大型高炉冷却壁更换炉体开孔预案的设计研究

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某厂大型高炉s 段冷却壁在高炉设计寿命后期出现了内衬融损后烧损的问题，导致冷却效果差，炉皮发红，危及日常安全生产。经研讨，制定改善的方案，包括5 段增加微型冷却器以及更换.s，段冷却壁等措施，为了论证方案的可行性，根据现嘲有关单位提供的该高炉实际工况、材料性能、结构尺寸，建立该高炉整体力学模型，根据已知的各项参数，计算出整体应力，并分析得出最大整体应力。随后，进行开孔的有限元应力计算和屈曲计算。

2炉壳整体应力的计算2.1计算模型和方法从高炉炉壳中取出的任-区段都是锥壳或筒壳，在其上作用有竖向力F，内部又作用着力P，如图 1所示。这是计算高炉炉壳整体应力的基本模型。根据高炉炉体工作状态的分析，作用于炉壳的竖向力有：炉壳自重(FWFB)和附属物荷重(FWAO)；内衬材料荷重(FwPM)；炉料产生的竖向力(FC)；内衬膨胀引起的竖向摩阻力(FSP)；炉内煤气压力引起的向上推力(FPG)；上升管内气压产生的反力(FUP)。

竖向力代数和用 ∑，标记，向上为正，向下为负。在炉内作用于炉壳的压力有 ：炉内煤气压力(PG)；内衬膨胀产生的侧压力(PSG)；炉料的侧压力(PH)和铁水的侧压力(PHI)；内压力代数相加的组合用 ∑P标记。

此外，在炉壳上还有因炉壳钢板内外温度差产生的温度应力orToD图 1炉壳整体应力计算模型Fig.1 Blast Furnaces Shell Entire Stress Math Model2.2炉壳整体应力输入数据高炉炉壳整体应力输人数据，如表1所示。高炉炉壳整体应来稿日期：2012-08-10作者简介：蒋基洪，(1966-)，男，高级工程师，主要研究方向：冶金机械专业第6期 蒋基洪：大型高炉冷却壁更换炉体开孔预案的设计研究 25力计算结果(单位：MPa)，如表 2所示。

表 1高炉炉壳整体应力输入数据Tab.1 Entire Stress Input Data of 3# Blast Furnaces ShelN0l N02 N03 N04 N05 N06 N07 N08 N09 NOlO N0l1炉壳直径 mm炉壳厚度 mm各段高度 mm各段附重 KN·o 嚣8O 38 38 48 52 62 62 62 62 8O 624388 490l 3285 4995 2230 4925 3880 1250 1250 2650 97804O0o l900 2556 3887 2783 2784 6050 160o l60o 25OHD 6750表2高炉炉壳整体应力计算结果(单位：MPa)Tab.2 Calculation Result of Entire Stress(Unit：MPa)N01 N02 N03 N04 N05 N06 N07 N08炉壳竖向应力总和 8.81 15.8O 20.18 23.77 24.59 23.97 23.8O 23.42炉壳环向应力总和 35.41 58.80 1 i 1.50 1 16.82 109.82 87.10 87.63 103.243 S 段更换冷却壁开孔弹性应力计算3.1高炉子L洞应力的弹性计算模型考虑到更换冷却壁开孔尺寸远大于其它炉壳开孔，因此采用 shell63壳单元建模，选择包含s ，s ，s 在内的，标高(23450-35600)mm的-段炉壳作为分析对象。

对于 BB503钢板 ，按各向同性计算：弹性模量 E2.06x105MPa，泊松比g--0.3。以上面得出的整体应力作为模型分析的边界条件。

屈服应力 的确定：根据高炉炉壳实际情况，经过4800多吨，551块不同厚度的统计，根据材料标准l1，其机械性能统计数据总的强度如下：屈服点：0-，390(21(MPa)；抗拉强度 ：0- 530(12(MPa)；冲击韧性 KVI83(70J(OC))。

虽然实测数据高于标准要求 ，但设计计算-般以技术标准为依据，计算中BB503钢板机械 能要求中的数据作为本评估中的参数，即：0-，295(MPa)，是偏于安全的参数选龋该模型有以下几个特点：炉壳直径远大于凶直径尺寸，因此模型单元过渡幅度比较大，节点数很大，近6万个节点，计算量较大1"21。

由于边界载荷条件复杂，采用多次计算的方法，不断地调整边界载荷条件，使得计算出的整体应力与第-章昕计算得到的整体应力相-致 。(这里由于更换冷却壁-定是在休风状态下进行，计算时应该去掉由于风压引起的各项应力)在计算考虑膨胀引起的应力时，位移边界条件应用了-个技巧，使得炉壳载荷近似于受内衬膨胀挤压所产生的应力 。使得由于炉壳非正常扭曲所附加的应力降到最校3.2高炉孔洞应力的弹性计算结果为了能够说明问题 ，选择 S 段炉衬已经全部烧损情况下的弹性有限元计算：根据所输入的各项重力载荷的数据，不考虑内衬膨胀引起的各项应力 。计算开更换冷却壁孔(2230×900)mm时的弹性应力。计算结果得到的最大应力为 46.8MPa，计算得到整体应力为9.9MPa，最大应力集中系数约为4.7∽边应力集中情况，如图 1所示。没有超过峰值应力下的应力强度的容许值 ：0-3[ ]3x0-，/1.520-，因此 ，弹性分析结果表明，对于对于增开(2230x900)mm新孔情况的计算，根据有关压力容器的标准，炉壳强度都是符合要求的。

根据以上弹性应力分析结果，借用塑性理论的基本概念，对该高炉上 s 、s 、54段的不同开孔情况设计状态下的炉壳强度进行校验[61。从弹性应力分析结果可以看出，由于孔洞效应 ，局部区域应力集中系数较大，但最大应力未超过材料的屈服极限，没有进入塑性屈服区，因此可以不用进行弹塑性有限元计算。而对于具有非常良好的塑性性能的该高炉上所选用的 BB503钢板来讲 ，采用塑性应力分析的方法，通过设定不同的加载步长，研究应力在不同载荷水平下的变化规律，求出极限载荷。炉壳增加更换冷却壁开孑L情况，进行非线性有限元分析。

3.2.1数学模型的建立除弹性有限元分析模型的几项前提条件外，增加材料屈服的应力-应变关系条件，采用弹塑性强化模型，考虑局部屈服后的应力变化规律 。

3.2.2塑性结果分析高炉炉壳孔洞应力的塑性计算结果分析当第-步加载时，根据Mises准则计算出的最大应力值为210MPa，此时整个模型都处于弹性范围内，应力分布图形与上述弹性分析相同，各个孔的上下边缘均出现不同程度的应力集中，这正是由于环向拉伸应力远远大于竖向拉伸应力所形成的结果。在这种载荷下，模型大部分处于较低的应力状态，这-点可以从等应力线振动图的颜色看出。

随着外加载荷的增加，代表着高应力范围的颜色区域不断扩大，当环向拉伸应力与竖向拉伸应力达到上面所计算出的宝钢3高炉炉壳整体应力值时，根据 Mises准则计算出的最大应力值为294MPa，此时整个模型仍处于弹性范围内，应力分布图形与上述弹性分析相同，各个孔的上下边缘均出现不同程度的应力集中，这正是由于环向拉伸应力远远大于竖向拉伸应力所形成的结果。随着外加应力的继续增加，塑性区域继续扩展。整个模型的应力代表颜色也继续向高应力颜色转变。当环向拉伸应力1 12.5MPa时，更多的大孑L局部边缘与相邻小孑L相连的区域已经连通，如图 2所示。但是根据塑性强度理论分析181，此时的炉壳结构仍然没有失去承载能力，此时的外载荷也不是极限载荷。但此时已经实施加了2.5倍的实际载荷 ，因此根据 JB4732-95中有关极限载荷的概念，可以认为增加新孔状态下高炉炉壳孔洞的塑性分析极限载荷值：o->1 12.5MPa图2继续加载孔洞应力的塑性变形图Fig.2 Continues to Load the Hole Stress Plastic Deformation可以得出：根据提供的开孔方案在该高炉上s 开孑L，虽然对