內(nèi)襯對高爐爐殼受力影響的參數(shù)化分析

鄭 蕾 （中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

0 前 言

高爐結(jié)構(gòu)是一種特殊的冶金設(shè)備，其構(gòu)造形式復(fù)雜，受力形式多種多樣，各部分的承載也較為復(fù)雜，很多問題尚沒有一個很好的結(jié)論。高爐的組成主要是由高爐內(nèi)襯和高爐鋼爐殼組成；高爐內(nèi)襯一般由粘土磚或高鋁磚等微膨脹或零膨脹保溫材料和構(gòu)成。在設(shè)計(jì)過程中，工程師往往根據(jù)高爐內(nèi)部的荷載工況，計(jì)算高爐鋼爐殼的受力、變形情況，從而確定爐殼的形狀和厚度，而不考慮保溫材料對爐殼受力和變形的影響。在大量關(guān)于高爐的內(nèi)襯的研究中，也重點(diǎn)是研究內(nèi)襯的侵蝕[1,2]。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)工程，參照相關(guān)的參考文獻(xiàn)[3,10]，對高爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，采用大型有限元軟件模型進(jìn)行有限元分析，得出一些有價值的結(jié)論，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 建 摸

圖1 結(jié)構(gòu)模型圖

在高爐結(jié)構(gòu)中，分析內(nèi)襯對爐殼影響最佳的部位為爐缸位置，爐缸的鐵水產(chǎn)生的側(cè)向荷載主要是通過爐壁內(nèi)的爐缸陶瓷杯傳遞給高爐內(nèi)襯，再傳給外面的爐殼的。在傳力的過程中，保溫磚也承受了部分的荷載，對這部分力產(chǎn)生了削弱的效應(yīng)。內(nèi)襯材料屬性不盡相同，而不同的材料屬性對這種傳力產(chǎn)生什么樣的效應(yīng)尚不可而知，而分析采用參數(shù)化的方式，分析不同材料參數(shù)的材料對爐殼受力的影響，從而分析組合體的受力特性。

為節(jié)省計(jì)算空間，增加計(jì)算精度，模型只分析爐缸和爐底部分。建摸時取爐缸高度4.394m,爐底高度3.743m,鐵水深度3m。爐殼的爐缸部位鋼板厚度為36mm，爐底鋼板厚度為30mm，爐缸頂部的保溫層厚度為794mm,爐缸坡度為7∶1。

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)爐殼為Q345鋼，而保溫材料的參數(shù)由于相關(guān)的計(jì)算資料較少，分析時取彈性模量為0～30GPa區(qū)間進(jìn)行參數(shù)化分析（彈性模量取值參照砌體和混凝土的相關(guān)參數(shù)）。

有限元模型基本屬性 表1

2 加 載

在分析時簡化結(jié)構(gòu)的受力性能，只選取一種作用力（重力采用加載加速度方式）。鐵水的側(cè)向作用力主要為向外的壓應(yīng)力，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式P=ρgh可知，這種力為一沿側(cè)壁的三角形荷載，如圖2所示，在大型有限元軟件里，其主要由不同的顏色來區(qū)分的，如圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)受力簡圖

圖3 加載面加載示意圖

3 結(jié)果分析

分析上述模型的計(jì)算結(jié)果，主要針對2個參數(shù)來分析：爐殼的最大位移（Smax）和爐殼單元的最大Von mises應(yīng)力。下面就圍繞這2個參數(shù)進(jìn)行分析。

3.1 最大位移（Smax）

最大位移分析主要考慮中間內(nèi)襯對爐殼位移的減小規(guī)律，由于在爐殼的設(shè)計(jì)中大都不考慮中部分砌體的影響，故定量的分析其對結(jié)構(gòu)最大位移的減小規(guī)律還是很有必要的。在分析時先分析通過結(jié)構(gòu)最大位移隨彈性模量參數(shù)的變化規(guī)律。

如圖4所示，在鐵水壓力作用下，在爐缸的中下部是最大位移的發(fā)生位置，而往上和往下遞減，呈紡錘形，所以在對高爐進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候，要特別注意這個部位的位移值是否控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

幾種模型的最大位移（mm） 表2

由表2表示可知，當(dāng)彈性模量值達(dá)30GPa時，爐殼的最大位移非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，但是隨著砌體剛度的減小，爐殼的最大位移大幅增加，當(dāng)不考慮砌體的剛度時，爐殼在鋼水的作用下的最大位移達(dá)0.682mm，且彈性模量對位移的影響基本分2個階段：當(dāng)彈性模量小于1GPa時，彈性模量的參數(shù)變化對爐殼最大位移的影響非常明顯，而當(dāng)彈性模量大于1GPa時，隨著彈性模量的增加，爐殼最大位移的減小趨勢減緩，如圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)位移變化圖

圖6 別為單元Von mises應(yīng)力示意圖

綜上所述，對爐缸部位的爐殼來說，若考慮30GPa的彈性模量情況下的最大位移是不考慮內(nèi)襯受力情況下最大位移的3.4%，實(shí)際工程中的內(nèi)襯肯定不會大于30GPa，但哪怕很小的彈性模量也會對爐殼的位移產(chǎn)生極大的影響，所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)在位移設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)內(nèi)襯材料情況適當(dāng)考慮內(nèi)襯和爐殼組合受力的情況。

3.2 最大Von mises應(yīng)力分析

對高爐結(jié)構(gòu)來說，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度控制是十分敏感的，所以對應(yīng)力的分析是十分必要的。在分析應(yīng)力變化規(guī)律時本文選用Von mises應(yīng)力作為衡量指標(biāo)，通過比較不同內(nèi)襯彈性模量的Von mises應(yīng)力變化規(guī)律來研究其對爐殼受力的影響規(guī)律。

圖6 單元Von mises應(yīng)力示意圖

圖6 別為單元Von mises應(yīng)力示意圖。結(jié)構(gòu)的單元最大Von mises應(yīng)力發(fā)生在爐缸的中下部（盛鐵水部分），往上和往下均減小，最上和最下端由于沒有鐵水作用，應(yīng)力最小，和圖4變形情況一致。

幾種模型的單元Von mises應(yīng)力值 表3

表3別列出了幾種材料模型下單元最大Von mises應(yīng)力值，由表可知，當(dāng)內(nèi)襯的剛度較大時，爐內(nèi)鐵水對爐殼幾乎不會產(chǎn)生多少應(yīng)力，單元最大Von mises應(yīng)力是1MPa，這個值對爐殼的受力來說幾乎可以忽略不計(jì)，但是隨著內(nèi)襯的剛度不斷增加，鐵水對爐殼產(chǎn)生的應(yīng)力也越來越大，當(dāng)不考慮內(nèi)襯的剛度時鐵水對爐殼產(chǎn)生的最大Von mises應(yīng)力已達(dá)到30MPa以上。

圖7 剛度變化其對結(jié)構(gòu)Von mises應(yīng)力的影響規(guī)律

圖7 所示為最大Von mises應(yīng)力隨剛度變化其對爐殼產(chǎn)生的最大應(yīng)力變化規(guī)律。由圖可知，對剛度變化來說，當(dāng)砌體的剛度小于1GPa時，爐殼的最大Von mises應(yīng)力隨砌體剛度的變化急劇增大，所以對爐殼的應(yīng)力來說，當(dāng)砌體的剛度較小時，爐殼的應(yīng)力對砌體剛度的變化是十分敏感的。

綜上所述，可知內(nèi)襯對爐殼應(yīng)力的影響是十分明顯的。當(dāng)對高爐內(nèi)襯的彈性模量達(dá)30GPa時，鐵水的荷載基本上都是由內(nèi)襯承擔(dān)，爐殼所承擔(dān)的應(yīng)力均不大于1.5MPa，若爐殼按照Q345鋼設(shè)計(jì)時，這部分應(yīng)力只占爐殼材料承載能力的0.45%不到，可以完全不考慮；當(dāng)這部分內(nèi)襯的剛度按照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（內(nèi)襯可適當(dāng)參照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》）規(guī)定的值計(jì)算時（1GPa～10GPa）,爐缸內(nèi)鐵水給爐殼產(chǎn)生的應(yīng)力最大的值不到7MPa，只占爐殼材料承載能力的2%不到，雖然剛度小于1GPa時，鐵水對爐殼的應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，但是這部分的值只能作為研究用，實(shí)際工程中，砌體的剛度均不會小于1GPa，所以鐵水對爐殼的影響很小，但是在設(shè)計(jì)中，采用的把鐵水的荷載直接加到爐殼上的方式對爐殼產(chǎn)生的應(yīng)力為34.2MPa，占爐殼材料承載能力的10%，這樣就造成材料的極大浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

通過對爐缸部位內(nèi)襯對爐殼的參數(shù)化分析，內(nèi)襯材料對爐殼的受力有著較大的影響，特別是彈性模量在1GPa以上時，其承擔(dān)了大部分的荷載，當(dāng)前關(guān)于內(nèi)襯材料的材料屬性特別是力學(xué)屬性并沒有很好的研究，其砌筑方式、材料成分等影響因素非常多，而隨著研究的繼續(xù)，一種內(nèi)襯和爐殼組合受力的設(shè)計(jì)方法必將出現(xiàn)，這將大大節(jié)省投資。

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