转炉炉衬温度场的有限元分析

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1、转炉炉衬温度场的有限元分析关而坤，王春乔(内蒙古科技大学机械工程学院，内栽古包头014010)摘要：炉衬耐火材料的损坏与热负载引起的温度热应力有关，炉衬温度场是求解览热应力的慕础，由于结构上的原因，川实测的方法很难得到炉衬的温度场.应用有限元数值计算软件，对转炉炉衬的温度场进行『数值模拟，仿真结果对逬一步分析炉衬材料的热应力提供了坚实的理论基础.关键词：转炉炉衬；温度场；有限元中图分类号：TF71文献标识码：A文章编号:1002-1639(2004)06-0014-03FEMAnalysisofTemperatureFieldforBOFLiningGUANLi-kun,WAN

2、GChun-xiang(MechanicalEngineeringSchool,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)Abstract：Theruinofrefractoryofliningrelatestothermal-stressthatheatloadproduces.Obtainingliningtemperaturefieldisthefoundationforgettingthermal-stress.Thankstostructuralcause,gettingtempe

3、raturefieldofliningisrelativelydifTicultywithusingmeasuredmethod.WithhelpofFEM,temperaturefieldofliningcanbeenobtainedthroughnumericalsimulation.Theresultsuppliessubstantialtheoreticalbasisforfurtheranalysisthermal-stressoflining・Keywords:BOFlining；temperaturefield；FEM图1转炉冶炼的作业工况1前言炉衬温度场是炉衬热

4、应力求解的基础.要完成炉衬的强度分析，必须知道炉衬结构的温度分布，由于计算时所涉及的炉衬材料物性参数值是随着温度的变化而变化，加之炉体结构形状和求解边界条件的复杂性，依据解析方法确定其温度场是非常困难的，有时甚至是不可能的,有限单元分析法为解决这-问题提供了有效的工具.2转炉工作的状况2.1转炉结构简介转炉炉体由炉喘和炉衬组成，炉売由钢板焊接而成,而炉衬由工作层和永久层两部分组成.工作层直接和炉内液态金属、炉淹、炉气接触，在工作中逐渐被腐蚀；永久层紧贴炉壳，用以保护炉壳钢板.除了出钢口外，炉体结构是一个以中心线为轴的冋转对称结构.2.2转炉工作的热负荷特点由于炉体结构基本是一个

5、以中心线为轴的回转对称结构，而且在其冶炼过程中，每一炉可分成空炉、装铁水及废钢、吹炼和出钢的四个工况，如图1所示.在每次钢水冶炼的约50min,前三个工况约占45min,转炉所受热负荷是轴对称的•仅在出钢时炉壳会受到钢包的热辐射，该侧温度会略有上升，但出钢时间一般仅5min左右.由于热负荷是轴对称的前三个工况占总时间的90%,因此在收稿日期：2004-08-30；修回日期：2004-09-30基金项目：内蒙古科技大学校内基金资助项目(02715)作者简介：关丽坤(1963-),女(满族)，硕士，副教授，从事机械接触问题及传热仿真研究.对炉体进行传热分析时，我们把它简化为轴对称

6、体。新的炉衬砌筑完成后，在正常冶炼之前必须进行加热烘炉，使耐火砖之间紧密烧结后形成一个整体方可用于冶炼.烘炉是按照一定的加热升温制度进行的。由于炉体内部的温度不断上升变化，所以在加热烘炉过程中，转炉炉体的温度变化是一个瞬态传热过程.烘炉结束后，开始炼钢生产时，炉壳温度逐渐升高,约经过8()〜120h的生产，炉衬温度分布趋于稳定.冶炼时，加料、取样、出钢等操作都会引起炉内温度的变化，但由于这些操作持续时间短，炉体热惯性大，对于炉衬和炉壳的温度水平都不会造成太大影响，此时炉体所形成的温度场可看成稳态温度场.3数学模型的建立3.1数学模型温度控制方程的建立是根据Fourier热传导定

7、律.在建立炉体热学物理模型时，按照上述的结构特点和热负荷状况，将炉体设为平面轴对称模型，并处于稳态温度场，所以整个炉体热传导控制方程如下⑴备仏疇)+备仗瞬(1)式中：匕、怠分别为材料沿「和z方向的导热系数，其随温度的变化而变化。根据炉体的实际工作状况，炉体的稳态温度场分布除由式（1）确定外，还要符合下列两类边界条件：（a）在炉体内部可取为第一类边界条件r

8、r,-K（2）（b）在炉壳外表面可取为第三类边界条件一吗壬h=⑶式中：口、「2为物体边界；心为炉衬内表面温度；7｝为炉壳外表面的温度丛为炉