基于ANSYS的250t转炉温度场有限元仿真分析

第３３卷第３期　２０１０年６月　武汉科技大学学报　Ｖｏ１．３３。Ｎｏ．３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊｕｎ．２０１０　基于ＡＮＳＹＳ的２　５　０　ｔ转炉温度场有限元仿真分析　严爱军　（武汉钢铁股份有限公司设备部，湖北武汉，４３００８３）　摘要：基于ＡＮＳＹＳ建立２５０ｔ转炉系统的有限元温度场分析模型，并对转炉温度场进行数值仿真计算和分　析，得到２５０　ｔ转炉系统的温度场，并与现场实测值进行比较。结果表明，仿真计算结果与实测值误差较小，仿　真结果是正确和有效的。　关键词：转炉；有限元；仿真分析；温度场　中图分类号：ＴＦ３４１．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４　３６４４（２０１０）０３　０２５５—０４　转炉是炼钢生产中最重要的设备之一，在工　结装置。该炉体联结装置由２Ｏ束柔性螺栓组成，　作过程中不但受到炉体自重、炉液自重及倾动力　每束柔性螺栓由２１０～３１２根直径为７　ｍｍ的钢　矩等机械载荷的作用，还要受到来自炉内高温炉　筋构成。　液热传导而引起的热负荷的作用，且热负荷引起　的热应力水平远比机械应力水平高。转炉温度场　是热应力求解的基础，要完成转炉系统的强度分　析，必须首先获得转炉的温度分布情况。由于计　算时所涉及材料物性参数值与温度相关，加之结　构形状和求解边界条件的复杂性，采用解析方法　确定转炉的温度场十分困难。本文以武汉钢铁股　份有限公司炼钢总厂２５０　ｔ转炉为对象，应用有限　元技术，对其温度场进行仿真分析。　图１　２５０ｔ转炉几何模型简图　１转炉的结构　Ｆｉｇ．１　Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　２５０　ｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｌ一托圈；２联接装置；３悬挂倾动装置；４一炉体；　图１为２５０　ｔ转炉的几何模型。该转炉主要　５一炉衬永久层；６～炉衬工作层；７一炉衬；８一炉壳；　由炉体（含炉壳、炉衬）、托圈以及联结装置、悬挂　９一炉口；１Ｏ一托圈上盖板；１１一托圈内腹板；　倾动装置组成。整个炉壳由钢板焊接而成，尺寸　１２托圈外腹板；１３一托圈筋板；１４托圈下盖板　较大，高度达１０．８７　ｉｒｌ，外壳直径为８．５２　ｍ。炉　壳从结构上可分为炉口、上锥段、炉身、下锥段和　２模型的建立　炉底，其中上锥段布置有水冷系统。炉衬分为工　２．１有限元模型　作层和永久层，在结构的不同位置其厚度有所不　为了对转炉温度场进行研究，以转炉整体（含　同。整个炉体结构近似为一个以中心线为轴线的　炉体、托圈、炉体联结装置等）为研究对象，建立转　回转对称结构。　炉系统的温度场分析模型。建模时，按照各零部　托圈采用箱形焊接断面整体式构造，整体呈　件的结构尺寸选择合适的单元类型，并根据材料　圆形，在托圈内部布置有不同形状的立式筋板以　的不同，分别赋予相应的材料属性。转炉系统的　增强托圈的刚性。为了降低炉体热辐射对托圈的　温度场ＡＮＳＹＳ分析模型如图２所示。　影响，托圈内部采用冷却水强制对流换热以降低　２．２传热数学模型　托圈的温度，考虑到检修的方便，在托圈外腹板上　除出钢时炉体因受到钢水罐内钢液的热辐射　不同部位开有圆形和椭圆形检修孔。　作用导致温度有所升高外，在其他炼钢阶段，转炉　炉体和托圈间的联结采用柔性螺栓式炉体联　系统的温度变化不大，其传热过程可以看作稳态　收稿日期：２０１Ｏ　Ｏ１　２２　作者简介：严爱军（１９６７一），男，武汉钢铁股份有限公司高级工程师　２５６　武汉科技图２转炉系统有限元模型　Ｆｉｇ．２　ＦＥＡ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　传热过程，满足如下导热微分方程：　ａＴ一一Ｉ—ｐ　Ｃｐ　（　十　十　』筹＋　＋警）　ｕ　㈩式中：　，　，　为系统的坐标，１ＴＩ；Ｔ为温度函数，Ｋ；　ｔ为时间，ｓ；ｋ为材料的导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）；　Ｐ为材料的密度，ｋｇ／ｍ。；Ｃ。为材料的比热容，Ｊ／　（ｋｇ・Ｋ）。　求解上述导热微分方程应满足以下３类边界　条件［　：　第一类边界条件：　Ｔ（ｘ，　）ｌ　ｒ—ｔ（　，　）　（２）　第二类边界条件：　是　１　＿ｑ（ｘ，ｙ，ｔ）　（３）　第三类边界条件：　一忌　ｌｆｒ—ｈ（Ｔ—Ｔｆ）　（４）　式中：Ｉ１为物体边界；ｔ（ｘ，　）为已知温度函数，Ｋ；　ｑ（ｘ，　，￡）为热流密度函数，ｗ／ｍ　；Ｔｒ为流体介质　的温度，Ｋ；ｈ为表面传热系数，ｗ／（ｉｎ　・Ｋ）。　２．３边界条件的确定　转炉系统的热边界条件有两种，炉衬内壁按　第一类边界条件处理，与炉液接触的内衬壁面温　度取为１　７２０。Ｃ，其他部分炉衬的内壁温度取为　１　６００　ｏＣ。转炉表面与外界的换热主要是对流传　热和辐射传热。　根据传热学理论，转炉表面与周围介质的对　流传热表面传热系数按下式　计算：　ｈ　一Ｎ　ｋ／Ｌ　（５）　式中：ｈ　为表面传热系数（又称对流换热系数），　ｗ／（１ＴＩ。・Ｋ）；Ｎ　为努塞尔（Ｎｕｓｓｅｈ）数；Ｌ为特　征长度，１ＴＩ。　转炉表面与周围介质除了进行对流传热外，　还存在辐射传热。为计算方便起见，工程上通常　将辐射传热折算成表面传热进行计算，即　大学学报　２０１０年第３期　ｎ　ｒ一——　＿——　一　（６）Ｌｂ　　』１一』２　式中：ｈ　为辐射传热表面传热系数，ｗ／（ｍ。・　Ｋ），￡　为黑度；　为斯忒藩一波耳兹曼常数，Ｗ／（ｍ。・　Ｋ　），　一５．６７×１０　ｗ／（ｍ。・Ｋ　）；Ｔｌ、Ｔ２分别　为转炉和介质的表面温度，Ｋ。　因此，复合传热表面传热系数为　ｈ—ｈ。＋ｈ　（７）　按照上述理论，对转炉系统各部位的复合传　热表面传热系数进行计算，并将其作为第三类边　界条件（见表１）施加到相应的表面上。　表１　部分表面传热边界条件　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｓ　ｓｕｒｆａｃｅ　２．４材料物性参数　转炉系统主要由３种材料构成：镁碳砖（炉衬　工作层）、镁砖（炉衬永久层）和钢（炉壳、托圈等）。　这３种材料常温下的体积密度分别为７　８０Ｏ、　２　９００、２　７００　ｋｇ／ｍ。。在温度场分析过程中，材料　的物性参数是随温度而变化的。转炉温度场仿真　分析时采用的物性参数ｌ３　如表２所示。　表２不同温度下材料的物性参数　Ｔａｂｌｅ　２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　比热容／　ｗ．　：！　：　：　：　！　／℃—　—　丽　钢　镁碳砖　镁砖　３仿真结果与分析　３．１　转炉系统温度场仿真结果与分析　图３所示为转炉除炉衬外的金属部分的温度　场分布云图。由图３中可知，转炉系统金属部分　２０１０年第３期　严爱军：基于ＡＮＳＹＳ的２５０　ｔ转炉温度场有限元仿真分析　２５７　的最高温度为３５２。Ｃ，位于炉壳内部与炉衬贴合　处。图４所示为炉体（含炉衬工作层、炉衬永久层　和炉壳）的温度场分布云图。由图４中可知，转炉　炉体的温度分布范围为８５７～１　７２０　ｏＣ，且由炉内　至炉外温度急速下降。　＞１．４％＋０３　＜１．４％＋０３　＜１．２５ｅ＋０３　＜１．０２ｅ＋０３　＜７．８６ｅ＋０２　＜５．５３ｅ＋０２　＜３．１９ｅ＋０２　＜８．５７ｅ＋０１　Ｍａｘ＝１．７２ｅ＋０３　Ｍｉｎ＝８．５７ｅ＋０ｌ一　图４转炉炉体温度场分布五图　Ｆｉｇ．４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｌｉｎｉｎｇ　表３列出了炉体不同部位的温度。从表３中　可见，镁碳砖构成的工作层沿径向方向的温度下　降速率比由镁砖构成的永久层的温度下降速率　图３转炉系统金属部分的温度场　Ｆｉｇ．３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｉｎ　ｃｏｎ—　ｖｅｒｔｅｒ　小。而由于存在水冷强制冷却，炉体上锥段部分　工作层的温度梯度比炉身、炉体下锥段及炉底等　部位工作层的温度梯度要大。　表３炉体不同部位的温度　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｃｔｏｒ　金属炉壳的温度分布图如图５所示。从图５　中可以看出，与托圈相对的部分的炉壳温度最高，　。Ｃ；炉壳下锥段和炉底由于自然对流的条件好，　以及永久层厚度较厚，故温度比其他部位低，为　１１５～１４Ｏ℃。　其外表面的最高温度为３３５℃，与之对应的炉壳　内表面的温度为３５２℃。炉壳的材料为ＷＳｔＥ　托圈的温度场仿真结果如图６所示。由图６　中可知，由于炉壳的热辐射作用，托圈内腹板的温　度比托圈其他部位的温度高，内腹板的最高温度　为１２７℃，托圈其他各部位温度并不高。　柔性螺栓的温度分布情况如图７所示，柔性　３５５，其蠕变温度为４００℃。由仿真结果可知，工　作时炉壳的最高温度低于其材料的蠕变温度。炉　壳上锥段由于有强制水冷，其温度最低，约为９ｌ　＞３．１２ｅ＋０２　＜３．１２ｅ＋０２　＜２．７２ｅ＋０２　＜２．３２ｅ＋０２　＜１．９１ｅ＋０２　螺栓温度分布于６２￣２２３℃之间，其中，８束垂直　＜１．５ｌｅ＋０２　＜１．１Ｏｅ＋０２　＜６．９６ｅ＋０１　Ｍａｘ＝３．５３ｅ＋０２　Ｍｉｎ＝６．９６ｅ十０ｌ　Ｍ　＝１．２７ｅ＋０２　Ｍｉｎ＝３．４７ｅ＋０１　ｚ　图５　转炉炉壳的温度场分布云图　Ｆｉｇ．５　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｅｌｌ　图６托圈温度场分布云图　Ｆｉｇ．６　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｒｉｎｇ　２５８　武汉科技大学学报　２０１０年第３期　柔性螺栓的温度变化范围为８４～１２０℃，下水平　表４炉壳实测温度与计算值对比　Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅｓ　柔性螺栓的温度变化范围为６２～１０８℃，上水平　柔性螺栓的温度变化范围为８４～２２３℃。　根据转炉的安装与维护手册，每束柔性螺栓　在安装时或炉役检修时均要使用专用的液压张拉　器张拉，以使其产生一定的预紧力，而转炉炼钢过　程中柔性螺栓温度升高会使柔性螺栓膨胀，从而　使预紧力松弛，因此，掌握柔性螺栓的温度分布可　以更合理地确定柔性螺栓的预紧力。　ｃｒ　＞２．００ｅ＋０　｝　Ｉ＜１．５４ｅ＋０２　　Ｉｔ一＜＜１＜　１．粥３０１８ｅｍ＋０２　　Ｉ＜６．１８ｅ＋Ｏｌ　Ｍａｘ＝２．２３ｅ＋０２　Ｍｉｎ－６．１８ｅ＋０１　ｚ　参　考　文　献　张朝辉，范群波，贵大永，等．ＡＮＳＹＳ　８．０热分析教　程与实例解析［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５：　１０—１３．　杨世铭．传热学基础［Ｍ２．北京：高等教育出版社，　口　］　图７柔性螺栓温度场分布五图　Ｆｉｇ．７　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｂｏｌｔｓ　］　１９９１：１１９—１３３．　］　］　］　钱之荣，范广举．耐火材料实用手册［Ｍ］．北京：冶金　工业出版社，１９９２：３６７．　马学东，孟惠荣，高兴歧．转炉炉帽温度场有限元分　３．２仿真计算结果与实测值的比较　为了验证仿真计算结果，在炼钢过程中采用　红外点温枪对转炉金属炉壳的温度进行了现场实　测，并将实测值与仿真值进行对比，如表４所示。　析Ｉ－Ｊ］．炼钢，２００１，（４）：４６—５１．　Ｂ　Ｂｒｅｚｎｙ，Ｅｎ－Ｓｈｅｎｇ　Ｃｈｅｎ．Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＣＯ—ｍｏｌｄｅｄ　ｂｒｉｃｋ　ｏｎ　ｔｈｅｒｍｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｉｎ　ＢＯＦ　ｌｉｎｉｎｇ［ｃ￣／／　７７ｔｈ　Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｃｈｉｃａｇｏ：　Ｔｈｅ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９４：４９９—５０４．　从表４可以看出，计算值与实测值的误差基本上　在５　以内，表明采用ＡＮＳＹＳ模拟整个转炉温　度场的结果是正确和有效的。　ＡＮＳＹＳ－ｂａｓｅｄ　ＦＥ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａ　２　５　０　ｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｙａｈ　Ａｉｊｕｎ　（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｗｕｈａｎ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＦＥ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａ　２５０　ｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｖｓｔｅｍ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｗｉｔｈ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　２５０　ｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｃｃｏｒｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｓｕｇｇｅｓｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＦＥ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　［责任编辑郑淑芳］