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寶鋼從日本新日鐵引進(jìn)的三座300噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐巳先后投入生產(chǎn)。為了提高我國轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)效益，現(xiàn)準(zhǔn)備將其改造成頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐。根據(jù)工藝的要求，需在轉(zhuǎn)爐爐底開若干個(gè)直徑為小500(mm)的孔，以安裝一套底部供氣系統(tǒng)及滿足底部透氣磚的自由折裝的需要。
顯然，爐底開孔以后，會(huì)使原來的爐底應(yīng)力場發(fā)生變化，產(chǎn)生厲害的應(yīng)力集中。只有了解清楚爐底開孔后應(yīng)力場的情況，才能為轉(zhuǎn)爐開孔的設(shè)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)措施提供科學(xué)的依據(jù)。
此外，對這樣大型的300噸轉(zhuǎn)爐進(jìn)行強(qiáng)度分析，也具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前國內(nèi)對之進(jìn)行有限元分析，本文尚屬首次。本文的分析結(jié)果為國內(nèi)冶金部門自己設(shè)計(jì)、制造大型轉(zhuǎn)爐作了強(qiáng)度FEA分析的準(zhǔn)備。
本文采用二次分析方法對300噸轉(zhuǎn)爐進(jìn)行有限元分析，即先利用轉(zhuǎn)爐是回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的特性，采用回轉(zhuǎn)體單元對其進(jìn)行整體分析，然后再利用它的計(jì)算結(jié)果，把爐底開孔部分單獨(dú)取出來，進(jìn)行三維實(shí)體分析，這樣既能保證計(jì)算精度，又不使計(jì)算規(guī)模很大，易于在微型計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)爐的爐體剖面圖內(nèi)側(cè)是爐襯工作層，中間是永久層，外側(cè)由鋼殼組成。其妒殼特點(diǎn)是爐帽、爐身、11500(mm)，爐底球面半徑為對稱體。爐底為整體型。7000(mm)爐殼內(nèi)徑為小8500(mm)，爐身全高為H整個(gè)爐殼結(jié)構(gòu)可以看作以中心線為軸的回轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)爐爐殼的結(jié)構(gòu)和載荷是軸對稱的，故用回轉(zhuǎn)對稱單元將支承筋板與爐殼一起進(jìn)行應(yīng)力分析，對其整體用粗網(wǎng)格單元分析，局部地方用精細(xì)網(wǎng)格分析。
在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)將載荷分為部分：
(1)爐殼機(jī)械載荷：由爐殼、爐襯、鋼液和渣液的重量等組成。并認(rèn)為爐襯的重量只均勻地作用在爐底上。鋼水和渣液對爐底球殼作用的靜壓力也假設(shè)是均勻的，其值P=H/Y，H液面高度，比重。
(2)爐殼溫度梯度：轉(zhuǎn)爐長期在高溫下工作，由于爐殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磚襯厚度變化及導(dǎo)熱系數(shù)不均等因素，使?fàn)t殼各部分熱傳導(dǎo)差別較大，從而導(dǎo)致爐殼沿軸向和徑向產(chǎn)生溫度梯度，形成很大的溫度應(yīng)力。因此，在對轉(zhuǎn)爐爐體的溫度場分析的基礎(chǔ)上，我們對爐殼還進(jìn)行了溫度應(yīng)力的計(jì)算。
(3)爐襯熱膨脹壓力：從爐體結(jié)構(gòu)可知爐體內(nèi)側(cè)是較厚的耐火磚，其外側(cè)是鋼殼，轉(zhuǎn)爐在高溫下工作，爐壁內(nèi)外溫差較大，不同t時(shí)刻轉(zhuǎn)爐沿壁厚方向的溫度分布曲線。由于爐襯的平均溫度遠(yuǎn)大于鋼殼的平均溫度，它們的熱膨脹系數(shù)也不相同，因而爐襯的熱膨脹要比爐殼大得多，其結(jié)果是爐殼受到爐襯的內(nèi)壓力。根據(jù)對寶鋼300噸轉(zhuǎn)爐的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)的溫度場分析，可計(jì)算得到爐體各部分的熱膨脹壓力。
(4)爐殼的工況分析：寶鋼300噸轉(zhuǎn)爐爐殼在作業(yè)過程中，承受了機(jī)械載荷、溫度梯度和熱膨脹壓力的同時(shí)作用，由于工況變化頻繁、爐體溫度不斷地在發(fā)生變化，這三者產(chǎn)生的綜合應(yīng)力是時(shí)間才的函數(shù)。顯然，要反映爐殼的真實(shí)應(yīng)力，為設(shè)丁計(jì)認(rèn)員提供可靠的依據(jù)，應(yīng)選擇一個(gè)三種應(yīng)力之和為最大值的工況，計(jì)算其綜合應(yīng)力。依據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算表明，在煉鋼第37小時(shí)時(shí)候，其溫度應(yīng)力和熱膨脹應(yīng)力都較大，因而就以該時(shí)刻下的綜合應(yīng)力來分析爐底開孔后的應(yīng)力場變化。
頂吹轉(zhuǎn)爐改為頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐，須在爐底開孔以安裝透氣元件。根據(jù)工藝的要求在爐底有二種開孔方案，需分別分析其強(qiáng)度情況。
由于開孔后的爐殼巳不再是回轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，所以，我們把開孔的爐底單獨(dú)取出來，用三維八節(jié)點(diǎn)塊單元對之進(jìn)行空間實(shí)體應(yīng)力分析，在遠(yuǎn)離開孔的切出邊界處，加入整體分析得到的指定位移。又利用其結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，分別取八分之一和四分之一進(jìn)行有限元分析。兩種開孔方案在微型計(jì)算機(jī)上。
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