉炉缸理论操作炉型下的内衬热应力
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 有限元分析的步骤
• 3.4.3 计算结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 弹塑性力学简介与压缩试验
• 4.1 概述
• 4.2 弹塑性力学简介
• 4.2.1 应力理论
• 4.2.2 应变理论
• 4.2.3 弹性材料与塑性材料
• 4.2.4 线弹性变形体的广义虎克定律
• 4.2.5 本构方程
• 4.3 填料的压缩试验
• 4.3.1 填料的压缩试验方法
• 4.3.2 填料的压缩试验数据处理
• 4.4 本章小结
• 第5章 膨胀缝作用分析与热应力计算
• 5.1 概述
• 5.2 高炉炉缸膨胀缝的应力计算
• 5.2.1 高炉炉缸膨胀缝热应力物理模型和计算模型
• 5.2.2 对高炉炉缸膨胀缝内填料按线性材料分析热应力
• 5.2.3 对高炉炉缸膨胀缝内填料按非线性材料分析热应力
• 5.2.4 计算结果及讨论
• 5.3 高炉炉缸膨胀缝填料弹塑性分析
• 5.3.1 高炉炉缸膨胀缝填料弹塑性变形的节点问题
• 5.3.2 膨胀缝填料弹塑性变形的节点在高炉设计中的应用
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢