热风炉热风竖管底板结构强度有限元分析

摘要： 为设计更薄的热风炉热风竖管底板，解决试验结果和经验公式计算结果无法反映其实际受力情况的问题，用ANSYS分析某底板的结构强度.根据该底板的结构几何模型建立有限元模型，采用SOLID 185单元划分网格.分析中不考虑固定支座处的滑动；设定砖载荷、上部竖管自重载荷、内压载荷、温度载荷等边界条件.对底板、底板下部筋板、筒体和筒体筋板的应力与位移分布的分析表明：底板及其筋板与竖管筒体连接处易出现应力集中现象；在热膨胀和内压的作用下，最大位移出现在底板下部筋板与筒体交界处、筒体自由边界处和筒体筋板的上部.计算结果表明该底板能满足结构强度要求.

关键词： 热风炉； 热风竖管； 底板； 筋板； 应力； 有限元分析； ANSYS

中图分类号： TF302； TB115.1文献标志码： B

Finite element analysis on base plate structure strength of

hot blast standpipe in hot blast stove

LI Zhiyoua, ZHONG Xinglia, GUO Weia, WANG Xuexueb, WU Taoa

(a. National Engineering Research Center for Iron and Steel Making Plant Integration;

b. Architechture Engineering Department, CISDI Engineering Co., Ltd., Chongqing 400013, China)

Abstract： To design thinner base plate of hot blast standpipe in hot blast stove and overcome the problems that the results of tests or empirical formula calculation can not reflect the actual stress conditions, the structure strength of base plate is analyzed by ANSYS. A finite element model of the base plate is established according to its geometry model, which is meshed by SOLID 185 element. The sliding of fixed support is not considered in the analysis; the boundary conditions are configured including the loads of bricks, dead weight of standpipe upper part, internal pressure, temperature, and so on. The stress and displacement of base plate, reinforcing plate under base plate, standpipe body, and reinforcing plate of outer standpipe body are analyzed, which indicates that the stress concentration is liable to appear at the connection places of base plate and its reinforcing plate with standpipe body; under the effect of thermal expansion and internal pressure, the maximum displacement appears at the connection of reinforcing plate under base plate with standpipe body, free boundary of standpipe body, and upper part reinforcing plate of outer standpipe body. The calculated results show that the base plate can meet the requirement of structure strength.

Key words： hot blast stove; hot blast standpipe; base plate; reinforcing plate; stress; finite element analysis; ANSYS

0引言

高炉热风炉是高炉炼铁的关键设备之一，也是钢铁企业的核心，它向高炉提供热风，使高炉在高风温水平操作，保证其正常运行一直是厂家和设计者关心的问题.对于顶燃式热风炉，其热风出口位于拱顶下部，位置较高，热风出口处位于炉子直径最大处，温度也最高，同时，热风总管与热风围管不在同一高度.［1-2］工程上通常采用热风竖管过渡，通过热风竖管与各个热风炉的热风出口连接，从而解决热风出口高度高、热风出口处直径大、温度高以及热风总管与热风围管不在同一高度的热风管道补偿问题.热风竖管既是热风通道，又是很好的固定支架，而热风竖管底板是热风竖管的重要支撑部件，主要承受混风室耐火砖载荷、温度应力和混风室压力等载荷.底板设计得过厚会浪费材料，而设计得过薄容易出现上翘、开裂等现象.［3］由于本文的热风竖管底板设计厚度比以往设计方案薄，需判断底板结构设计的安全性：对于此种重型非标设备很难通过试验手段判断其安全性，同时，热风竖管在生产期间的工况复杂，经验公式的计算结果并不能反映底板的实际受力情况.［4］为准确把握热风竖管底板应力和位移，本文借助有限元软件对热风竖管底板进行分析.

应用大型通用有限元软件ANSYS，通过计算机仿真模拟，对热风竖管底板在砖载荷、自重、上部竖管重力、温度载荷和压力等载荷作用下的应力和位移状况进行分析.

1热风竖管底板结构分析模型

1.1构建几何模型

本文分析的重点为热风竖管底板，故取包含底板的热风竖管局部区域进行分析，考虑热膨胀的影响，对于热风竖管底部支架取稍长段建模.热风竖管底板几何模型见图1.(a)外部结构仰视图(b)外部结构侧视图(c)内部结构俯视图(d)内部结构剖面图图 1热风竖管底板几何模型

Fig.1Geometry model of base plate of hot blast standpipe

1.2有限元模型

采用实体单元进行网格划分，有限元分析采用SOLID 185单元，其有8个节点，每个节点有3个自由度，即沿x，y和z方向的移动自由度.有限元模型见图2.

1.3仿真模型参数设置

1.3.1材料模型

材料采用Q235B钢，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，线膨胀系数为1.0E-5 m/℃.

1.3.2边界条件

(1)固定支座处边界.在砖载荷、自重、温度载荷和内压载荷作用下，不考虑固定支座处的滑动，将模型底部固结.

(2)砖载荷施加.计算所有的耐火砖及泥浆、铁屑填料等总重，以节点力形式施加到底板相应节点（底板中对应耐火砖覆盖区域）.

(3)上部竖管自重载荷.计算截取区域上部竖管自重，以节点力形式施加到筒壁区域（方向向下）.

(4)内压载荷.混风室风压载荷为0.45 MPa.

(5)温度载荷.热风竖管的管壳温度取100 ℃.

(6)重力载荷.重力加速度g取9 810 mm/s2.

2计算结果分析

2.1应力分布

2.1.1底板应力分布

热风竖管底板von Mises应力分布见图3，底板最大应力为64.46 MPa，最大应力出现在底板与竖管筒体连接处，为结构的不连续处，易出现应力集中现象.底板的von Mises应力小于结构材料的许用应力值σm(113 MPa).［5］

2.1.2底板下部筋板应力分布

底板下部筋板von Mises应力分布见图4，筋板最大应力为183.94 MPa，最大应力出现在底板下部筋板与竖管筒体连接处，为结构的不连续处，易出现应力集中现象.依据JB 4732―1995［6］，此处应力小于3σm，结构强度满足要求.

2.1.3筒体应力分布

竖管筒体von Mises应力分布见图5，其最大应力为88.44 MPa，小于结构的许用应力值.最大应力出现在竖管筒体与底板下部筋板连接处，为结构的不连续处，易出现应力集中现象.

将竖管筒体峰值应力处的应力进行线性化处理，结果见图6，可知，峰值应力处的薄膜应力仅为59.12 MPa，因此此处的薄膜应力并不起控制作用.峰值应力处的薄膜应力与弯曲应力之和为93.07 MPa，小于JB 4732―1995中Q235B材料1.5σm值（1.5×113 MPa=169.5 MPa）.由于峰值应力处的峰值、薄膜应力值以及薄膜应力与弯曲应力之和均满足JB 4732―1995的要求，在峰值应力处的结构强度满足要求.

考虑到峰值应力处的薄膜应力与弯曲应力之和可能不是最大，提取峰值应力下一个网格处的应力强度，依据JB 4732―1995的要求进行线性化处理，结果见图7，可知，薄膜应力为52.99 MPa，小于JB 4732―1995中Q235B材料σm值；峰值应力处下一个网格应力处的薄膜应力与弯曲应力之和为56.36 MPa，远小于JB 4732―1995中Q235B材料1.5σm值.由于峰值应力处下一个网格应力的峰值、薄膜应力值以及薄膜应力与弯曲应力之和均满足JB 4732―1995的要求，在峰值应力处的结构强度满足要求.

2.1.4筒体筋板应力分布

竖管筒体筋板处von Mises应力分布见图8，可知，筋板最大应力为129.63 MPa,最大应力出现在底板筋板与竖管筒体连接处，为结构的不连续处，易出现应力集中现象.依据JB 4732―1995，此处应力小于3σm，结构强度满足要求.

2.2位移分布

2.2.1底板位移分布

底板位移分布见图9，可知，由于热膨胀导致最大位移出现在底板与筒体交界处，为2.68 mm.

2.2.2底板下部筋板位移分布

底板下部筋板位移分布见图10，可知，由于热膨胀导致最大位移出现在底板下部筋板与筒体交界处，为2.64 mm；加筋相对挠度为1.48 mm，方向为竖向向下；底板相对挠度为1.28 mm，方向为竖向向下.底板的挠度与加筋的挠度相差较小，表明底板与底板加筋在受到向下的压力和温度应力作用时以整体弯曲为主，底板的局部弯曲较小.

2.2.3筒移分布

筒移分布见图11，可知，由于热膨胀及内压导致最大位移出现在筒体自由边界处，为3.28 mm.

2.2.4筒体筋板位移分布

筒体筋板位移分布见图12，可知，由于热膨胀导致最大位移出现在上部筋板处，为2.96 mm.

3结束语

通过对热风竖管底板的有限元分析，可有效解决复杂载荷情况下的底板结构计算，为判断结构设计的安全性提供参考.

大型设备设计通常偏于保守，从而造成材料的大量浪费；借助有限元软件进行仿真模拟，为结构的合理优化设计提供一种有效的判定手段，从而降低生产成本.

参考文献：

［1］陈君, 吕遐平, 钟星立, 等. 新日铁式热风炉的数值模拟［J］. 钢铁技术, 2010(3): 5-8.

CHEN Jun, L Xiaping, ZHONG Xingli, et al. Numerical simulation on hot blast stove of Nippon Steel Corporation［J］. Iron & Steel Technol, 2010(3): 5-8.

［2］林成城, 徐宏辉. 热风炉高风温新技术开发［J］. 钢铁, 2005, 40(11): 9-12.

LIN Chengcheng, XU Honghui. Development of new technology of increasing blast temperature［J］. Iron & Steel, 2005, 40(11): 9-12.

［3］黄东生, 王荣恩. 顶燃式热风炉的应用与发展探讨［J］. 山东冶金, 2008, 30(4): 30-32.

HUANG Dongsheng, WANG Rongen. Application and development of top-firing hot blast stove［J］. Shandong Metallurgy, 2008, 30(4): 30-32.

［4］于建民, 张治民, 薛勇, 等. 深锥筒形件挤压工艺的数值模拟优化［J］. 计算机辅工程, 2006, 15(S1): 374-376.

YU Jianmin, ZHANG Zhimin, XUE Yong, et al. Numerical simulation optimization of extrusion process for conical cylindrical workpiece［J］. Comput Aided Eng, 2006, 15(S1): 374-376.

［5］BG 150―1998钢制压力容器［S］.

［6］JB 4732―1995钢制压力容器-分析设计标准［S］.