大型高炉炉壳风口孔洞边缘应力及塑性区发展的影响因素

论文摘要

高炉一直是生产铁的最主要、最经济和最有效的方法,是一种最有效的化学反应器和热交换器,是钢铁生产中的重要环节。高炉炉壳的构造复杂,其设计、制作、运输、安装等均给设计提出了很多新的课题。由于孔洞密集,开孔后在局部区域会引起应力集中;在炉况变化、炉壳受力相应波动的情况下导致局部区域应力可能会提前到达屈服,从而进入塑性状态。在传统的许用应力设计中一般结构应力不允许达到屈服状态,但对于因开孔引起的应力集中存在小范围的屈服现象,在一定条件下仍是允许的。因此,需要弄清炉壳开孔后应力集中的变化,特别是大开孔处的应力集中和塑性发展状况等。本文采用计算机模拟方法利用大型有限元ANSYS软件进行建模计算,对在常温正常工作状态下影响大型高炉炉壳风口边缘应力及塑性发展的四个因素(包括风口以上炉身冷却孔开孔率、相邻风口边缘净距、风口段板厚及风口加强板厚度)进行研究分析。本文的研究工作主要分为以下几个部分:第一部分是利用有限元ANSYS软件对大型高炉炉壳建立6个不同炉身冷却孔开孔率模型进行计算,分析发现随着炉身开孔率的增加,虽然对高炉炉壳有一定程度的削弱,但对风口段局部模型的约束影响变化不大;第二部分是建立不设风口加强板的A组整体和局部共计10个有限元模型,计算炉壳风口净距对风口孔洞边缘应力及塑性区发展的影响,分析得到当风口净距大于80mm,风口段的承载能力变化幅度很小;第三部分是建立大型高炉炉壳B组模型,即只改变风口净距的6个整体模型与相应的6个局部模型,分析炉壳风口净距对风口孔洞边缘应力及塑性区发展的影响,通过分析建议风口间最小净距为100mm;第四部分分析了风口段炉壳厚度和加强板厚度对风口孔洞边缘受力的影响,分别建立8个不同风口段厚度和5个不同加强板厚度的整体模型进行计算分析,并验证了规范中的相关经验公式为合理的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题提出的学术背景及意义
• 1.2 炼铁高炉炉型介绍
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外高炉结构研究现状
• 1.3.2 我国高炉炉壳相关领域的研究现状
• 1.4 高炉炉壳设计方法的演变
• 1.5 我国高炉结构设计的特点
• 1.6 本文研究的内容和方法
• 2 大型高炉炉壳 ANSYS有限元数值仿真模拟
• 2.1 板壳有限元法基本理论
• 2.1.1 弹塑性相关问题
• 2.1.2 单元的有限元理论
• 2.1.3 非线性方程组的解法和收敛准则
• 2.2 有限元模型的建立
• 2.2.1 几何模型的建立和简化
• 2.2.2 单元的选择
• 2.2.3 材料的本构关系
• 2.2.4 单元的网格划分及精度
• 2.2.5 荷载和边界条件
• 2.3 有限元模型的求解过程
• 2.4 有限元模型的后处理
• 2.5 本章小结
• 3 炉身冷却孔开孔率对孔洞边缘应力及塑性区发展的影响
• 3.1 引言
• 3.2 有限元模型设计及其计算结果
• 3.2.1 有限元模型介绍
• 3.2.2 有限元模型计算结果现象
• 3.3 炉身冷却孔开孔率影响因素分析
• 3.3.1 标准荷载下不同炉身开孔率对节点应力的影响
• 3.3.2 极限荷载下不同炉身开孔率对节点应力的影响
• 3.4 本章小结
• 4 风口间净距对无加强板风口孔洞边缘应力及塑性区发展的影响
• 4.1 引言
• 4.2 有限元模型设计及计算结果
• 4.2.1 有限元模型设计
• 4.2.2 有限元计算结果现象
• 4.3 炉壳风口间净距影响因素分析
• 4.4 本章小结
• 5 风口间净距对有加强板风口孔洞边缘应力及塑性区发展的影响
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型设计及其计算结果
• 5.2.1 有限元模型介绍
• 5.2.2 有限元计算结果现象
• 5.3 炉壳风口间净距影响因素分析
• 5.4 本章小结
• 6 风口段炉壳厚度和加强板厚度对孔洞边缘受力的影响
• 6.1 引言
• 6.2 有限元模型设计及其计算结果现象
• 6.2.1 有限元模刑介绍
• 6.2.2 有限元模型计算结果现象
• 6.3 风口段炉壳厚度影响因素分析
• 6.4 加强板厚度对风口周边应力和变形影响分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. A组模型风口代表节点数据表
• B. B组模型风口代表节点数据表
• C. 作者在攻读学位期间发表的论文目录