基于ANSYS的侧加热锌锅厚度选择与温度控制模拟.pdf

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1、206化工机械2012正基于ANSYS的侧加热锌锅厚度选择与温度控制模拟。杨伟方”1沈淦荣1沈百方1何世权2刘飞2(1．浙江金洲管道科技股份有限公司；2．兰州理工大学石油化工学院)摘要利用ANSYS热应力分析模块对侧加热锌锅均匀加热时的锅壁进行稳态热分析，得到应力等值线分布图，通过对产生热应力原因的分析，得出不同厚度下侧加热锌锅外侧壁在允许屈服应力强度下所能承受的最大加热温度。为热镀锌生产线上延长锌锅寿命提供理论依据，同时也为锌锅制造厂家选择锌锅厚度与铸造辞锅时选择焊接位置提供参考。关键词锌锅热应力分析厚度选择加热温度ANSYS中圈分类号

2、TQ051文献标识码A文章编号0254-6094(2012)02-0206-04锌锅在金属热镀锌生产线上起关键作用，锌锅寿命的长短直接影响着热镀锌生产厂家的生产量和经济效益。目前国内使用的锌锅一般是用08F钢板焊制而成的¨]，其按加热形式可分为侧加热或底部加热锌锅和内加热锌锅。对于侧加热锌锅来讲，一般选择侧壁上的2／3部位为主加热区，为了确保受热均匀，有的厂家还在侧壁主加热区外壁贴上黑度较大的耐火砖。加热过程中，一定要在整个锌锅内保持温度平衡，锌锅内壁的温度一定不能高于480。CE2：l，在保持锌锅内壁温度稳定时，如果侧加热部位外壁的温度

3、过大，就会造成锌锅壁发生屈服变形，致使锌锅失效。笔者利用ANSYS中的热应力分析模块，对在均匀加热时的锌锅内外壁温度场及应力场进行模拟，得到不同厚度下侧加热锌锅能允许的最大加热温度，以便在加热时控制锌锅夕1-$d壁的温度，使锌锅能在许用热应力下安全工作，延长其使用寿命。1侧加热锌锅的工作原理及应力分析的理论基础普通的侧加热锌锅如图1所示口1，作为典型的带钢连续热浸镀锌装置，其工作原理如图2所示，侧加热锌锅在工作时，利用锌锅侧壁的火道进行加热，使锌液温度升高并保持到理想中的460。C，此时保持锌锅壁面加热区的热流量与锌锅消耗的热流量相等，使

4、锌锅能够在金属热镀锌生产线上不停地运转。1——烧嘴；4——锌锅；7——基础；·浙江金洲管道科技博士后工作站项目。t·杨伟方，男，1971年12月生，工程师。浙江省湖州市，313000。图1普通侧加热锌锅2——炉体；5——锌液面；8——烟道3——加热火道；6——锌液；第39卷第2期化工机械207瓠吣艄一O’鬻钢管

5、’毯，‘4吣锌锅锅图2连续热浸镀锌装置工作原理锌锅在加热过程中的热量消耗主要由5部分组成H1：锌液对流散热Q，，锌液面的辐射散热Q：，带钢表面溶剂消耗热Q，，带钢锌锅带出的热量Q。，锌锭熔化热量Q，。当进行热镀锌生产时，锌锅消耗的

6、总热量Q总=Q。+Q：+Q3+Q。+Q，O锌锅消耗的总热量越大，其所能提供金属热镀锌的效率就越高。例如可以通过提高钢带及其他镀锌产品的传送速度，使单位时间内金属镀锌产品的产量增加。在金属热镀锌生产线上，根据热力学第一定律可知，单位时间内锌锅消耗的热量等于单位时间内侧加热锅壁传送的热量，而锌锅壁传送热量能力的大小取决于锌锅侧壁内外温差的大小，锌锅侧壁(靠近锌液的内侧)温度稳定时，其侧壁靠近火道的外侧温度就决定了传热能力的强弱。也就是说，尽量提高侧加热锌锅外侧靠近火道部分的温度值，就能提高锌锅的效率。侧加热锌锅侧壁内外两侧存在温度梯度，当锌锅

7、材料08F钢导热系数一定时，就会计算出锌锅侧壁延厚度方向的温度等值线图。由于同一结构体(即08F)钢不同温度的热膨胀系数不一致，因此在加热或冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一致，从而导致锯壁内部热应力的产生。笔者对不同厚度锌锅进行热应力模拟分析，得到不同厚度下锌锅材料在允许屈服强度下所允许的最大加热温度。2几何模型的建立及网格划分分别以壁厚为50、40、30、20、15、10、5mm的侧加热锌锅作为几何模型，取锌锅高2m、长7m、宽1．4m，以壁厚为20mm为例，其纵向剖面如图3所示。图3厚度20mm锌锅纵向剖面图用ANSYS模拟时，采用PL

8、ANEl3热一应力耦合单元。考虑到锌锅为对称结构，只考虑剖面图的一半进行加载就可以了。在此基础上，用半径为100ram的倒角弧连接锌锅锅底与侧壁，建立ANSYS有限元模型，以最小尺寸lOmm对其进行网格划分，划分结果如图4所示。图4厚度20mm锌锅模型网格划分3加载参数设置及计算过程在锌锅侧壁内侧加载475℃的均匀温度载荷，然后在锌锅侧壁外侧2／3主加热部位上分别加载540、530、520、510、500。C的温度均匀载荷，其他实常数均按08F钢的物理学参数设置"J：取弹性模量E。=1．44GPa，屈服应力盯。=91MPa，密度为7870

9、kg／m3，泊松比0．30，线膨胀系数见表1，导热系数见表2。表108F钢的线膨胀系数温度／"c200300400500600线膨胀系数／lO一·℃一112．6113．Ol13．6314．18